Сегре, директор Microbiome Initiative Бостонского университета, говорит, что он и другие ученые в его области синтетической и системной биологии изучают микробиомы – микроскопические сообщества бактерий, грибов или их комбинации, которые оказывают влияние друг на друга и окружающую среду. Они хотят знать, как микробиомы могут быть направлены на выполнение таких важных задач, как поглощение большего количества атмосферного углерода, защита коралловых рифов от закисления океана, повышение плодородия и урожайности сельскохозяйственных земель, а также поддержка роста лесов и других растений, несмотря на изменение условий окружающей среды.
«Микробы влияют на нас как на людей через свои собственные метаболические процессы, они влияют на нашу планету через то, что они потребляют и выделяют, они помогают создавать кислород, которым мы дышим», – говорит Сегре, профессор биологии и биоинформатики из Колледжа искусств и наук штата Калифорния, и Инженерный колледж, профессор биомедицинской инженерии. "Давным-давно микробы сделали возможной многоклеточную жизнь."
Но, в отличие от многих других синтетических биологов, которые напрямую работают над улучшением или генетической инженерией микробов, Сегре больше интересует, как управлять поведением микробиома, настраивая условия окружающей среды, в которых он живет – подход, который, по его словам, лучше описать как «синтетическая экология»."
«Более традиционный подход синтетической биологии заключался бы в манипулировании геномами микробов», – говорит Сегре. "Но мы пытаемся управлять микробными экосистемами, используя молекулы окружающей среды."
«Мы знаем, что взаимодействие микробов с окружающей средой важно», – говорит Алан Пачеко, получивший докторскую степень в области биоинформатики, работая в лаборатории Сегре.
По его словам, некоторые из этих взаимодействий приносят пользу нескольким видам микробов, некоторые приносят пользу только одному виду в сообществе, а некоторые могут быть вредными для определенных видов. "Но мы до сих пор так многого не знаем о том, почему эти взаимодействия происходят именно так."
В новом исследовании, недавно опубликованном в Nature Communications, Сегре, Пачеко и их коллега Мелиса Осборн, научный сотрудник лаборатории Сегре, изучали, как присутствие 32 различных молекул или питательных веществ в окружающей среде, по отдельности или в сочетании с другими, может повлиять на рост скорость микробных сообществ и сочетание различных видов, составляющих данный микробиом.
«В глубине души у нас была эта идея диеты, основанная на исследованиях, в которых изучались различия в микробиоме кишечника на основе западной диеты и диеты охотника-собирателя», – говорит Пачеко, который сейчас является научным сотрудником ETH Zurich. Диеты охотников-собирателей, приспособленные и включающие широкий спектр растительных источников пищи, считаются гораздо более разнообразными, чем западная диета, поэтому считается, что диета охотников-собирателей способствует более здоровому кишечнику.
Но результаты экспериментов удивили команду. Они ожидали, что увидят рост и увеличение разнообразия микробиомов, поскольку «жуки» будут иметь больший доступ к разнообразной пище – ряду углеродов, включая сахара, аминокислоты и сложные полимеры – но это не то, что их тщательно контролируемые эксперименты раскрытый.
Вместо этого они заметили, что конкуренция за пищу между различными видами микробов препятствует диверсификации микробного сообщества.
«Наши результаты демонстрируют, что одной сложности окружающей среды недостаточно для поддержания разнообразия сообществ, и предоставляют практические рекомендации по проектированию и контролю микробных экосистем», – пишут авторы.
Итак, каковы механизмы, контролирующие разнообразие микробиома?? «Потребуется время, чтобы выяснить причину всех этих взаимодействий», – говорит Сегре.
Хотя увеличение разнообразия источников пищи не привело к увеличению разнообразия видов микробов в их экспериментах, большее количество пищи способствовало большему росту микробов. «Мы обнаружили, что урожайность зависит от общего количества источников углерода, но не от разнообразия этих источников», – говорит Сегре. "Это как люди на пикнике – если на пикник придет достаточно людей, независимо от того, какова разбросанность различных продуктов, в конечном итоге все будет съедено. Во многих наших экспериментах микробные сообщества использовали все источники углерода в полной мере."
Пачеко добавляет, что если кто-то может что-то потреблять, то кто-то другой может его в этом превзойти. «Наши эксперименты показали, что решающим модулятором микробного разнообразия является то, насколько эти разные организмы конкурируют друг с другом за ресурсы», – говорит он. "Чем больше организмов соревнуются, тем менее разнообразным будет это сообщество."
Команда планирует провести больше исследований дополнительных факторов окружающей среды, исследуя, как доступ к питательным веществам и их разнообразие меняют микробные сообщества с течением времени и как среда, в которой живет микробное сообщество, влияет на их потребление и секрецию молекул. Они также изучают, как метаболические процессы между различными видами микробов могут взаимодействовать и взаимодействовать друг с другом, и как способность некоторых организмов последовательно или одновременно потреблять несколько ресурсов влияет на микробиом в целом.
Дальнейшее разблокирование и, в конечном итоге, использование всех этих экологических "регуляторов и регуляторов" может открыть двери для использования микробиомов для воздействия на метаболизм человека и состояние здоровья или болезни у людей и в естественных экосистемах.