Использование микробных консорциумов может повысить успех биотехнологий

Исследователи по всему миру изучают микробы, чтобы понять, могут ли эти крошечные организмы помочь в решении множества проблем — от очистки токсичных отходов до получения возобновляемой энергии. Однако попытки разработать биотехнологии часто терпят неудачу, поскольку фокусируются на ограниченном наборе одиночных, высокоинженерных организмов. Такие организмы часто не работают в реальных условиях так же эффективно и стабильно, как в лаборатории.

Международная группа учёных под руководством микробиологов Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) докторов Стивена Линдеманна и Александра Беляева проанализировала состояние науки, чтобы определить, как использование сообществ из нескольких микроорганизмов (микробных консорциумов) может преодолеть ограничения одиночных организмов.

Учёные утверждают, что сейчас самое время для проектирования и контроля микробных сообществ. Достижение способности инженерного управления микробными экосистемами потребует глубокого понимания механизмов, определяющих их функционирование, что возможно только при объединении последних достижений в системной биологии, компьютерном моделировании и синтетической биологии.

Эти новые взгляды возникли на панельной дискуссии 15-го Международного симпозиума по микробной экологии в Сеуле и опубликованы в официальном издании Международного общества микробной экологии (ISME) — The ISME Journal.

В сельском хозяйстве давно известно, что монокультуры (выращивание одного вида растений) уязвимы к изменениям окружающей среды. Например, относительно небольшие или несвоевременные изменения в количестве осадков могут привести к значительным потерям урожая. В отличие от этого, выращивание нескольких культур с разной устойчивостью к засухе может обеспечить более стабильное производство пищи независимо от погоды в конкретный год. Тот же принцип применим к микробам, которые являются движущей силой глобальных геохимических циклов и катализаторами для производства возобновляемого топлива и химикатов. Микробные сообщества могут оказаться более надёжными, чем инженерные «супермикробы», и более устойчивыми к непредсказуемой среде, чем отдельные микроорганизмы. Эта надёжность — ключ к их использованию в промышленных целях.

«Обещания, которые даёт эта область, велики, — сказал Беляев. — Преобразующие биотехнологии помогут преодолеть энергетические, медицинские и экологические проблемы будущего, а процесс обучения проектированию и контролю экологических явлений уже принёс и, несомненно, продолжит приносить новые знания об основах жизни».

Семь учёных из PNNL, Университета штата Монтана, Исследовательского центра рака Фреда Хатчинсона и Швейцарской высшей технической школы Цюриха, представляя разные научные подходы, исследовательские программы и страны, проанализировали состояние науки. Они использовали вопросы, заданные экспертами на симпозиуме ISME, чтобы обозначить ключевые проблемы.

Опираясь на многолетний опыт и накопленные знания, группа определила, что успешный дизайн биосистем зависит как от понимания физиологии микробов, так и от точности компьютерных моделей, описывающих взаимодействие организмов. Итеративный подход «проектирование — создание — тестирование», способный предсказывать межвидовую динамику и анализировать потоки энергии и вещества в сообществе, поможет учёным лучше понять, как эти консорциумы можно использовать в биотехнологиях.

Микробиологическая исследовательская программа PNNL продолжает расширять основы проектирования биологических систем. В идеале, достижения в этой области позволят учёным контролировать безопасность, продуктивность и стабильность как природных, так и созданных микробных экосистем.