Tulokset. Sietokyky on nykyään tärkeä käsite aina luonnonkatastrofien jälkeen järjestystä palauttavista ihmisyhteisöistä kemikaalivuodosta toipuviin mikrobiyhteisöihin. Ei ole kuitenkaan päästy yksimielisyyteen siitä, miten sietokyky tulisi määritellä ja mitata. Eräs tiedeyhteisö määritteli 47 resilienssin määritelmää, joita käytetään eri aloilla, kuten tekniikassa, ekologiassa, sosiologiassa, taloustieteessä ja psykologiassa. Mikrobiyhteisöjen sietokyvyn ymmärtäminen on kuitenkin ratkaisevan tärkeää, kun niitä kehitetään bioteknologiaa varten tai ennustetaan, miten ne reagoivat muuttuvaan ympäristöön. Näiden yhteisöjen on kyettävä toipumaan nopeasti ympäristön muutoksesta, jotta niiden toiminta pysyy vakaana ajan mittaan.
Nyt Pacific Northwest National Laboratoryn laskentabiologeista ja mikrobiologeista koostuva ryhmä on ehdottanut ekologit ja insinöörit yhdistävää tapaa määritellä mikrobiyhteisöjen sietokyky. Heidän ponnistelunsa esiteltiin hiljattain Frontiers in Microbiology -lehdessä.
”Uskomme, että mikrobiyhteisöjen resilienssi määritellään parhaiten tutkijan kannalta kiinnostavan toiminnon palautumisnopeutena”, sanoi ryhmää johtanut PNNL:n mikrobiologi Stephen Lindemann. ”Kun keskitytään järjestelmän perusominaisuuksiin vasteena tietylle ympäristömuutokselle, voidaan verrata toimintojen palautumiskykyä eri yhteisöjen välillä ja saada syvällisempi käsitys yhteisön ominaisuuksista”. Käyttämällä tätä määritelmää ehdotamme, että resilienssi tulee mikrobiyhteisön sisältä – riippumatta siitä, missä ympäristössä se elää.”
Miksi sillä on väliä. Ne voivat olla pieniä, mutta mikro-organismit ylittävät kollektiivisesti kaikkien muiden planeetan kasvien ja eläinten massan. Ne hallitsevat planeetan hiilen ja energian kiertokulkua, ja tutkijat alkavat arvostaa niiden roolia ihmisen terveyden ja fysiologian muokkaajana. Näitä pieniä ihmeitä tutkitaan myös mahdollisena keinona kerätä uusiutuvaa energiaa. Niiden prosessien ymmärtäminen, jotka säätelevät sitä, miten mikrobiyhteisöt reagoivat ympäristönsä muutoksiin, on ratkaisevan tärkeää ekologeille, jotka pyrkivät ennustamaan ilmastonmuutoksen tai tulivuorenpurkausten vaikutuksia ekosysteemeihin, ja insinööreille, jotka suunnittelevat yhteisöjä vakaita bioteknologisia prosesseja varten.
”Jotta voimme suunnitella parhaan järjestelmän, meidän on kehitettävä rationaalisia menetelmiä, joilla voimme kvantifioida mikrobiyhteisöjen kimmoisuutta ja pystyä ennustamaan lähestyviä käännekohtia”, Lindemann sanoi.
Menetelmät. Etsimällä integroitua, kaikkiin mikrobiyhteisöihin sovellettavaa resilienssin käsitettä tutkijat vertasivat aiempia resilienssitutkimuksia teknisestä ja ekologisesta näkökulmasta. Johdonmukaisesti he havaitsivat, että muutokset mikrobien ympäristössä saattoivat johtaa muutoksiin yhteisön koostumuksessa tai koossa, mutta säilyttivät kriittiset toiminnot. Sen ymmärtäminen, miten nämä toiminnot reagoivat ympäristön muutoksiin, on keskeisen tärkeää sekä ekologeille että insinööreille.
Mitä seuraavaksi? PNNL:n tutkijat aikovat tunnistaa perusmekanismeja, jotka ovat vastuussa sekä yksinkertaisten että erittäin monimutkaisten mikrobiyhteisöjen joustavuudesta. Näiden mekanismien ymmärtäminen edistää merkittävästi kykyä suunnitella, ennustaa mikrobiyhteisöjen käyttäytymistä ja hallita niitä joko luonnollisissa ekosysteemeissä tai bioteknisissä järjestelmissä.
Kiitokset
Sponsorit: U.S. Department of Energy’s Office of Science, Biological and Environmental Research, tuki tätä työtä Genomic Science Programin kautta.
Tutkimusalue: Biological Systems Science
User Facility: EMSL
Tutkimusryhmä: Jim K. Fredrickson, Stephen R. Lindemann, Ryan S. Renslow ja Hyun-Seob Song, Pacific Northwest National Laboratory
.