Læring Fra Jordens Mindste Økosystemer (Kavli Hangout)

{h1}

I løbet af de sidste mange årtier har mikrober vist sig som vores planeters stort set uudforskede økosystemer - og vores kroppe - og nu lærer forskere, hvordan samfund af disse organismer fungerer på samme måde som jordens skove og oceaner.

Alan Brown, forfatter og blogger for Kavli Foundation, har bidraget med denne artikel til WordsSideKick.com's Ekspert stemmer: Op-Ed & Insights.

Fra indersiden af ​​vores kroppe til havbunden trives mikrobiomer - bakterier og andre encellerede organismer - overalt i naturen. De udviklede sig for mindst 3,8 milliarder år siden, de støbte vores planet og skabte sin iltrige atmosfære. Uden dem kunne livet på Jorden ikke eksistere.

Alligevel ved vi overraskende lidt om de indre virkninger af naturens mindste og mest komplekse økosystemer.

Mikrobiomer har meget at lære os. Ved at lære hvordan medlemmer af mikrobiomer interagerer med hinanden, kan forskere opdage nyskabende grønkemi og livreddende lægemidler eller lære at reducere hospitalsinfektioner, bekæmpe autoimmune sygdomme og dyrke afgrøder uden gødning eller pesticider.

Mikrobiomernes rene kompleksitet gør dem vanskelige at studere ved konventionelle biokemiske midler. Nanoscience giver et andet og komplementært sæt værktøjer, der lover at åbne et vindue ind i denne skjulte verden. [Nanotech View of the Microbiome]

Tidligere i måneden havde The Kavli Foundation et Google Hangout med to ledere i de nye applikationer af nanovidenskab for at studere mikrobiomer. De diskuterede potentielle naturlige biomer, hvorfor de er så vanskelige at forstå, og hvordan nanovidenskab kan hjælpe os med at låse op for mikrobiøse hemmeligheder.

Tilslutte samtalen var:

Eoin Brodie, en personaleforsker i økologiafdelingen ved Lawrence Berkeley National Laboratory. Han var en del af teamet, der pionerer en enhed, der er i stand til at identificere tusindvis af bakteriearter fundet i mikrobiomer og udvikler for øjeblikket måder at kombinere data fra mange forskellige typer måleværktøjer til et mere sammenhængende billede af disse økosystemer.

Jack Gilbert er en hovedforsker i biovidenskabsafdelingen i Argonne National Laboratory og en lektor i økologi og evolution ved University of Chicago. Han har studeret mikrobiomer på hospitaler og arbejder på måder at bruge nanostrukturer, der indeholder bakterier, for at hjælpe spædbørn til at bekæmpe immunforsvar.

Alan Brown er en Kavli Foundation forfatter og blogger, og har dækket nanovidenskab i mere end 25 år.

Alan Brown er en Kavli Foundation forfatter og blogger, og har dækket nanovidenskab i mere end 25 år.

Kredit: Alan S. Brown

Nedenfor er et modificeret transkript af deres diskussion. Ændringer og ændringer er foretaget af deltagerne for at afklare talte kommentarer optaget under live webcast. For at se og lytte til diskussionen med uændrede bemærkninger kan du se den oprindelige video.

Kavli Foundation: Så lad os starte med et indlysende spørgsmål, hvad er der en mikrobiom?

Eoin Brodie: En mikrobiom er en forbindelse af organismer inden for et økosystem. Du kan tænke på mikrobes økosystem på samme måde som du tænker på et jordbaseret økosystem, som en tropisk skov, et græsareal eller sådan noget. Det er en forbindelse mellem organismer, der arbejder sammen for at opretholde et systems funktion.

Jack Gilbert: Ja. I en mikrobiom kommer bakterierne, arkæerne (encellede organismer svarende til bakterier), virusene, svampene og andre enkeltcellede organismer sammen som et samfund, ligesom en befolkning af mennesker i en by. Disse forskellige organismer og arter spiller alle forskellige roller. Sammen skaber de en fremvoksende ejendom, noget som hele samfundet gør sammen for at lette en reaktion eller et respons i et miljø.

TKF: Hvor kompleks kan disse mikrobiomer? Er de ligesom tropiske skove? Er de mere komplekse, mindre komplekse?

J.G..: Mangfoldigheden af ​​det eukaryote liv - alle de levende dyr og planter, som du kan se - falder ind i ubetydelighed ud over mangfoldigheden af ​​det mikrobielle liv. Disse bakterier, disse archaea, disse vira - de har været på jorden i 3,8 milliarder år. De er så gennemsigtige, de har koloniseret hver eneste niche på planeten.

De formede denne planet. Grunden til at vi har ilt i atmosfæren er på grund af mikrober. Inden de begyndte at fotosyntesere lys i biomasse var atmosfæren for det meste carbondioxid. Årsagen til planter og dyr findes på Jorden er på grund af bakterier. Mangfoldigheden af ​​alle planter og dyr - alt, hvad der lever i dag, som du kan se med dine øjne - det er en dråbe i det sproglige hav af mangfoldighed, der findes i den bakterielle og mikrobielle verden. [Kan mikrober i tarmen påvirke hjernen?]

E.B.: Vi har tendens til at tænke på jorden som en menneskelig planet, og at vi er den primære organisme eller alfa-arter. Men vi er virkelig passagerer, vi er bare blow-in på en mikrobiel planet. Vi er nylige, nyere tilføjelser.

TKF: Du begge vokser så poetisk om det. Men vi ved så lidt om mikrobiomer. Hvorfor er det så svært at forstå, hvad der foregår i disse økosystemer?

E.B.: Jack eluded til det. Det første problem er, at mikrobiomer er meget små. Vi kan ikke se dem, og det er meget svært at forstå, hvordan tingene fungerer, når du ikke kan se dem. Så værktøjer er nødvendige for at kunne se disse organismer.

Jack Gilbert er en hovedforsker i Biosciences Division of Argonne National Laboratory og en lektor i økologi og evolution ved University of Chicago. Han har studeret mikrobiomer på hospitaler og arbejder på måder at bruge nanostrukturer, der indeholder bakterier, for at hjælpe spædbørn til at bekæmpe immunforsvar.

Jack Gilbert er en hovedforsker i Biosciences Division of Argonne National Laboratory og en lektor i økologi og evolution ved University of Chicago.Han har studeret mikrobiomer på hospitaler og arbejder på måder at bruge nanostrukturer, der indeholder bakterier, for at hjælpe spædbørn til at bekæmpe immunforsvar.

Kredit: Argonne National Laboratory

Vi kan heller ikke dyrke dem. Det er meget svært at bringe dem fra det naturlige økosystem ind i laboratoriet til undersøgelse. Sandsynligvis mindre end en procent, afhængigt af økosystemet, kan faktisk dyrkes på vækstmedier i laboratoriet, så vi kan lave forsøg og forstå, hvilke funktioner de udfører. Det efterlader 99 procent - det store flertal af mikrober på jorden og de fleste af deres økosystemer - ukendt for os, bortset fra deres DNA-signaturer og lignende.

Nu har Jack pioneret DNA analyser. Når man ser på DNA-signaturerne fra disse miljøer, er der alle disse nye organismer, nye proteiner og nye funktioner, som vi aldrig har set før. Dette er blevet kaldt jordens mikrobielle mørke stof. Ligesom mørk materie og energi i universet har dette været ukendt for os, men det er yderst vigtigt, at planeten - og mennesker - skal fortsætte med at fungere.

TKF: Så hvad gør det så svært at dyrke disse mikrober i en petriskål?

E.B.: De er meget nøjeregnende. Du kan tænke på det på den måde. De kan ikke lide at spise den mad, vi giver dem, i mange tilfælde. De spiser ting, som vi ikke ved, at de kan spise. De trækker vejret, som vi ikke ved, at de kan trække vejret.

Vi trækker vejret ilt, de indånder ilt, men de puster også nitrater, jern, svovl, endda kuldioxid. At få de rigtige koncentrationer og kombinationer af hvad de spiser og ånder er meget vanskeligt.

I nogle tilfælde, selvom du kan arbejde det ud, kan der være noget, de har brug for at få fra et andet medlem af økosystemet. Det medlem kan levere et væsentligt næringsstof eller en cofactor for at de kan vokse.

Så få alle de mulige permutationer og kombinationer rigtigt, er ekstremt udfordrende. Mange mennesker arbejder på det, og der er meget ekspertise sat i dette, men det er ekstremt svært og kompliceret.

J.G..:& Det er et interessant punkt. Jeg ligner det at have en bager. Du ved, hvis du har en bager i et menneskeligt samfund, har bageren brug for nogen, der kan gøre melet, nogen der kan give lidt gær, og nogen der vil købe brød. De eksisterer som et netværk af personer, der bor i et fællesskab.

Hvis du tager bageren ud af samfundet, kan han eller hun ikke lave brød, så de er ikke længere bager. Fjernelse af en mikrobe fra sit samfund reducerer sandsynligheden for, at den vil kunne udføre de roller og opgaver, det gør i det miljø.

Så det er næsten som om du ikke vil prøve at dyrke disse ting i isolation. Fordi samtidig isolere dem gør vores job som mikrobiolog lettere, er det også meget sværere at forstå, hvad de rent faktisk gør i de miljøer, de bor i. Vi kan ikke finde ud af det isoleret, fordi de er samfundsaktører.

TKF: Hvad er nogle af de værktøjer, vi kan bruge i dag til at se på mikrobiomer? Er der en state of the art?

J.G..: Så det tager jeg på. Jeg mener, at dette er et meget dynamisk udviklende felt. Det er ikke et felt, hvor alle synes at hvile på deres laurbær.

For at forstå mikrober har vi et par værktøjer, der er tilgængelige for os. Et af disse værktøjer er genomik, så vi kan sekvensere genomet af bakterier, archaea, vira og svampe, ligesom vi har gjort for det menneskelige genom.

Den anden er transkriptomet, som ser på RNA, et forbigående molekyle, som skaber cellen ved at oversætte, hvad der er i genomet i proteiner. Det er nyttigt, fordi det fortæller os, hvilke gener der bliver tændt og slukket, når vi sætter disse mikrober under forskellige forhold.

Eoin Brodie er en medarbejderforsker i Ecology Department of Lawrence Berkeley National Laboratory. Han pionerer en enhed, der er i stand til at identificere tusindvis af bakteriearter, der findes i mikrobiomer, og udvikler måder at kombinere forskellige data til et mere sammenhængende billede af disse økosystemer.

Eoin Brodie er en medarbejderforsker i Ecology Department of Lawrence Berkeley National Laboratory. Han pionerer en enhed, der er i stand til at identificere tusindvis af bakteriearter, der findes i mikrobiomer, og udvikler måder at kombinere forskellige data til et mere sammenhængende billede af disse økosystemer.

Kredit: Lawrence Berkeley National Laboratory

Så har vi proteomet, proteinerne, som faktisk udgør cellen. De er de enzymer, der gør det muligt for organismen at interagere med sit miljø, at forbruge sin mad, at respondere på kuldioxid, ilt eller jern og så videre.

Så har du metabolomet, de metaboliske molekyler levende organismer forbruger som mad og producerer som affaldsprodukter.

Genomet, transkriptomet, proteomet og metabolomet er fire af værktøjerne i vores værktøjskasse, som vi faktisk kan bruge til at undersøge den mikrobielle verden. Men de er på ingen måde grænsen for vores værktøjer eller vores mål. Vi har ambitioner langt ud over bare at undersøge disse komponenter. Eoin udvikler nogle af disse, og måske Eoin, vil du springe ind nu?

E.B.: Ja, det vil jeg tilføje. Udfordringen med at forstå mikrobiomet, og endda individuelle mikrober, er, at de bare er så små. De er komplicerede og små, så forståelsen af ​​deres aktivitet - deres transkriptomer eller proteiner eller metabolitter - i den skala, de eksisterer, er ekstremt udfordrende.

Alle de teknologier, Jack nævnte, udvikles med større organismer i tankerne. Skalere dem ned for at håndtere størrelsen på mikrober, men så øge deres gennemstrømning for at håndtere mikroberets kompleksitet er en enorm, stor udfordring.

Jeg vil give dig et eksempel. Når man ser på et økosystems aktivitet, siger en tropisk skov, man ser på fordeling af træer og dyr, og ser efter sammenhængen mellem vegetationen og dyrene.

Så hvis du vil forstå insekter, har du en plads i tankerne. Du tror, ​​"Dette lever nær dette.Det interagerer på dette område. "Så der er en interaktion, en grundlæggende sammenhæng mellem disse medlemmer af økosystemet.

Den måde, vi typisk så på mikrobiomer - selv om dette ændrer sig nu - var at mase hele skoven i en blender. Så ville vi sekvensere hele DNA'et og se på RNA og proteiner og metabolitterne.

Så forsøger vi at gå tilbage og sige: "Dette træ er i samspil med dette insekt." I virkeligheden er dette træ hundrede eller tusinder af kilometer væk fra det insekt, og de ser aldrig hinanden.

Det er det problem, vi har i mikrobiomet. Når vi mash op disse organismer for at se på deres DNA, RNA, proteiner og metabolitter, slipper vi af den rumlige struktur og dens foreninger. Og vi mister vigtigheden af ​​rummet med hensyn til at lette interaktioner. [The Nanotech View of the Microbiome (Kavli Roundtable)]

Så jeg tror virkelig, at den næste bølge i mikrobiologisk forskning skal målrette mod denne mikrobielle aktivitet og interaktioner på mikrobens skala. Ser de hinanden Interagerer de, og hvordan interagerer de? Hvilke kemikalier udveksler de, og under hvilke forhold? Det synes jeg er den rigtige udfordring. Derfor taler vi til Kavli Foundation, fordi det er her nanovidenskab kommer ind.

TKF: Dette er en fremragende overgang til mit næste spørgsmål: Hvordan bruger vi nanovidenskab til at lære om mikrobiomer? Kan vi for eksempel bruge nogle af de samme nanoskala prober vi udvikler for at studere hjernen til at sige, undersøge mikrobiomer i havet eller jorden?

E.B.: Jeg synes, at der er nogle interessante paralleller. Jeg mener, du kan tænke på hjernen som dette ekstremt komplicerede netværk af neuroner. BRAIN-initiativet forsøger at kortlægge disse neuroner og følge deres aktivitet.

Tilsvarende er mikrobiomet et netværk af interaktive organismer, der tænder og slukker. Forbindelserne og strukturen i dette netværk er yderst vigtigt for systemets funktionsmåde, ligesom det er for hjernens funktion.

For BRAIN-initiativet kom folk sammen og sagde: "Nå, hvad skal vi gøre for at se på elektrisk ladning og elektrisk strøm gennem neuroner, ikke-invasivt og i realtid?" Og de kom op med nogle teknologier, der potentielt kan foretage ekstern sensing på en meget lille skala, og se hvordan systemet ændrer sig noninvasively.

Så en måde at forstå hjernen på er at bruge ekstern billeddannelse, og en anden tilgang er at indlejre sensorer.

I BRAIN-initiativet udvikles nogle sensorer her på Berkeley lab og andre steder, der bruger RFID - radiofrekvensidentitetsteknologi. De ligner mærker, der bruges til at spore forsendelsesbeholdere, varer i stormagasiner og lignende. De sender både information og høst energi fra radiofrekvenser, så de er autonome enheder. Jeg tror, ​​at udfordringen nu kobler den teknologi til sensorer, som kan overvåge noget i miljøet og sende disse oplysninger autonomt - ingen batterier kræves - til modtagere. Så hvis disse sensorer distribueres på en intelligent måde, ligesom med GPS, kan du triangulere, hvor den information kommer fra.

Hvordan kunne du bruge dette til at forstå en mikrobiom? De sensorer, der udvikles, er stadig relativt store, cirka en kvadrat millimeter i størrelse. Det er ret lille for os, men meget stort for en mikrobe.

Så du kan tænke på dette i jord. Lad os sige, at vi vil forstå, hvad der sker, når en rod vokser gennem jorden. Roten stimulerer mikrober, og der er ti gange flere mikrober nær roten, end der er væk fra roden i jorden. De har alle forskellige kemikalier og forskellige funktioner, der er meget vigtige for plantens ernæring og sundhed.

Hvis du kunne distribuere meget små sensorer i jorden og få dem til at fornemme ting som kulstof fra rødder eller ilt forbruges af mikrober, så kan du bygge et tredimensionalt billede af, hvordan jordmikrobiomet ændres og ændres, når en rod bevæger sig gennem jorden. Det er et eksempel på, hvordan fremskridt på andre områder, der drives af nanoteknologi, kunne anvendes til mikrobiomer.

TKF: Disse RFID sensorer ville være baseret på halvleder chips, right? Så du kunne tage en wafer, gøre mange af dem billigt, distribuere dem i jorden, og få et billede, du ikke kunne få nogen anden måde?

E.B.: Ja. Der er et voksende felt kaldet prædiktivt landbrug. Det er som personligt landbrug, hvor gødningstillæg, for eksempel i et felt, ikke ville være ensartet. I stedet vil du levere gødningen, hvor det er nødvendigt. Du ville vandre feltet præcis, hvor det er nødvendigt. Så du har dette massive netværk af distribuerede autonome sensorer, og det ville give os mulighed for mere effektivt at bruge gødning. Så ville det ikke blive udvasket eller tabt fra systemet og forårsage vandforurening og lignende. Disse eksempler er ikke mikrobielle, men mikrobielle processer styrer tilgængeligheden og optagelsen af ​​disse gødninger.

TKF: Tak skal du have. Hold den tanke, og vi vil komme tilbage til det om et øjeblik. I mellemtiden har Jack studeret mikrobiomer på et nyt hospital for at se, hvordan de udvikler sig og påvirker sygdomsudbredelsen. Kan du fortælle os, hvad du laver, og hvordan nanoteknologi kan hjælpe?

J.G..: Ja. Mikroberne, der findes på et hospital, har været et fokus for klinikere og medicinske forskere i et par hundrede år. Lige siden vi afdækkede at bakterier faktisk kan forårsage sygdom, har vi forsøgt at udrydde så meget mikrobielt liv som muligt.

Det paradigme skifter til en, hvor vi er mere interesserede i at forsøge at forstå, hvordan bakteriefællesskaber på et hospital kan lette spredning af sygdom og antibiotikaresistens og måske også fremme sundhed.

Vi har gået ind på hospitaler og med en meget meget høj tidsmæssig opløsning, der udforsker hvordan deres bakterielle samfund ændrer sig over tid. Så vi ser på en skala fra timer til dage, vi forsøger at forstå, hvordan - når en patient flytter ind i et nyt rum for at få en operation eller at gennemgå en procedure - påvirker mikroberne, der allerede er i det rum, resultatet af patientens ophold på hospitalet. Vi vil gerne vide, om det gør dem enten sundere eller sygere.

Så vi har katalogiseret mikroberne ved disse meget fine skalaer. Og det vi ser er en udveksling mellem bakterierne i rummet og inde i patientens krop.

Men vi har også opdaget, at langt størstedelen af ​​bakterier, som vi normalt ville associere med såkaldte sundhedsrelaterede infektioner - patogener, som vi troede folk erhverver under hospitalsophold - synes at være bakterier, som patienterne selv førte ind på hospitalet. De er bakterier, som vi har indenfor os.

Husk, vi har hundrede billioner bakterier, der lever i os. De vejer omkring to pund, omtrent det samme som hjernen. Så hvis du mener, at BRAIN-initiativet er vigtigt, så er det måske også et mikrobiologisk initiativ, der er vigtigt, fordi det vejer omtrent det samme som hjernen.

Den menneskelige mikrobiom har mange spillere. De fleste af dem er venlige for os, men de kan også tænke os. Jeg ligner dette til en oprivning i byen. Du ved, hvis du tager ting væk fra folk, vil de generelt stige op og forsøge at vælte den meget ting, der støttede dem i første omgang.

Mikrober er på samme måde. Vi giver hospitalspatient antibiotika og strålebehandling for at dræbe bakterier. Derefter skærer vi op i hans eller hendes tarm og udsætter bakterierne for ilt, som de ikke kan lide, og sys tarmen op igen. Når vi ser på bakterierne, ser vi, at tidligere venlige bakterier er begyndt at opstå. De har været fornærmet så mange gange af patientens behandling, at de har besluttet, at de har haft nok. Så går de og angriber værten for at genvinde de ressourcer, der bliver taget væk fra dem.

Dette er meget vigtigt. At forstå en patients sygehusophold fra mikrobernes perspektiv hjælper os med at designe bedre måder at behandle patienter og reducere sandsynligheden for, at disse mikrober i os vil rebel, angribe os og gøre os syge.

Nanoteknologi hjælper os med at opnå en finere skala af visuel opløsning, så vi kan se nøjagtigt, når bakterier i løbet af en kirurgisk procedure går slyngel og begynder at angribe værten og de molekylære mekanismer, som understøtter denne adfærd.

Vi har et godt eksempel, som vi fandt ved at placere nanoskala molekylære biosensorer i tarmen. Det måler fosfatniveauer. Fosfat er et meget vigtigt molekyle, der bruges til at skabe DNA og proteiner i vores krop og i cellerne af disse bakterier.

Når fosfatniveauet falder under en vis tærskel, aktiverer mikroberne en mekanisme til at erhverve fosfat fra deres omgivelser. Og hvor er den bedste kilde til fosfat? Det er i tarmens foring af deres vært. Så de migrerer til tarmen og begynder at nedbryde de menneskelige celler. Vi oplever det som en adskillig patogen infektion, som ofte dræber os.

Fordi vi forstår den proces, udvikler vi mekanismer til frigivelse af fosfat på det rigtige tidspunkt under operationen for at forhindre, at disse bakterier nogensinde oplever den fosfatreduktion. For at udføre disse mikrofosfatudgivelser udvikler vi nanotech-stilladser til at holde fosfat og placerer dem i tarmen under operationen. Dette vil reducere sandsynligheden for, at mikrober bliver patogene.

TKF: Det er ikke kun interessant, men det fører til, at en af ​​vores seere spørger, om vi kan justere mikrobiomer, så de kan målrette sygdomme og andre menneskelige forhold. Kan de gå ud over at justere surheds- eller fosfatniveauer og gøre noget mere aggressivt?

J.G..: Ja. Det tilfælde, hvor vi har haft den bedste succes er at behandle kroniske infektioner forårsaget af Clostridium difficile bakterie. C. diff infektioner er kroniske gastrointestinale infektioner. Vores behandlinger bruger en shotgun tilgang. Vi tager bakterierne fra en sund person og transplanterer dem til nogen med en kronisk C. diff infektion. Det er tilsidesat C. diff-infektionen og etableret en sund mikrobiom i patientens tarm, så han eller hun ikke længere er syg.

Kineserne gjorde dette omkring 2.000 til 3.000 år siden. De kaldte det gul suppe, og de fodrede afføringen fra en sund person til en syg person, og det gjorde den syge frisk. Vi har netop genopdaget denne proces, og vi anvender det nu i en mere klinisk indstilling.

Indtil videre er det en meget ubetydelig tilgang. Hvad vi forsøger at gøre med vores forskningsarm, American Guts og programmer forbundet med autisme, Alzheimers og Parkinsons, er at identificere specifikke bakterielle medlemmer, der enten er fraværende eller overgroede hos disse patienter. Derefter vil vi undersøge, hvordan man justerer dem - måske implanterer vi en, der mangler eller banker en ryg, der er overgroet, for at gøre denne person sundere.

E.B.: Jeg vil gerne tilføje noget til det. Der er en interessant analogi, tror jeg, i hvad vi laver for C. diff-fecale transplantationer - og restaureringsøkologi. Det er her, hvor du udrydder en invasiv planteart og planter en anden art for at udkonkurrere de invasive plantearter.Det er nøjagtig samme proces, så de samme økologiske principper og økologisk teori, der bruges i restaureringsøkologi, kan anvendes i medicin. I nogle tilfælde kan det ikke være så enkelt som at fjerne en organisme eller tilføje en eller to andre organismer. Det kan være en fællesskabsfunktion, hvor vi faktisk kan have brug for denne kompleksitet for at kunne udkonkurrere den organisme, der forårsager sygdommen.

J.G..: Det er et rigtig interessant punkt. Både Eoin og jeg er vores mikrobielle økolog. Jeg startede i marine mikrobielle økologi, og nu arbejder jeg i jordbund, planter, mennesker og sygdomme. Eoin gør det samme. Og vi begge kan anvende de økologiske principper for mikrober til ethvert miljø, fordi mikrober er overalt.

TKF: Godt. Så, Eoin, vi har to spørgsmål til dig fra vores publikum. Den første omfatter landbrug. En seer vil gerne vide, om nanovidenskab hjælper os med at ændre mikrobiomer på måder der ændrer, hvordan vi vokser, befrugter og beskytter planter mod skadedyr?

E.B.: Det er et stort spørgsmål, og jeg synes også en rigtig rettidig. Verdens befolkning er syv milliarder kroner, på vej til ni og derefter 11 milliarder kroner. Vi vil løbe tør for gødning, vi løber tør for at dyrke mad, og vi løber tør for vand - vi er i en alvorlig tørke i Californien. Det er vores udfordringer, der fodrer en global befolkning og leverer brændstof til en global befolkning.

De ting, som mikrober og nanoteknologi kan gøre, drejer sig primært om at forbedre planternes modstandsdygtighed over for stress, såsom tørke. Mikrober kan hjælpe planter med at erhverve vand. For eksempel kan mycorrhiza svampe øge rodsystemet, forbedre tørke tolerance og forbedre ernæring.

Vi kan også identificere bakterier, der kan producere gødning i eller nær planten. Så bakterier, der kan tage kvælstof fra atmosfæren og fikse kvælstof, kan potentielt opveje brugen af ​​kvælstofgødning, som tager meget energi og forårsager meget forurening at fremstille.

Bakterier kan også minde kritiske mineraler fra jorden. Vi kan have bakterier vokser med de planter, der erhverver fosfor, som Jack sagde. Vi kan vælge bakterier, så de miner mere fosfor end de har brug for og leverer det til planten.

Alle disse ting vil reducere vores afhængighed af minedrift fosfor fra strip miner eller bruge fem procent af vores verdens energi til produkt kvælstofgødning. Jeg synes det er en stor, stor udfordring.

Nanoteknologi, som jeg nævnte tidligere, kan bruges til at karakterisere disse organismer og forstå, hvordan de fungerer. Vi kan også opbygge sensorsystemer for at identificere, når næringsstoffer begrænser væksten. Så i stedet for at sprede næringsstoffer og gødning på en meget ineffektiv måde, kan vi bruge det på en meget målrettet, specifik og langt mere bæredygtig måde.

TKF: Kan vi tage et skridt ud over det, og måske bruge mikrobiomer til at bekæmpe skadedyr?

E.B.: Faktisk er det blevet gjort i lang tid. Som du ved, er der GMO afgrøder derude, der har taget gener fra mikrober, der bruges til at dræbe insekter. Dette kunne udføres på en mere naturlig måde, for eksempel ved at dyrke disse bakterier med planterne og potentielt hæmmer insekter fra græsning og fodring på planterne. Vi kan lære meget af naturen. Naturen har allerede udviklet disse strategier for skadedyrskontrol, og vi kan lære af det at designe vores beskyttelse på en mere kontrollerbar og intelligent måde.

Hvis du er en aktuel ekspert - forsker, virksomhedsleder, forfatter eller innovatør - og gerne vil bidrage med et op-ed-stykke, mail os her.

Hvis du er en aktuel ekspert - forsker, virksomhedsleder, forfatter eller innovatør - og gerne vil bidrage med et op-ed-stykke, mail os her.

TKF: Et andet spørgsmål fra en seer: Er det muligt at lave en kunstig mikrobiom samfund en bestemt opgave?

J.G..: Ja. Vi har faktisk arbejdet på dette område og forsøger at skabe det, vi kalder et simpelt minimalt fællesskab. Dette er et samfund af organismer, der udfører en opgave, såsom at skabe acetat eller generere hydrogen eller butanol som potentiel biobrændstofkilde. Så vi kigger på mikrober, der vokser på overfladen af ​​katoder, og tager rå elektroner fra disse katoder og integrerer dem med en kuldioxidkilde, såsom blå gas fra en fabrik. Vi ønsker at skabe et samfund, der driver det metabolisme mod et sæt mål.

Det vil tage en matematisk modellering tilgang. Så metabolisk modellering, forsøger at syntetisere i en computer, hvordan disse mikrober interagerer for at frigøre et bestemt produkt. Så i den forstand har du brug for nanoteknologi til at mærke de metaboliske forhold, der eksisterer mellem disse organismer, så du kan manipulere det pågældende samfund til at producere et bestemt produkt. Det vil være meget vigtigt at opnå bioteknologiske resultater.

E.B.: Faktisk er jeg nødt til at stille dette spørgsmål på hovedet. Jeg vil gerne tage et naturligt mikrobielt samfund og stoppe det med at gøre noget, i visse tilfælde.

Lad os sige, for eksempel, at du har kvægbesætninger. De er en vigtig kilde til global metan, der bidrager til global opvarmning. En del af det er på grund af deres kostvaner, som giver en overskydende energi. Det resulterer i øget hydrogen, hvilket resulterer i en masse metan, og køer frigiver en masse metan.

Så kan vi gå ind og bruge målrettet syntetisk biologi eller kemiske interferens tilgange for at stoppe produktionen af ​​methan? At ændre balancen af ​​koens rumen, koens tarmmikrobielle økosystem? Vi kunne ikke kun hæmme metanproduktionen, men forbedre ernæringen til dyret, fordi det er mikrober, som styrer strømmen af ​​energi til dyret fra den mad, den spiser.

Det er et kompliceret økosystem, men specifikt at tilpasse det til fordel for dyret og fordelene ved planeten, er en interessant udfordring, og der arbejdes der.

J.G..: Jeg vil gerne tage det præcise system og anvende det på kul, for at gøre mere metan, som vi så kan fange og pumpe ind i folks hjem som biobrændstof.

TKF: Interessant tanke. Jeg har et andet spørgsmål fra en seer, og Jack, jeg tror, ​​du er den, der besvarer dette. Hun har eksperimentelle behandlinger, der involverer implantering af sundhedstarmbakterier i mennesker med autisme. Hvorfor kan dette arbejde? Og vil det være noget, vi ser snart?

J.G..: Bakterierne i vores tarm har indflydelse på neurologisk adfærd - den måde vi opfører - gennem vores immunsystem. De fremkalder et bestemt immunrespons i vores tarm, som føder tilbage på vores nervesystem for at skabe en bestemt karakteristisk adfærd i vores hjerne.

Vi har kendt dette i dyremodeller i en årrække. Vi er lige begyndt at forstå, i hvilket omfang neurologiske sygdomme, såsom autisme, Parkinsons og tilstande som Alzheimers skyldes forstyrrelser i bakterielle samfund i ens tarm.

Der har været flere forsøg med meget få børn. I flere tilfælde i Sydamerika og et antal i Australien har børnene haft en fecal mikrobiom transplantation, et sundt mikrobielt samfund implanteret i deres egen tarm.

Resultaterne er variable, og ikke ligefrem noget, som du gerne vil prøve hjemme. Men de tyder i nogle tilfælde på et positivt resultat, hvor barnets neurologiske lidelse er mindre eller væsentligt reduceret.

Der er grupper på Cal Tech, der producerer probiotika, bestemte bakteriearter, som de håber at føje til et barns kost eller sættes i en kapsel, der kan sluges. De synes at have en fordel ved at reducere de neurologiske abnormiteter forbundet med autisme, selvom de stadig er i deres tidlige dage.

TKF: Det fører til et andet spørgsmål, jeg ønskede at spørge dig om. Jack, du arbejder også på at indkapslere mikrobiomer i en slags nanostruktur og anvende dem til boliger eller kontorer. Dit håb er, at disse biomer vil udsætte folk for mikrobiomer, der hjælper d


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com