Resultat. Motståndskraft är ett viktigt begrepp nuförtiden, i allt från mänskliga samhällen som återställer ordningen efter naturkatastrofer till mikrobiella samhällen som återhämtar sig efter ett kemikalieutsläpp. Det finns dock ingen överenskommelse om hur resiliens ska definieras och mätas. Ett vetenskapligt organ har identifierat 47 definitioner av återhämtningsförmåga som används inom olika områden, bland annat teknik, ekologi, sociologi, ekonomi och psykologi. Att förstå återhämtningsförmågan hos mikrobiella samhällen är dock en kritisk komponent för att konstruera dem för bioteknik eller för att förutsäga hur de kommer att reagera på en föränderlig miljö. Dessa samhällen måste kunna återhämta sig snabbt från en miljöförändring så att deras funktion är stabil över tiden.
Nu har en grupp av beräkningsbiologer och mikrobiologer från Pacific Northwest National Laboratory föreslagit ett sätt att definiera motståndskraft i mikrobiella samhällen som förenar ekologer och ingenjörer. Deras arbete presenterades nyligen i Frontiers in Microbiology.
”Vi anser att motståndskraft i mikrobiella samhällen bäst definieras som graden av återhämtning av en viss funktion av intresse för forskaren”, säger Dr. Stephen Lindemann, PNNL-mikrobiolog som ledde gruppen. ”Genom att fokusera på systemets grundläggande egenskaper som svar på en specifik förändring i miljön kan vi inte bara jämföra återhämtningsförmågan för en funktion mellan olika samhällen, utan också få en djupare förståelse för samhällets egenskaper. Med hjälp av den här definitionen föreslår vi att motståndskraften kommer inifrån ett mikrobiellt samhälle – oavsett vilken miljö det lever i.”
Varför det är viktigt. De må vara små, men mikroorganismer överstiger tillsammans massan av alla andra växter och djur på planeten. De kontrollerar kol- och energicyklerna på planeten, och vetenskapsmännen börjar uppskatta deras roll när det gäller att forma människans hälsa och fysiologi. Dessa små underverk studeras också som ett potentiellt sätt att fånga upp förnybar energi. Att förstå de processer som styr hur mikrobiella samhällen reagerar på förändringar i sin miljö är avgörande för ekologer som vill förutse effekterna på ekosystemen av klimatförändringar eller vulkanutbrott och för ingenjörer som utformar samhällen för stabila biotekniska processer.
”För att kunna utforma det bästa systemet måste vi utveckla rationella metoder för att kvantifiera mikrobiella samhällens återhämtningsförmåga och kunna förutsäga om vi närmar oss tipping points”, säger Lindemann.
Metoder. I sökandet efter ett integrerat koncept för motståndskraft som kan tillämpas på alla mikrobiella samhällen jämförde forskarna tidigare studier av motståndskraft från en teknisk och ekologisk synvinkel. Genomgående fann de att förändringar i mikrobernas miljö kan leda till förändringar i samhällets sammansättning eller storlek men att kritiska funktioner bibehålls. Att förstå hur dessa funktioner kommer att reagera på förändringar i miljön är av central betydelse för både ekologer och ingenjörer.
Vad händer härnäst? PNNL:s forskare planerar att identifiera grundläggande mekanismer som är ansvariga för motståndskraften hos både enkla och mycket komplexa mikrobiella samhällen. Förståelsen av dessa mekanismer kommer att avsevärt öka förmågan att utforma, förutsäga beteendet hos och kontrollera mikrobiella samhällen, oavsett om det är i naturliga ekosystem eller biotekniska system.
Acknowledgments
Sponsorer: Det amerikanska energidepartementets Office of Science, Biological and Environmental Research, stödde detta arbete via Genomic Science Program.
Forskningsområde: Biological Systems Science
Användaranläggning: EMSL
Forskningsgrupp: EMSL: Jim K. Fredrickson, Stephen R. Lindemann, Ryan S. Renslow och Hyun-Seob Song, Pacific Northwest National Laboratory.