Resultaten. Veerkracht is tegenwoordig een belangrijk begrip, bij alles van menselijke gemeenschappen die de orde herstellen na natuurrampen tot microbiële gemeenschappen die herstellen van een chemische lozing. Er is echter geen overeenstemming over hoe veerkracht moet worden gedefinieerd en gemeten. Eén wetenschappelijke instantie heeft 47 definities van veerkracht geïdentificeerd die op diverse gebieden worden gebruikt, waaronder engineering, ecologie, sociologie, economie en psychologie. Toch is inzicht in de veerkracht van microbiële gemeenschappen een kritische component om deze gemeenschappen te ontwikkelen voor biotechnologieën of om te voorspellen hoe ze zullen reageren op een veranderende omgeving. Deze gemeenschappen moeten in staat zijn om snel te herstellen van een verandering in het milieu, zodat hun functie stabiel is in de tijd.
Nu heeft een groep computationele biologen en microbiologen van het Pacific Northwest National Laboratory een manier voorgesteld om veerkracht in microbiële gemeenschappen te definiëren die ecologen en ingenieurs verenigt. Hun inspanningen werden onlangs gepubliceerd in Frontiers in Microbiology.
“Wij geloven dat veerkracht in microbiële gemeenschappen het best kan worden gedefinieerd als de snelheid van herstel van een bepaalde functie die van belang is voor de onderzoeker,” zei Dr. Stephen Lindemann, de PNNL-microbioloog die het team leidde. “Door ons te richten op de fundamentele eigenschappen van het systeem in reactie op een specifieke verandering in de omgeving, kunnen we niet alleen de veerkracht van een functie tussen gemeenschappen vergelijken, maar krijgen we ook een dieper inzicht in de eigenschappen van de gemeenschap. Met behulp van deze definitie stellen wij voor dat veerkracht van binnenuit een microbiële gemeenschap komt – ongeacht de omgeving waarin deze leeft.”
Waarom het belangrijk is. Ze mogen dan piepklein zijn, maar micro-organismen overschrijden gezamenlijk de massa van alle andere planten en dieren op de planeet. Ze beheersen de koolstof- en energiecycli op de planeet, en wetenschappers beginnen hun rol in het vormgeven van de menselijke gezondheid en fysiologie te waarderen. Deze kleine wonderen worden ook bestudeerd als een potentieel middel om hernieuwbare energie op te vangen. Inzicht in de processen die bepalen hoe microbiële gemeenschappen reageren op veranderingen in hun omgeving is van cruciaal belang voor ecologen die zich bezighouden met het voorspellen van de effecten op ecosystemen van klimaatverandering of vulkaanuitbarstingen en voor ingenieurs die gemeenschappen ontwerpen voor stabiele biotechnologische processen.
“Om het beste systeem te ontwerpen, moeten we rationele methoden ontwikkelen om de veerkracht van microbiële gemeenschappen te kwantificeren en in staat zijn om naderende omslagpunten te voorspellen,” zei Lindemann.
Methodieken. Op zoek naar een geïntegreerd concept van veerkracht dat toepasbaar is op alle microbiële gemeenschappen, vergeleken de wetenschappers eerdere studies naar veerkracht vanuit een technisch en ecologisch standpunt. Zij stelden consistent vast dat veranderingen in de omgeving van de microben kunnen leiden tot veranderingen in de samenstelling of grootte van de gemeenschap, maar dat kritische functies behouden blijven. Begrijpen hoe deze functies zullen reageren op veranderingen in het milieu is van centraal belang voor zowel ecologen als ingenieurs.
What’s Next? PNNL-wetenschappers zijn van plan om fundamentele mechanismen te identificeren die verantwoordelijk zijn voor de veerkracht van zowel eenvoudige als zeer complexe microbiële gemeenschappen. Inzicht in deze mechanismen zal het vermogen om microbiële gemeenschappen te ontwerpen, het gedrag ervan te voorspellen en ze te controleren, zowel in natuurlijke ecosystemen als in biotechnologische systemen, aanzienlijk verbeteren.
Acknowledgments
Sponsors: Het U.S. Department of Energy’s Office of Science, Biological and Environmental Research, ondersteunde dit werk via het Genomic Science Program.
Onderzoeksgebied: Biological Systems Science
Gebruiksfaciliteit: EMSL
Onderzoeksteam: Jim K. Fredrickson, Stephen R. Lindemann, Ryan S. Renslow, en Hyun-Seob Song, Pacific Northwest National Laboratory.