Ученые предлагают функциональный подход к созданию устойчивых микробных сообществ для биотехнологий

Устойчивость (resilience) — важная концепция, но единого определения для нее нет. Одна научная организация выделила 47 определений, используемых в инженерии, экологии, социологии, экономике и психологии. Понимание устойчивости микробных сообществ критически важно для их применения в биотехнологиях или прогнозирования реакции на изменения окружающей среды.

Специалисты по вычислительной биологии и микробиологии из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) предложили новое определение, объединяющее подходы экологов и инженеров. Их работа опубликована в Frontiers in Microbiology.

Новое определение устойчивости

"Мы считаем, что устойчивость микробных сообществ лучше всего определять как скорость восстановления конкретной функции, представляющей интерес для исследователя", — заявил микробиолог PNNL доктор Стивен Линдеманн.

Фокус на фундаментальных характеристиках системы в ответ на изменение среды позволяет:

  • Сравнивать устойчивость функции между разными сообществами.
  • Глубоко понимать свойства сообщества.

Ученые утверждают, что устойчивость исходит изнутри микробного сообщества, независимо от окружающей среды.

Почему это важно?

Микроорганизмы:

  • Превышают суммарную массу всех растений и животных на планете.
  • Контролируют глобальные циклы углерода и энергии.
  • Влияют на здоровье и физиологию человека.
  • Изучаются как потенциальный источник возобновляемой энергии.

Понимание процессов, управляющих реакцией сообществ на изменения среды, критически важно для:

  • Экологов, прогнозирующих последствия изменения климата или извержений вулканов.
  • Инженеров, разрабатывающих стабильные биотехнологические процессы.

"Для проектирования лучшей системы мы должны разработать рациональные методы для количественной оценки устойчивости микробных сообществ и возможности предсказывать приближение переломных моментов (tipping points)", — отметил Линдеманн.

Общий подход

Ученые сравнили предыдущие исследования устойчивости с инженерной и экологической точек зрения. Они обнаружили, что изменения в среде могут влиять на состав или размер сообщества, но критические функции при этом сохраняются. Понимание реакции этих функций на изменения среды — центральный вопрос для обеих дисциплин.

Планы на будущее

Специалисты PNNL планируют выявить фундаментальные механизмы, ответственные за устойчивость как простых, так и сложных микробных сообществ. Это понимание значительно продвинет возможности по проектированию, прогнозированию поведения и контролю микробных сообществ — как в естественных экосистемах, так и в биоинженерных системах.