Maa Väikseimate Ökosüsteemide Õppimine (Kavli Hangout)

{h1}

Viimastel aastakümnetel on mikroobid kujunenud kui meie planeedi suures osas uurimatud ökosüsteemid - ja meie kehad - ja nüüd uurivad teadlased, kuidas nende organismide kogukonnad toimivad sarnaselt maa metsadele ja ookeanidele.

Alan Brown, Kavli Fondi kirjanik ja blogger, andsid selle artikli WordsSideKick.com'ile Eksperdihääled: Op-Ed & Insights.

Meie keha sees ja ookeani põhja all, mikrobioomid - bakterite ja teiste üheelemendiliste organismide kogukonnad - kasvavad kõikjal looduses. Tekkis vähemalt 3,8 miljardit aastat tagasi, nad moodustasid meie planeedi ja loonud oma hapnikurikka atmosfääri. Ilma nendeta ei saa elu Maal eksisteerida.

Kuid me teame üllatavalt vähe looduse väikseimate ja keerukamate ökosüsteemide sisemistest tegevustest.

Mikrobiome on meile palju õpetanud. Õppides, kuidas mikrobioome liikmed omavahel suhelda, võivad teadlased avastada uuenduslikke rohelisi keemia ja päästevahendeid või õppida haiglainfektsioonide vähendamiseks, autoimmuunhaiguste vastu võitlemiseks ja taimede kasvatamiseks ilma väetiste või pestitsiidita.

Mikrobiomeeride ulatuslik keerukus muudab nende kasutamise raskeks tavapäraste biokeemiliste vahenditega. Nanoteadus pakub erinevaid ja täiendavaid vahendeid, mis lubavad avada akna sellesse peidetud maailma. [Mikrooboomade nanotehniline vaade]

Selle kuu alguses korraldas Kavli Fond mikrooboomide õppimiseks nanoteaduste väljakujunenud rakendustes Google'i Hangouti, millel oli kaks juhti. Nad arutasid looduslike biomide potentsiaali, miks neid on nii raske mõista ja kuidas nanoteadused aitavad meil mikrobiomia saladusi avada.

Vestlusse astumine oli järgmine:

Eoin Brodie Lawrence Berkeley riikliku laboratooriumi ökoloogia osakonna teadur. Ta oli osa meeskonnast, kes tegi alguse seadmele, mis on võimeline tuvastama tuhandeid mikrobioomides leiduvaid bakteriliike, ja arendab praegu võimalusi erinevate andmete mõõtmise vahendite andmete kombineerimiseks nende ökosüsteemide ühtsemaks pildiks.

Jack Gilbert on Argonne'i riikliku labori biotehnoloogia osakonna peaspetsialist ja Chicago Ülikooli ökoloogia ja evolutsiooni dotsent. Ta on uurinud haiglate mikrobiome ja töötab viisidel, kuidas kasutada baktereid sisaldavaid nanostruktuure, et aidata imikutel immuunhaigusi võidelda.

Alan Brown on Kavli Sihtasutuse kirjanik ja blogger ja ta on kaetud nanoteaduste alal enam kui 25 aastat.

Alan Brown on Kavli Sihtasutuse kirjanik ja blogger ja ta on kaetud nanoteaduste alal enam kui 25 aastat.

Krediit: Alan S. Brown

Allpool on nende arutelu muudetud versioon. Osalejad on teinud muudatusi ja muudatusi, et selgitada reaalajas veebikanalites salvestatud sõnavõtuid. Vaatamata vaatluste vaatamiseks ja kuulamiseks saate vaadata algupärast videot.

Kavli Fond: Alustame nüüd ilmse küsimusega, mis täpselt on mikrobiome?

Eoin Brodie: Mikrobiome on organismide seos ökosüsteemis. Te võite mõelda mikroobide ökosüsteemile nii, nagu te arvate maismaa ökosüsteemist, nagu troopiline mets, rohumaa või midagi sellist. See on seos organismidest, mis töötavad koos, et säilitada süsteemi funktsioon.

Jack Gilbert: Jah. Mikrobiomina kogunevad bakterid, arhea (ühekaelalised organismid, mis on sarnased bakteritele), viirused, seened ja muud ühetuumalised organismid, nagu kogukond, nagu linna elanikkond. Need erinevad organismid ja liigid mängivad erinevaid rolle. Üheskoos loovad nad esilekerkiva vara, mida kogu kogukond teeb koos, et hõlbustada reaktsiooni või reageerimist keskkonnas.

TKF: kui keeruline on see mikrobiome? Kas nad on troopilised metsad? Kas need on keerukamad, vähem keerukad?

J.G.: Eukarüootset elu mitmekesisus - kõik elavad loomad ja taimed, mida näete, muutuvad mikroobse elu mitmekesisuse kõrval tähtsusetuks. Need bakterid, need arheed, need viirused - nad on olnud maa peal 3,8 miljardit aastat. Nad on nii levinud, nad on koloniseerinud iga niši planeedil.

Nad kujundasid seda planeeti. Põhjus, miks me hapnikku atmosfääris, on mikroobide tõttu. Enne kui nad hakkasid fotosünteesima valgust biomassi, oli atmosfäär peamiselt süsinikdioksiid. Põhjus, miks taimed ja loomad asuvad Maal, on bakterite tõttu. Kõikide taimede ja loomade mitmekesisus - kõik, mis täna on elus, mida näete oma silmadega, on see langus bakteriaalses ja mikroobisiseses maailmas sisalduva vanurite mitmekesisuse ookeani. [Kas mikroobid seedes mõjutavad aju?]

E.B.: Me kipume mõtlema, et Maa on inimese planeet ja et me oleme peamine organism või alfa-liik. Kuid me oleme tõesti reisijaid, me oleme vaid mikroobide planeedil löönud. Oleme hiljuti hiljuti lisatud.

TKF: Mõlemad on nii poeetilised. Kuid me teame mikrobiome nii vähe. Miks on sellistes ökosüsteemides nii raske mõista, mida?

E.B.: Jack lohkus sellega. Esimene probleem on see, et mikrobiome on väga väike. Me ei näe neid ja väga raske mõista, kuidas asjad toimivad, kui te neid ei näe. Seega on vaja neid vahendeid näha.

Jack Gilbert on Argonne'i riikliku labori biotehnoloogia osakonna juhataja ja Chicago ülikooli ökoloogia ja evolutsiooni dotsent. Ta on uurinud haiglate mikrobiome ja töötab viisidel, kuidas kasutada baktereid sisaldavaid nanostruktuure, et aidata imikutel immuunhaigusi võidelda.

Jack Gilbert on Argonne'i riikliku labori biotehnoloogia osakonna juhataja ja Chicago ülikooli ökoloogia ja evolutsiooni dotsent.Ta on uurinud haiglate mikrobiome ja töötab viisidel, kuidas kasutada baktereid sisaldavaid nanostruktuure, et aidata imikutel immuunhaigusi võidelda.

Krediit: Argonne'i riiklik labor

Samuti ei saa me neid kasvatada. Uuringute jaoks on see väga raske tuua looduslikust ökosüsteemist laborisse. Tõenäoliselt vähem kui üks protsent, olenevalt ökosüsteemist, saab tegelikult kasvatada kasvusöötmes laboris, et saaksime teha katseid ja mõista, mida need funktsioonid täidavad. See jätab 99 protsenti - enamus Maa mikroobidest ja enamus nende ökosüsteemidest - meie jaoks tundmatud, välja arvatud nende DNA-allkirjad ja muud sarnased asjad.

Nüüd Jack on püüdnud DNA-analüüse. Kui vaatate nende keskkondade DNA-allkirju, on kõik need uued organismid, uued valgud ja uued funktsioonid, mida me pole kunagi varem näinud. Seda nimetati Maa mikroobideks tumedaks aineks. Just nagu pimedas mass ja energia universumis on see meile teada olnud, kuid see on äärmiselt oluline, kui planeedi - ja inimeste - jätkata toimimist.

TKF: Niisiis, mis muudab Petri tassis nende mikroobide kasvatamise nii raskeks?

E.B.: Nad on väga uhke. Sa võid seda mõelda. Neile ei meeldi paljudel juhtudel süüa toitu, mida me neile anname. Nad söövad asju, mida me ei tea, et nad saavad süüa. Nad hingavad asju, mida me ei tea, et nad võivad hingata.

Me hingame hapnikku, nad hingavad hapnikku, kuid nad hingavad ka nitraate, rauda, ​​väävlit, isegi süsinikdioksiidi. Sobivate kontsentratsioonide ja kombinatsioonide saamine, mida nad söövad ja hingavad, on väga raske.

Mõnel juhul, isegi kui saate seda välja töötada, võib olla midagi, mida nad peavad teisest ökosüsteemi liikmest saama. See liige võib pakkuda kasvatamiseks olulist toitaine või kofaktorit.

Nii et saada kõik need võimalikud permutatsioonid ja kombinatsioonid õige on väga keeruline. Sellega tegelevad paljud inimesed, ja selles on palju teadmisi, kuid see on äärmiselt raske ja keeruline.

J.G.:& See on huvitav asi. Ma arvan, et see on pagar. Teate, kui teil on pagarit inimühiskonnas, on pagar vaja keegi, kes saab jahu teha, keegi, kes suudab pakkuda natuke pärmist, ja keegi, kes leiba ostab. Need on ühenduses elavate inimeste võrgustik.

Kui võtate pagarist kogukonnast välja, ei saa ta leiba teha ja seetõttu ei ole nad enam pagarit. Mikroobi eemaldamine oma kogukonnast vähendab tõenäosust, et ta suudab täita rollid ja ülesanded, mida ta selles keskkonnas teeb.

Nii et see on peaaegu nagu sa ei taha neid asju isoleerida. Kuna nende isoleerimine muudab meie töö mikrobioloogina lihtsamaks, on ka palju raskem mõista, mida nad tegelikult elukeskkonnas teevad. Me ei saa seda välja mõista eraldi, sest nad on ühenduse mängijad.

TKF: Millised on mõned vahendid, mida täna kasutada mikrobioomide uurimiseks? Kas on tehnika nüüdisaegne?

J.G.: Nii et ma võtan selle. Ma mõtlen, et see on väga dünaamiline arenev valdkond. See ei ole väli, kus kõik tunduvad oma laurel puhata.

Mikroobide mõistmiseks on meil mõni meie käsutuses olev tööriist. Üks neist tööriistadest on genoomika, seega võime järjestada bakterite, arheede, viiruste ja seente genoomi, nagu oleme teinud inimese genoomi jaoks.

Teine on transkriptomeeter, mis vaatleb RNA-d, mööduvat molekuli, mis loob rakuliini, muutes genoomi valgudesse. See on kasulik, sest see ütleb meile, millised geenid lülitatakse sisse ja välja, kui paneme need mikroobid erinevatel tingimustel.

Eoin Brodie on Lawrence Berkeley riikliku labori ökoloogia osakonna teadur. Ta tegi alguse seadmele, mis on võimeline tuvastama tuhandeid bakteriliike, mis leiti mikrobiomides, ning arendab võimalusi mitmekesiste andmete kombineerimiseks nende ökosüsteemide ühtsemaks pildiks.

Eoin Brodie on Lawrence Berkeley riikliku labori ökoloogia osakonna teadur. Ta tegi alguse seadmele, mis on võimeline tuvastama tuhandeid bakteriliike, mis leiti mikrobiomides, ning arendab võimalusi mitmekesiste andmete kombineerimiseks nende ökosüsteemide ühtsemaks pildiks.

Krediit: Lawrence Berkeley National Laboratory

Siis on meil proteoom, proteiinid, mis tegelikult rakku moodustavad. Need on ensüümid, mis võimaldavad organismil oma keskkonnaga suhelda, toitu tarbida, süsinikdioksiidi, hapnikku või rauda hingata jne.

Siis on teil metaboliid, metaboolsed molekulid elusorganismid tarbivad toitu ja toodavad jäätmeid.

Genoom, transkriptomeeter, proteoom ja metaboliid on meie tööriistakomplekti nelja tööriista, mida saaksime tegelikult mikrobioloogilise maailma uurimiseks kasutada. Kuid need ei ole mingil juhul meie tööriistade ega eesmärkide piirid. Meil on ambitsioonid kaugemale nende komponentide uurimisest. Eoin arendab mõnda neist, ja eoin, kas soovite nüüd hüpata?

E.B.: Jah, ma lisan selle. Mikrobiome ja isegi üksikute mikroobide mõistmine on see, et nad on nii väikesed. Nad on keerukad ja väikesed, nii et nende tegevuste mõistmine - nende transkriptoomid, valgud või metaboliidid - on nende väljakutset ulatuslikumalt väljakutseks.

Kõik tehnoloogiaid, mida Jack mainis, areneb silmas ka suuremate organismidega. Vähendada neid mikroobide suurusega tegelemiseks, kuid seejärel suurendada nende läbilaskevõimet, et tulla toime mikroobide keerukusega, on suur tohutu väljakutse.

Ma annan sulle näite. Kui vaatate ökosüsteemi tegevust, öelge troopilises metsas, vaadake puude ja loomade levikut ning otsige seost taimestiku ja loomade vahel.

Nii et kui soovite putukaid mõista, on teil ruumi silmas pidades. Sa arvad: "See elab selle lähedal.See suhtleb selles valdkonnas. "Nii et on olemas suhtlemine, põhiosa nende ökosüsteemi liikmete vahel.

See, kuidas me tavaliselt mikrobiomeid vaatlesime - kuigi see nüüd muutub - oli segada kogu mets. Seejärel jälgime kogu DNA-d ja vaatame RNA ja valke ning metaboliite.

Siis püüame tagasi minna ja öelda: "See puu suhtleb selle putukaga." Kuivõrd see puu on sellest putukast sajad või tuhanded kilomeetrid eemal ja nad ei näe üksteist kunagi.

See on probleem mikrobiomis. Kui me neid mikroorganisme raputame, et uurida nende DNA-d, RNA-d, valke ja metaboliite, vabaneme sellest ruumistruktuurist ja selle ühendustest. Kaotame kosmose tähtsuse vastastikuse mõju hõlbustamiseks. [Mikrobiome nanotehniline vaade (Kavli ümarlaud)]

Seega tõesti arvan, et järgmisel laine mikrobiomide uurimisel peab selle mikroobide aktiivsuse ja mikroobide mastaabis vastasmõju suunama. Kas nad näevad üksteist? Kas nad suhelda ja kuidas nad suhelda? Milliseid kemikaale nad vahetavad ja millistel tingimustel? Ma arvan, et see on tõeline väljakutse. Sellepärast räägime Kavli Sihtasutusega, sest see on koht, kus nanosoome saabub.

TKF: See on suurepärane üleminek minu järgmisele küsimusele: Kuidas kasutada nanoteadust mikrobioomide õppimiseks? Näiteks võiksime kasutada mõnda samu nanoskaala sonde, mida me aina uurime, et näiteks uurida ookeani või pinnase mikrobiome?

E.B.: Ma arvan, et on huvitavaid paralleele. Ma mõtlen, võite mõelda aju kui see äärmiselt keeruline neuronite võrgustik. BRAINi algatus püüab neid neurone kaardistada ja jälgida nende tegevust.

Sarnaselt on mikrobiome ka interakteeruvate organismide võrgustik, mis lülitab sisse ja välja. Selle võrgu ühendused ja struktuur on süsteemi toimimiseks äärmiselt olulised, nagu ka aju toimimine.

BRAINi algatuse jaoks said inimesed kokku ja ütlesid: "Noh, mida me peame tegema, et vaadata elektrilist laengut ja elektrilist voolu läbi neuronite, mitteinvasiivselt ja reaalajas?" Ja nad tulid välja mõne tehnoloogiaga, mis võib potentsiaalselt teha kaugseiret väga väikeses ulatuses ja jälgida, kuidas süsteem muutub mitteinvasiivselt.

Seega on üks aju mõistmise viis välise pildistamise kasutamine ja teine ​​lähenemisviis on andurid sisestada.

BRAINi algatuses arendatakse siin mõnda andureid Berkeley laboris ja mujal, kes kasutavad raadiosagedustuvastust (RFID) - raadiosageduste identiteeti - tehnoloogiat. Need on sarnased märgistustega, mida kasutatakse kaubakonteinerite, kaupade kaubamajades jms jälgimiseks. Nad mõlemad edastavad teavet ja koguvad raadiosagedustel energiat, nii et nad on iseseisvad seadmed. Ma arvan, et nüüd on väljakutse selle tehnoloogia sidumiseks anduritega, mis suudavad keskkonnas midagi jälgida ja saadavad seda teavet iseseisvalt - ilma patareideta - vastuvõtjatele. Seejärel, kui need sensorid levitatakse intelligentsel viisil, nagu GPS-i puhul, saate trianguleerida, kust see teave pärineb.

Kuidas saaksite seda mikrobiome mõistmiseks kasutada? Noh, arendatavad andurid on endiselt suhteliselt suured, umbes ühe ruutmilomeetri suurused. See on meile üsna väike, kuid mikrobi jaoks väga suur.

Nii võite seda mulda mõelda. Oletame, et tahame mõista, mis juhtub siis, kui juur kasvab läbi mulda. Root stimuleerib mikroobe ja kümnekordne rohkem mikroobid on juure läheduses, kui see on mullast juurest eemal. Neil kõigil on erinevad keemilised omadused ja erinevad funktsioonid, mis on taimede toitumise ja tervise jaoks väga olulised.

Kui võiksite jaotada väga väikesed andurid mullasse ja mõista selliseid asju nagu mikroobide tarbitud juurte või hapniku süsinik, siis saate luua kolmemõõtmelise pildi, kuidas mulla mikrobiome muutub ja muutub, kui juur liigub pinnasesse. See on üks näide sellest, kuidas nanotehnoloogial põhinevad arengud muudes valdkondades võiksid rakendada mikrobiome.

TKF: Need RFID-sensorid põhinevad pooljuhtkiipidel, eks? Nii et võite vahvlit võtta, teha palju odavamalt, levitada neid mullas ja saada pilti, mida te ei saaks muul viisil saada?

E.B.: Jah. Seal on arenev valdkond, mida nimetatakse ennustavaks põllumajanduseks. See on nagu personaliseeritud põllumajandus, kus väetiste lisamine, näiteks põllul, ei oleks ühtne. Selle asemel saadaksite väetise, kus seda vajate. Sa saaksid niisutada välja täpselt seal, kus seda vaja on. Nii et teil on see ulatuslik hajutatud autonoomsete andurite võrgustik, mis võimaldab meil kasutada väetist tõhusamalt. Seejärel ei tohiks see süsteemist leostuda ega kaotada ning põhjustada veereostust ja muid asju. Need näited ei ole mikroobide skaalal, kuid mikrobioloogilised protsessid kontrollivad nende väetiste kättesaadavust ja kasutamist.

TKF: Aitäh. Hoidke seda mõtet ja võtame selle mõne hetke pärast tagasi. Vahepeal Jack on uurinud mikrobiome uusi haiglas, et näha, kuidas nad arenevad ja mõjutavad haiguse levikut. Kas võiksite meile öelda, mida teete ja kuidas nanotehnoloogia võiks aidata?

J.G.: Jah. Haiglas esinevad mikroobid on arstiteadlaste ja meditsiinitöötajate keskendunud paariks sajaks aastaks. Pärast seda, kui me avastasime, et need bakterid võivad tõepoolest haigust põhjustada, oleme püüdnud nii palju mikroobset elu elimineerida kui võimalik.

See paradigma liigub sellesse, kus me oleme rohkem huvitatud sellest, et püüda mõista, kuidas haigla bakteriaalsed kogukonnad võivad soodustada haiguse levikut ja antibiootikumiresistentsust ning võib-olla ka tervist edendada.

Oleme käinud haiglates ja väga väga ajalise resolutsiooniga, uurides, kuidas nende bakteriaalsed kogukonnad aja jooksul muutuvad. Seega vaatame tundide ja päevade skaalat, me üritame mõista, kuidas - kui patsient liigub uude ruumi, et saada operatsioon või läbima protseduuri - selles ruumis juba olevad mikroobid mõjutavad selle tulemust patsiendi viibimine haiglas. Me tahame teada, kas see muudab need kas tervislikumaks või haigeks.

Nii oleme katalooginud mikroobid väga hästi. Ja mida näeme, on bakteritevaheline vahetus ruumis ja patsiendi kehas.

Kuid oleme avastanud ka, et enamik baktereid, mida tavaliselt seostame nn tervishoiuteenustega seotud infektsioonidega - patogeenidega, mida me arvasime, et inimesed saavad haiglaravi ajal, on bakterid, mida patsiendid haiglasse sisse viivad. Nad on bakterid, mis meil on meie sees.

Pea meeles, et meil on sada triljonit bakterit, kes elavad meie sees. Nad kaaluvad umbes kaks kilo, umbes sama palju kui aju. Nii et kui te arvate, et BRAINi algatus on tähtis, võib ka mikrobiomealgatus olla oluline, sest see kaalub sama palju kui aju.

Inimese mikrobiomal on palju mängijaid. Enamik neist on meile sõbralikud, kuid nad võivad ka meie endi sisse lülitada. Ma arvan, et see on linna rünnak. Teate, kui te inimestelt midagi ära võtate, tõusevad nad üldiselt ja üritavad kummutada kõigepealt neid toetavaid asju.

Mikroobid on samamoodi. Anname bakteritele tapmiseks haigla patsiendi antibiootikumid ja kiiritusravi. Siis me lahutasime oma soo ning avasime bakterid hapnikku, mis neile ei meeldi, ja tõmme soolestikku tagasi. Kui vaatame baktereid, siis näeme, et varem olnud sõbralikud bakterid on hakanud mässama. Neid on nii palju kordi solvatud patsiendi raviga, et nad on otsustanud, et neil on piisavalt. Siis nad lähevad ja ründavad võõrustajat, et ta saaks nende ressursside taastamiseks.

See on väga tähtis. Mikroobide perspektiivist lähtuv patsiendi haigla mõistmine aitab meil kujundada paremaid ravimeetodeid patsientide raviks ja vähendada tõenäosust, et need mikroobid meie sees mässavad, ründavad meid ja muudavad meid haigeks.

Nanotehnoloogia aitab meil saavutada visuaalse eraldusvõime täpsemat ulatust, nii et näeme täpselt seda, kui kirurgilise protseduuri ajal satuvad bakterid petturlasse ja hakkavad ründama peremeesorganismi ja molekulaarsed mehhanismid, mis selle käitumise aluseks on.

Meil on suurepärane näide, mida me leidsime, pannes soolest nanoskaala molekulaarsed biosensorid. See mõõdab fosfaatide taset. Fosfaat on väga oluline molekul, mida kasutatakse DNA ja valkude loomiseks meie kehas ja nende bakterite rakkudes.

Kui fosfaadi tase langeb alla kindla künnise, lülitavad mikroobid sisse oma fosfaadi saamiseks keskkonda. Ja kus on parim fosfaadi allikas? See on oma peremehe soolestiku vooder. Nii nad rändavad soolestiku ja hakkavad inimese rakud murda. Kogeme seda mitme patogeense infektsioonina, mis sageli meid tapab.

Kuna me mõistame seda protsessi, arendame me mehhanisme fosfaadi vabastamiseks täpselt õigel ajal operatsiooni ajal, et takistada nende bakterite fosfaatide vähendamist kunagi. Nende mikrofosfaadist vabanemiseks arendame nanotehnilisi karkassi, et hoida fosfaati ja viia need operatsiooni ajal soolestikku. See vähendab tõenäosust, et mikroobid muutuvad patogeensemaks.

TKF: See ei ole mitte ainult huvitav, vaid see viib meie vaatajatest küsida, kas suudame mikrobiome kohandada nii, et nad suudaksid haigusi ja teisi inimlikke tingimusi suunata. Kas nad lähevad lisaks happesuse või fosfaaditaseme reguleerimisele ja teevad midagi agressiivsemat?

J.G.: Jah. Juht, kus meil oli kõige paremad edusammud, on krooniliste infektsioonide raviks Clostridium difficile bakterid. C. diffi infektsioonid on kroonilised seedetrakti infektsioonid. Meie ravimeetodites on kasutatud püssirohtu. Võtame bakterid tervislikust isikust ja siirdame neid kroonilise C. diffi infektsiooni isikuga. See vähendab C. diffi infektsiooni ja loob tervisliku mikrobiomi patsiendi soolestikus, nii et ta ei ole enam haige.

Hiina tegi seda umbes 2000 kuni 3000 aastat tagasi. Nad nimetasid seda kollase suppiks ja nad said toidet tervislikust isikust haigele inimesele ja see tegi haige inimese terveks. Me lihtsalt avastasime selle protsessi uuesti ja rakendame seda nüüd kliinilisemas keskkonnas.

Siiani on see väga sihikindel lähenemine. Autismi, Alzheimeri tõve ja Parkinsoni tõvega seotud uurimisrühmade, American Gutsi ja programmide abil püüame välja selgitada konkreetsed bakteriaalsed kogukonnaliikmed, kes ei ole nendel patsientidel kas puudu või kasvanud. Siis tahame uurida, kuidas neid kohandada - võib-olla implanteerime selle, mis on puudu või koputage tagasi, mis on üle kasvatatud, et muuta see isik tervislikumaks.

E.B.: Tahaksin sellele midagi lisada. Minu arvates on huvitav analoogia, mida me teeme C. diff-fecal transplantside ja restaureerimise ökoloogia jaoks. See on koht, kus teete invasiivsete taimeliikide välja ja asetate teise liigi, et võistlevad selle invasiivsete taimeliikidega.See on täpselt sama protsess, nii et meditsiinil võib kasutada samu ökoloogilisi põhimõtteid ja ökoloogilist teooriat, mida kasutatakse ökoloogia taastamiseks. Mõnel juhul ei pruugi see olla nii lihtne kui ühe organismi eemaldamine või ühe või kahe muu organismi lisamine. See võib olla kogukonna ülesanne, kus me võime tõepoolest seda keerukust vajada, et oleks võimalik haiguse põhjustanud organismi konkureerida.

J.G.: See on tõesti huvitav asi. Mõlemad Eoin ja mina on meie tuumik mikroobide ökoloog. Ma alustasin mere mikrobioloogilisest ökoloogiast ja nüüd töötavad mullas, taimedel, inimestel ja haigustel. Eoin teeb sama. Ja meie mõlemad võivad mikroobide ökoloogilisi põhimõtteid igale keskkonnale rakendada, sest mikroobid on kõikjal.

TKF: Hea Nii, Eoin, meil on teie vaatajaskonnalt kaks küsimust. Esimene hõlmab põllumajandust. Vaataja tahab teada saada, kas nanoteadused aitavad meil muuta mikrobiume nii, nagu muudavad meie taimi kahjurite kasvatamisel, väetamisel ja kaitsmisel?

E.B.: See on suurepärane küsimus ja ma arvan, et see on ka õigeaegne. Maailma elanikkond on seitse miljardit, suunates üheksale ja seejärel 11 miljardile. Me läheme väetist välja, me läheme kosmoses, et toitu kasvatada, ja me ei jookse vette - oleme Californias tõsises põrsas. Need on meie väljakutsed, mis toidavad ülemaailmset elanikkonda ja pakuvad kütust kogu maailma elanikkonnale.

Asjad, mida mikroobid ja nanotehnoloogia suudavad teha, on peamiselt seotud taimede resistentsuse parandamisega selliste pingete korral nagu põud. Mikroobid aitavad taimedel vett saada. Näiteks mükoriase seened võivad suurendada juurte süsteemi, parandada selle taluvust põuda ja parandada toitumist.

Me võime tuvastada ka bakterid, mis suudavad toota väetist või selle lähedal. Nii võivad bakterid, mis võivad lämmastikku atmosfääri võtta ja lämmastikku reguleerida, potentsiaalselt tasakaalustada lämmastikväetise kasutamist, mis võtab palju energiat ja põhjustab tootmisel palju saastumist.

Bakterid võivad ka mullast välja minna kriitilisi mineraale. Nagu Jack ütles, võivad meil olla bakterid, kes kasvavad fosfori omandavate taimedega. Me võime valida bakterid, nii et nad saaksid rohkem fosfori kui nad vajavad ja tarnivad seda taimele.

Kõik need asjad vähendaksid meie sõltuvust kaevanduste fosfori kaevandamisest või viis protsenti maailma energiast lämmastikväetise tootmiseks. Ma arvan, et see on suur ja suur väljakutse.

Nagu eespool mainitud, saab nano-tehnoloogiat neid organisme iseloomustada ja mõista, kuidas nad töötavad. Samuti võime luua andurite süsteeme, et kindlaks teha, millal toitained piiravad kasvu. Selle asemel, et toitaineid ja väetist levitada väga ebaefektiivselt, saame seda kasutada väga sihitud, spetsiifilisel ja palju säästval viisil.

TKF: Kas võime astuda sammu kaugemale ja võib-olla kasutada kahjurite tõrjeks mikrobioome?

E.B.: Tegelikult on seda juba pikka aega tehtud. Nagu teate, seal on GMO-taimed, mis on võtnud geenid mikroobidest, mida kasutatakse putukate tapmiseks. Seda võiks teostada looduslikumal viisil, samuti näiteks nende bakterite kasvatamisega koos taimedega ja potentsiaalsete putukate pärssimisega karjatamise ja taimede toitmise korral. Me võime loodusest palju õppida. Loodus on juba välja töötanud sellised kahjuritõrje strateegiad ja me saame sellest õppida, et kujundada meie kaitse rohkem, kontrollitavalt ja arukamalt.

Kui olete aktuaalne ekspert - teadlane, ärijuht, autor või uuendaja - ja tahaksin lisada optimeeritud teose, saatke meile siia.

Kui olete aktuaalne ekspert - teadlane, ärijuht, autor või uuendaja - ja tahaksin lisada optimeeritud teose, saatke meile siia.

TKF: Veel üks vaataja küsimus: Kas on võimalik kunstmikrobiumi kogukond teha konkreetse ülesande?

J.G.: Jah. Oleme sellel alal tegelikult töötanud, püüdes luua seda, mida me nimetame lihtsaks minimaalseks kogukonnaks. See on ülesannetega tegelevate organismide kogukond, näiteks atsetaadi loomine või vesiniku või butanooli tekitamine potentsiaalse biokütuseallikana. Nii et vaatame mikroobid, mis kasvavad katoodide pinnal, ning võtame neist katoodidest toores elektronid ja integreerime need süsinikdioksiidi allikaga, nagu tehase sinine gaas. Me tahame luua ühenduse, mis ajendab selle ainevahetust seatud eesmärgi suunas.

See võtab matemaatilise modelleerimise lähenemisviisi. Niisiis, metaboolne modelleerimine, püüdes sünteesida arvutis, kuidas need mikroobid mõjutavad teatud toote vabastamist. Selles mõttes peate nanotehnoloogiat tundma, et mõista nende organismide vahelisi metaboolseid suhteid, et saaksite selle kogukonna jaoks selle konkreetse toote tootmiseks insenerida. See on biotehnoloogia tulemuste saavutamiseks väga tähtis.

E.B.: Tegelikult pean ma selle küsimuse pea peale pöörduma. Ma tahaksin võtta looduslikku mikroobide kogukonda ja lõpetada, et teatud juhtudel teeb seda midagi.

Ütleme näiteks, et teil on kariloomad. Need on globaalse soojenemisega seotud globaalse metaani oluline allikas. Osa sellest on tingitud nende dieedist, mis annab üleliigse energia. Selle tulemusena suureneb vesinik, mille tulemuseks on palju metaani, ja lehmad vabastavad palju metaani.

Kas me võiksime minna ja kasutada metaani tootmise peatamiseks suunatud sünteetilist bioloogiat või keemilisi häireid? Lehmapiima tasakaalu muutmiseks lehma soolestiku mikroobide ökosüsteem? Me ei suutnud mitte ainult pärssida metaani tootmist, vaid parandada loomade toitumist, sest see on mikroobid, mis kontrollivad loomale energia voogu toidust, mida ta sööb.

See on keerukas ökosüsteem, kuid loomade kasuks ja selle planeedi eeliseks on see spetsiifiline tukistamine, see on huvitav väljakutse ja seal töötavad inimesed.

J.G.: Tahaksin selle täpse süsteemi võtta ja rakendada söe jaoks, et saada rohkem metaani, mida saaksime seejärel koguda ja pumbata inimeste kodudesse biokütusena.

TKF: Huvitav mõte. Mul on vaatajalt teine ​​küsimus ja Jack, ma arvan, et sa oled see, kes sellele vastata. Tal on eksperimentaalsed protseduurid, mis hõlmavad tervise soole bakterite implanteerimist autismiga inimestele. Miks see töötab? Ja kas see on see, mida me varsti näeme?

J.G.: Meie soolestiku bakterid mõjutavad meie immuunsüsteemi kaudu neuroloogilist käitumist - kuidas me käitume. Nad kutsuvad esile teatud immuunvastuse meie soolestikus, mis toetub meie närvisüsteemile, et luua teatud aku iseloomulik käitumine.

Oleme seda loomamudelites juba mitu aastat teadlikud. Me hakkame lihtsalt aru saama, millises ulatuses on neuroloogilised haigused, nagu autism, Parkinsoni tõbi ja sellised haigused nagu Alzheimeri tõbi, seotud bakteriaalse kogukonna häiretega kellegi soolestikus.

On tehtud mitmeid katseid väga väikese laste arvuga. Paljudel juhtudel Lõuna-Ameerikas ja Austraalias on paljudel lastel olnud söögitoru mikroorganismide väljaheide, tervislik mikroobide kogukond siirdatud enda soole.

Tulemused on muutlikud ja mitte täpselt midagi, mida soovite kodus proovida. Kuid nad viitavad mõnel juhul soodsale tulemusele, kus lapse neuroloogiline häire väheneb või oluliselt väheneb.

Cal Tech'is on rühmitused, mis toodavad probiootikume, eriti bakteriliike, mida nad loodavad lisada lapse toidule või panna kapslitesse, mida saab alla neelata. Nad näivad olevat kasulikud, et vähendada autismiga seotud neuroloogilisi kõrvalekaldeid, kuigi need on alles algusjärgus.

TKF: See toob kaasa teise küsimuse, mida ma tahtsin teilt küsida. Jack, teete ka mikrobiomeeride kapseldamist mingisugusel nanostruktuuril ja nende kasutamist kodudes või kontorites. Teie lootus on see, et need biomid paljastavad inimesi mikrobiomidele, mis aitab nende immuunsüsteemil välja arendada vastupanu neuroloogilistele probleemidele. Kas võiksite meile sellest rääkida?

J.G.: Jah, me töötame hetkel loommudelitega. Kujutage ette taastamiskonstruktsioonid, mida need loomad suudavad. Kujutage ette, et ma ehitan teile hoone, mis oli bioloogiliselt elus, kus seinad teadlikult kogusid tervislikku mikroobide kogukonda.

Nüüd on meil vaid väga piiratud mõte, mida tervislikud vahendid, kuid sisuliselt me ​​teeme seda, et luua struktuure, trükitavaid 3D-trükiseid, mis on immutatud teatud toitainetega. Töötame Ramilla Shahiga Northwesterni ülikoolis, et luua 3D-struktuur, mis võimaldab seda bakteriaalset kogukonda edeneda.

Seejärel võime need struktuurid tuua hiire puuri. 3D-pinnaga seotud bakterid koloniseerivad seda hiirt ja vähendavad teatud hiirtel selliseid kõrvalekaldeid nagu allergiline reaktsioon. Nii oleme kasvanud bakterid, mis võivad tekitada kemikaali, mis pärast hiirte vabanemist moodustab koloonia ja vähendab tõenäosust, et see hiire toiduallergia.

Olen ka Chicago ülikoolis Cathy Nagleriga töötanud. Me loodame tõestada, et me ei pea pumpama probiootikume täis lapsi. Selle asemel võime lihtsalt ümber kujundada kodud, koolid ja võib-olla lasteaedade keskused, nii et lapsed saavad sobiva mikroobide kokkupuute, mis peegeldaks, kuidas nad oleksid üles kasvanud, kui nad oleksid looduslikus ökosüsteemis. Loodetavasti on see arhit


Video Täiendada: .




ET.WordsSideKick.com
Kõik Õigused Reserveeritud!
Mistahes Materjalide Reprodutseerimine Lubatud Ainult Prostanovkoy Aktiivne Link Saidile ET.WordsSideKick.com

© 2005–2019 ET.WordsSideKick.com