Risultati. La resilienza è un concetto importante in questi giorni, in tutto, dalle comunità umane che ripristinano l’ordine dopo i disastri naturali alle comunità microbiche che si riprendono da una fuoriuscita di sostanze chimiche. Tuttavia, non c’è accordo su come la resilienza dovrebbe essere definita e misurata. Un ente scientifico ha identificato 47 definizioni di resilienza utilizzate in diverse aree, tra cui l’ingegneria, l’ecologia, la sociologia, l’economia e la psicologia. Eppure, capire la resilienza nelle comunità microbiche è una componente critica per ingegnerizzarle per le biotecnologie o per prevedere come risponderanno a un ambiente che cambia. Queste comunità devono essere in grado di recuperare rapidamente da un cambiamento ambientale in modo che la loro funzione sia stabile nel tempo.
Ora un gruppo di biologi computazionali e microbiologi del Pacific Northwest National Laboratory ha proposto un modo per definire la resilienza nelle comunità microbiche che unisce ecologi e ingegneri. I loro sforzi sono stati recentemente presentati in Frontiers in Microbiology.
“Crediamo che la resilienza nelle comunità microbiche sia meglio definita come il tasso di recupero di una data funzione di interesse per il ricercatore”, ha detto il dottor Stephen Lindemann, il microbiologo del PNNL che ha guidato il team. “Concentrandosi sulle caratteristiche fondamentali del sistema in risposta a un cambiamento specifico nell’ambiente, non solo ci permette di confrontare la resilienza di una funzione tra le comunità, ma fornisce anche una comprensione più profonda delle proprietà della comunità. Usando questa definizione, proponiamo che la resilienza venga dall’interno di una comunità microbica, indipendentemente dall’ambiente in cui vive.”
Perché è importante. Possono essere minuscoli, ma i microrganismi superano collettivamente la massa di tutte le altre piante e animali del pianeta. Controllano i cicli del carbonio e dell’energia sul pianeta, e gli scienziati stanno cominciando ad apprezzare il loro ruolo nel modellare la salute e la fisiologia umana. Queste piccole meraviglie sono anche studiate come un potenziale mezzo per catturare energia rinnovabile. Comprendere i processi che regolano il modo in cui le comunità microbiche rispondono ai cambiamenti nel loro ambiente è fondamentale per gli ecologi preoccupati di prevedere gli effetti sugli ecosistemi dai cambiamenti climatici o dalle eruzioni vulcaniche e per gli ingegneri che progettano comunità per processi biotecnologici stabili.
“Per progettare il miglior sistema, dobbiamo sviluppare metodi razionali per quantificare la resilienza delle comunità microbiche ed essere in grado di prevedere i punti di ribaltamento che si avvicinano”, ha detto Lindemann.
Metodi. Cercando un concetto integrato di resilienza applicabile a tutte le comunità microbiche, gli scienziati hanno confrontato i precedenti studi sulla resilienza da un punto di vista ingegneristico ed ecologico. Coerentemente, hanno trovato che i cambiamenti nell’ambiente dei microbi potrebbero portare a cambiamenti nella composizione o nella dimensione della comunità, ma hanno mantenuto le funzioni critiche. Capire come queste funzioni risponderanno ai cambiamenti nell’ambiente è di centrale importanza sia per gli ecologi che per gli ingegneri.
Che cosa c’è dopo? Gli scienziati del PNNL intendono identificare i meccanismi fondamentali responsabili della resilienza delle comunità microbiche sia semplici che altamente complesse. La comprensione di questi meccanismi farà progredire significativamente la capacità di progettare, prevedere il comportamento e controllare le comunità microbiche, sia negli ecosistemi naturali che nei sistemi bioingegnerizzati.
Riconoscimenti
Sponsor: L’Ufficio del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per la ricerca scientifica, biologica e ambientale, ha sostenuto questo lavoro attraverso il programma di scienza genomica.
Area di ricerca: Scienza dei sistemi biologici
Struttura utente: EMSL
Squadra di ricerca: Jim K. Fredrickson, Stephen R. Lindemann, Ryan S. Renslow e Hyun-Seob Song, Pacific Northwest National Laboratory.