Ergebnisse. Resilienz ist heutzutage ein wichtiges Konzept, das von menschlichen Gemeinschaften, die nach Naturkatastrophen ihre Ordnung wiederherstellen, bis hin zu mikrobiellen Gemeinschaften reicht, die sich von einem Chemieunfall erholen. Es besteht jedoch keine Einigkeit darüber, wie Resilienz definiert und gemessen werden sollte. Ein wissenschaftliches Gremium hat 47 Definitionen von Resilienz ermittelt, die in verschiedenen Bereichen verwendet werden, darunter Technik, Ökologie, Soziologie, Wirtschaft und Psychologie. Das Verständnis der Resilienz mikrobieller Gemeinschaften ist jedoch ein entscheidender Faktor, wenn es darum geht, sie für die Biotechnologie zu entwickeln oder vorherzusagen, wie sie auf eine sich verändernde Umwelt reagieren werden. Diese Gemeinschaften müssen in der Lage sein, sich schnell von einer Umweltveränderung zu erholen, damit ihre Funktion im Laufe der Zeit stabil bleibt.
Jetzt hat eine Gruppe von Computerbiologen und Mikrobiologen des Pacific Northwest National Laboratory eine Methode zur Definition der Widerstandsfähigkeit von mikrobiellen Gemeinschaften vorgeschlagen, die Ökologen und Ingenieure vereint. Ihre Arbeit wurde kürzlich in Frontiers in Microbiology veröffentlicht.
„Wir glauben, dass die Widerstandsfähigkeit mikrobieller Gemeinschaften am besten als die Wiederherstellungsrate einer bestimmten Funktion definiert werden kann, die für den Forscher von Interesse ist“, sagte Dr. Stephen Lindemann, der Mikrobiologe des PNNL, der das Team leitete. „Wenn wir uns auf die grundlegenden Eigenschaften des Systems als Reaktion auf eine bestimmte Veränderung der Umwelt konzentrieren, können wir nicht nur die Widerstandsfähigkeit einer Funktion zwischen verschiedenen Gemeinschaften vergleichen, sondern erhalten auch ein tieferes Verständnis der Eigenschaften der Gemeinschaften. Mit dieser Definition schlagen wir vor, dass die Widerstandsfähigkeit innerhalb einer mikrobiellen Gemeinschaft entsteht – unabhängig von der Umgebung, in der sie lebt.“
Warum das wichtig ist. Sie mögen zwar winzig sein, aber Mikroorganismen übertreffen insgesamt die Masse aller anderen Pflanzen und Tiere auf unserem Planeten. Sie kontrollieren den Kohlenstoff- und Energiekreislauf auf unserem Planeten, und Wissenschaftler beginnen, ihre Rolle bei der Gestaltung der menschlichen Gesundheit und Physiologie zu schätzen. Diese kleinen Wunderwerke werden auch als potenzielles Mittel zur Gewinnung erneuerbarer Energie untersucht. Das Verständnis der Prozesse, die bestimmen, wie mikrobielle Gemeinschaften auf Veränderungen in ihrer Umwelt reagieren, ist von entscheidender Bedeutung für Ökologen, die sich mit der Vorhersage der Auswirkungen von Klimaveränderungen oder Vulkanausbrüchen auf Ökosysteme befassen, und für Ingenieure, die Gemeinschaften für stabile biotechnologische Prozesse entwickeln.
„Um das beste System zu entwerfen, müssen wir rationale Methoden entwickeln, um die Widerstandsfähigkeit mikrobieller Gemeinschaften zu quantifizieren und in der Lage zu sein, sich nähernde Kipppunkte vorherzusagen“, so Lindemann.
Methoden. Auf der Suche nach einem integrierten Konzept der Resilienz, das auf alle mikrobiellen Gemeinschaften anwendbar ist, verglichen die Wissenschaftler frühere Resilienzstudien aus technischer und ökologischer Sicht. Sie stellten übereinstimmend fest, dass Veränderungen in der Umgebung der Mikroben zu Veränderungen in der Zusammensetzung oder Größe der Gemeinschaft führen können, dass aber wichtige Funktionen erhalten bleiben. Zu verstehen, wie diese Funktionen auf Veränderungen in der Umwelt reagieren, ist sowohl für Ökologen als auch für Ingenieure von zentraler Bedeutung.
Wie geht es weiter? Die Wissenschaftler des PNNL planen, grundlegende Mechanismen zu identifizieren, die für die Widerstandsfähigkeit sowohl einfacher als auch hochkomplexer mikrobieller Gemeinschaften verantwortlich sind. Das Verständnis dieser Mechanismen wird die Fähigkeit, mikrobielle Gemeinschaften zu entwerfen, ihr Verhalten vorherzusagen und sie zu kontrollieren, sowohl in natürlichen Ökosystemen als auch in biotechnischen Systemen, erheblich verbessern.
Danksagungen
Förderer: Das U.S. Department of Energy’s Office of Science, Biological and Environmental Research, unterstützte diese Arbeit über das Genomic Science Program.
Forschungsbereich: Biological Systems Science
Benutzereinrichtung: EMSL
Forschungsteam: Jim K. Fredrickson, Stephen R. Lindemann, Ryan S. Renslow und Hyun-Seob Song, Pacific Northwest National Laboratory.