Results. Odporność jest obecnie ważnym pojęciem, dotyczącym wszystkiego – od społeczności ludzkich przywracających porządek po klęskach żywiołowych po społeczności mikrobów odzyskujących siły po wycieku substancji chemicznych. Nie ma jednak zgody co do tego, jak odporność powinna być definiowana i mierzona. Jedna z instytucji naukowych zidentyfikowała 47 definicji odporności stosowanych w różnych dziedzinach, w tym w inżynierii, ekologii, socjologii, ekonomii i psychologii. Jednak zrozumienie odporności społeczności mikrobów jest kluczowym elementem ich inżynierii dla biotechnologii lub przewidywania, jak zareagują na zmieniające się środowisko. Społeczności te muszą być zdolne do szybkiej regeneracji po zmianie środowiska, aby ich funkcja była stabilna w czasie.
Teraz grupa biologów obliczeniowych i mikrobiologów z Pacific Northwest National Laboratory zaproponowała sposób definiowania odporności w społecznościach mikrobów, który łączy ekologów i inżynierów. Ich wysiłki zostały niedawno przedstawione w Frontiers in Microbiology.
„Uważamy, że odporność w społecznościach mikrobiologicznych jest najlepiej zdefiniowana jako tempo odzyskiwania danej funkcji interesującej badacza”, powiedział dr Stephen Lindemann, mikrobiolog z PNNL, który kierował zespołem. „Skupienie się na podstawowych cechach systemu w odpowiedzi na konkretną zmianę w środowisku nie tylko pozwala nam porównywać odporność danej funkcji pomiędzy społecznościami, ale również zapewnia głębsze zrozumienie właściwości społeczności. Używając tej definicji, proponujemy, aby odporność pochodziła z wnętrza społeczności mikroorganizmów – niezależnie od środowiska, w którym żyją.”
Dlaczego to ma znaczenie. Mogą być maleńkie, ale mikroorganizmy łącznie przewyższają masą wszystkie inne rośliny i zwierzęta na naszej planecie. Kontrolują one cykle węgla i energii na naszej planecie, a naukowcy zaczynają doceniać ich rolę w kształtowaniu ludzkiego zdrowia i fizjologii. Te małe cuda są również badane jako potencjalne sposoby pozyskiwania energii odnawialnej. Zrozumienie procesów, które rządzą tym, jak społeczności mikroorganizmów reagują na zmiany w ich środowisku, jest krytyczne dla ekologów zajmujących się przewidywaniem wpływu zmian klimatycznych lub erupcji wulkanicznych na ekosystemy oraz dla inżynierów projektujących społeczności dla stabilnych procesów biotechnologicznych.
„Aby zaprojektować najlepszy system, musimy opracować racjonalne metody ilościowego określenia odporności społeczności mikrobiologicznej i być w stanie przewidzieć zbliżające się punkty krytyczne”, powiedział Lindemann.
Metody. Poszukując zintegrowanej koncepcji odporności mającej zastosowanie do wszystkich społeczności mikrobiologicznych, naukowcy porównali poprzednie badania nad odpornością z punktu widzenia inżynierii i ekologii. Konsekwentnie stwierdzili, że zmiany w środowisku mikrobów mogą powodować zmiany w składzie lub wielkości społeczności, ale utrzymują krytyczne funkcje. Zrozumienie, jak te funkcje będą reagować na zmiany w środowisku, ma kluczowe znaczenie zarówno dla ekologów, jak i inżynierów.
Co dalej? Naukowcy z PNNL planują zidentyfikować podstawowe mechanizmy odpowiedzialne za odporność zarówno prostych, jak i bardzo złożonych społeczności mikrobiologicznych. Zrozumienie tych mechanizmów znacznie zwiększy możliwości projektowania, przewidywania zachowania i kontrolowania społeczności mikrobów, zarówno w naturalnych ekosystemach, jak i systemach bioinżynieryjnych.
Podziękowania
Sponsorzy: Biuro Nauki, Badań Biologicznych i Środowiskowych Departamentu Energii USA wsparło tę pracę za pośrednictwem Genomic Science Program.
Research Area: Biological Systems Science
User Facility: EMSL
Zespół badawczy: Jim K. Fredrickson, Stephen R. Lindemann, Ryan S. Renslow i Hyun-Seob Song, Pacific Northwest National Laboratory.
.