Нанонаука помогает исследовать мельчайшие экосистемы мира
Микробиомы — сообщества одноклеточных организмов — повсюду в природе и играют важную роль в здоровье и сельском хозяйстве, но мы знаем о них удивительно мало. Нанонаука может помочь.
Два ведущих исследователя обсудили с Фондом Кавли, как нанонаука может помочь понять и управлять естественными микробиомами.
Микробиомы — это сложные сообщества бактерий, грибов, простейших, водорослей, других одноклеточных микробов и вирусов. Несколько граммов почвы или морского осадка могут содержать до нескольких сотен тысяч различных видов микробов.
"Микробы выполняют удивительные химические реакции, которые могут дать человечеству новые антибиотики и питательные вещества для сельскохозяйственных культур. Это практически неограниченный ресурс новизны и химии — если мы сможем разработать улучшенные инструменты для доступа к нему", — сказал Эойн Броди из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.
Раньше исследователи пытались понять эти сообщества, выращивая микробы в культурах. Однако лишь небольшая их часть растёт в чистых культурах.
Новые инструменты нанонауки
Джек Гилберт из Национальной лаборатории Аргонн считает, что нанонаука может предложить новые способы изучения этих сложных экосистем.
Один из подходов — пометить аминокислоту или частицу пищи квантовыми точками и заставить их светиться при облучении. Это покажет, какие микробы активны и как они реагируют на различные стимулы окружающей среды с течением времени.
Нанонаука также может помочь исследователям "выключать" виды в микробиоме, подобно тому, как "выключают" гены в ДНК. Это позволит учёным изучить вклад отдельных штаммов в сообщество.
Наносенсоры для почвы и медицины
Броди полагает, что для изучения почвы можно использовать наноразмерные сенсоры, подобные тем, что разрабатываются для исследования мозга. Эти устройства размером с чип будут недорогими и питаться от радиоволн, что избавит от необходимости в батареях. Исследователи смогут разместить в почве десятки тысяч таких сенсоров и наблюдать, как микробиом меняется, когда корни растений прорастают сквозь почву.
По словам Гилберта, аналогичные сенсоры могут помочь понять, как у бактерий развивается устойчивость к антибиотикам и формируются резервуары заболеваний в больницах.
Управление микробиомами на благо человечества
Оба учёных верят, что, управляя микробиомами, можно достичь важных результатов.
Броди считает, что, модифицируя бактериальные колонии, которые уже живут на многих растениях и превращают атмосферный азот в удобрение, можно сократить или устранить потребность в удобрениях.
Гилберт связывает улучшение здоровья с микробиомами. Растущее количество исследований связывает воспалительные расстройства, такие как астма и экзема, со здоровьем личного микробиома. Гилберт пытается создать идеальные условия для здоровых микробиомов в наших домах, офисах и общественных пространствах, чтобы люди, особенно младенцы, контактировали с микробами, необходимыми для укрепления их иммунной системы.
Гилберт называет слияние нанонауки и исследований микробиома зарождающейся областью. Броди согласен: необходимо работать на стыке дисциплин и расширять сети исследователей.