Nanovidenskab giver indsigt i verdens mindste økosystemer

Mikrobiomer, samfund af encellede organismer, er overalt i naturen. De spiller vigtige roller inden for sundhed og landbrug, alligevel ved vi overraskende lidt om dem. Nanovidenskab kan måske hjælpe.

I en vidtgående diskussion, to topforskere talte med Kavli Foundation om, hvordan nanovidenskab kan hjælpe os med at forstå og manipulere naturlige mikrobiomer.

Mikrobiomer er fællesskaber af bakterier, svampe, protozoer, alger, andre encellede mikrober, og vira, der interagerer med hinanden på komplekse måder. Disse økosystemer er enormt komplekse. Nogle få gram jord eller havsediment kan indeholde så mange som flere hundrede tusinde forskellige arter af mikrober.

"Der er alle disse fantastiske kemier, som mikrober udfører, og som kan gøre virkelig vidunderlige ting for menneskeheden, som at give nye antibiotika og næringsstoffer til afgrøder. Det er stort set en ubegrænset ressource af nyheder og kemi - hvis vi kan udvikle forbedrede værktøjer til at udnytte det, " sagde Eoin Brodie, en ansat videnskabsmand i Lawrence Berkeley National Laboratorys økologiafdeling.

I fortiden, forskere har søgt at forstå disse samfund ved at dyrke forskellige mikrober i kulturer og observere deres adfærd. Alligevel vokser kun en lille del af disse mikroorganismer i rene kulturer.

Nanovidenskab kunne give nye måder at optrevle disse komplekse økosystemer på, ifølge Jack Gilbert, en principforsker ved Argonne National Laboratory's Biosciences Division.

En måde at få indsigt i mikrobiomer på er at mærke en aminosyre eller fødevarepartikel med kvanteprikker og bestråle dem, så de gløder. Dette ville vise, hvilke mikrober der var aktive, og hvordan de reagerer på forskellige miljøstimuli over tid, Gilbert forklarede.

Nanovidenskab kan også hjælpe forskere med at "slå ud" mikrobiomearter, som vi slår gener i DNA ud. Dette ville gøre det muligt for forskere at studere, hvilke individuelle stammer, der bidrager til samfundet.

Brodie mener, at vi kunne bruge nanoskalasensorer svarende til dem, der udvikles til at undersøge hjernen for at studere jorden. Disse chip-størrelse enheder ville være billige og drevet af radiobølger, så de ville ikke have brug for batterier til at tage aflæsninger og overføre data. Forskere kunne så jorden med titusindvis af disse sensorer og observere, hvordan mikrobiomet ændrede sig, da planterødder trængte gennem jorden.

Lignende sensorer kan hjælpe os med at forstå, hvordan bakterier udvikler antibiotikaresistens og danner sygdomsreservoirer på hospitaler, sagde Gilbert, der studerer udviklingen af ​​mikrobiomer i medicinske faciliteter.

Både Brodie og Gilbert mener, at vi kunne opnå vigtige resultater ved at manipulere mikrobiomer.

Brodie, for eksempler, mener, at ved at modificere bakteriekolonier, der omdanner atmosfærisk nitrogen til gødning, og som allerede lever på mange planter, vi kunne reducere eller eliminere behovet for befrugtning.

Gilbert mener, at mikrobiomer kan forbedre sundheden. En voksende mængde forskning forbinder sådanne inflammatoriske lidelser som astma og eksem med personlig mikrobiom sundhed. Gilbert forsøger at skabe ideelle levesteder for sunde mikrobiomer i vores hjem, kontorbygninger, og offentlige rum. Disse levesteder ville afsløre mennesker, især spædbørn, til de mikrober, de har brug for for at styrke deres immunforsvar.

Gilbert kalder sammenløbet af nanovidenskab og mikrobiomforskning et begyndende felt.

Brodie er enig:"Vi skal helt klart arbejde på tværs af discipliner og blive ved med at udvide vores netværk af forskere. Vi er nødt til at blive ved med at række ud."