Lernen von den Ökosystemen der Erde kleinste (Kavli Hangout)



Alan Brown, Schriftsteller und Blogger für die Kavli Foundation, trug dieses Artikels Leben Wissenschaft Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Aus in unserem Körper, unter dem Meeresboden, Mikrobiome-Gemeinschaften von Bakterien und andere einzellige Organismen – überall in der Natur gedeihen. Mindestens 3,8 Milliarden Jahren, sie unseres Planeten geformt und die sauerstoffreiche Atmosphäre geschaffen. Ohne sie könnte das Leben auf der Erde nicht existieren.

Doch wissen wir erstaunlich wenig über das Innenleben der kleinste und komplexesten Ökosysteme der Natur.

Mikrobiome haben viel um uns zu lehren. Lernen Sie, wie die Mitglieder des Mikrobiome miteinander interagieren, können Wissenschaftler entdecken Sie innovative grüne Chemie und lebensrettenden Arzneimitteln oder lernen Krankenhausinfektionen reduzieren, autoimmune-Erkrankungen zu kämpfen und ohne Düngemittel oder Pestizide anbauen.

Die Komplexität der Mikrobiome erschwert, mit herkömmlichen biochemischen Mitteln zu studieren. Nanowissenschaften bietet eine verschiedene und sich ergänzende Reihe von Tools, die verspricht, ein Fenster in diese verborgene Welt zu öffnen. [Der Nanotech-Blick auf das Mikrobiom]

Anfang dieses Monats, veranstaltete die Kavli Foundation ein Google Hangout mit zwei Führern in den aufstrebenden Anwendungen der Nanowissenschaften für das Studium Mikrobiome. Sie haben das Potenzial der natürlichen Biome, warum sie so schwer zu verstehen sind, und wie Nanoscience uns Microbiome Geheimnisse entschlüsseln helfen kann.

Das Gespräch waren:

Eoin Brodie, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Abteilung Ökologie am Lawrence Berkeley National Laboratory. Er war Teil der Mannschaft, die ein Gerät in der Lage Tausende von Bakterienarten, die in Mikrobiome gefunden Pionierarbeit geleistet und entwickelt derzeit Möglichkeiten, Daten aus vielen verschiedenen Arten von Mess-Tools in ein kohärenteres Bild von diesen Ökosystemen zu kombinieren.

Jack Gilbert ist ein principal Investigator in den Biowissenschaften Division des Argonne National Laboratory und Associate Professor für Ökologie und Evolution an der University of Chicago. Er hat die Mikrobiome der Krankenhäuser studiert und arbeitet an Möglichkeiten, um Nanostrukturen mit Bakterien verwenden, um Säuglinge, die immune-Krankheiten zu kämpfen.

Unten stehend finden Sie eine modifizierte Abschrift ihrer Diskussion. Bearbeitungen und Änderungen wurden von den Teilnehmern, gesprochene Kommentare, die während der live-Webcast zu klären. Um anzuzeigen und die Diskussion mit unveränderten Bemerkungen anhören, können Sie das original Video.

Die Kavli-Stiftung: Also fangen wir mit eine offensichtliche Frage, was genau ist ein Mikrobiom?

Eoin Brodie: Ein Microbiome ist eine Verbindung von Organismen in einem Ökosystem. Sie können das Ökosystem von Mikroben auf die gleiche Weise können, die Sie ein terrestrisches Ökosystem, wie einem tropischen Wald, eine Wiese, oder so etwas wie das denken, vorstellen. Es ist eine Verbindung von Organismen, die zusammenarbeiten, um die Funktion eines Systems aufrecht zu erhalten.

Jack Gilbert: Ja. In einem Microbiome kommen Bakterien, Archaeen (einzellige Organismen wie Bakterien), Viren, Pilze und andere Einzeller als Gemeinschaft, wie bei einer Bevölkerung von Menschen in einer Stadt zusammen. Diese unterschiedlichen Organismen und Arten spielen verschiedene Rollen. Zusammen bilden sie eine emergente Eigenschaft, etwas, die die ganze Gemeinde zusammen tut, um eine Reaktion oder eine Antwort in einer Umgebung zu erleichtern.

TKF: Wie komplex kann diese Mikrobiome? Sind sie wie tropische Wälder? Sind sie komplexer und weniger komplexen?

J.G.: Die Vielfalt der eukaryotischen Leben — alle lebenden Tiere und Pflanzen, die Sie sehen können – verblasst zur Bedeutungslosigkeit neben der Vielfalt der mikrobiellen Lebens. Diese Bakterien, diese Archaeen, diese Viren – sie sind schon auf der Erde seit 3,8 Milliarden Jahren. Sie sind so allgegenwärtig, sie haben jede einzelne Nische auf dem Planeten kolonisiert.

Sie prägte dieses Planeten. Der Grund, warum wir haben Sauerstoff in der Atmosphäre ist wegen der Mikroben. Bevor sie anfingen, photosynthetischen Licht in Biomasse, war die Atmosphäre vor allem von Kohlendioxid. Der Grund, warum die Pflanzen und Tiere auf der Erde existieren ist wegen der Bakterien. Die Vielfalt der Pflanzen und Tiere – alles, was heute ist, die Sie mit Ihren Augen sehen können – das ist ein Tropfen auf den sprichwörtlichen heißen der Vielfalt in der bakteriellen und mikrobiellen Welt enthalten. [Können Mikroben im Darm das Gehirn beeinflussen?]

E.B.: Neigen wir dazu, die Erde als einen menschlichen Planeten denken und dass wir die primäre Organismus oder der alpha Arten. Aber wir sind wirklich Passagiere, wir sind gerade Schlag-in auf einem mikrobiellen Planeten. Wir sind den letzten, aktuellen Ergänzungen.

TKF: Sie beide so poetisch über es einwachsen. Doch wissen wir so wenig über Mikrobiome. Warum ist es so schwer zu verstehen, was geht in diesen Ökosystemen?

E.B.: Jack entzog sich ihm. Das erste Problem ist, dass Mikrobiome sehr klein sind. Wir können sie nicht sehen, und es ist sehr schwer zu verstehen, wie Dinge funktionieren, wenn Sie sie nicht sehen können. So sind Werkzeuge erforderlich, um diese Organismen zu sehen sein.

Wir können ihnen auch nicht wachsen. Es ist sehr schwer, sie aus dem natürlichen Ökosystem ins Labor zur Untersuchung zu bringen. Wahrscheinlich weniger als ein Prozent, je nach dem Ökosystem können tatsächlich auf Wachstumsmedien im Labor kultiviert werden, damit wir Experimente machen und verstehen, welche Funktionen sie ausüben können. Das lässt 99 Prozent – die überwiegende Mehrheit der Mikroben auf der Erde und die meisten ihrer Ökosysteme – unbekannt für uns, abgesehen von ihren DNA-Signaturen und dergleichen.

Nun hat Jack DNA-Analysen Pionierarbeit geleistet. Betrachtet man die DNA-Signaturen aus diesen Umgebungen, gibt es diese neue Organismen, neue Proteine und neue Funktionen, denen wir nie zuvor gesehen haben. Dies ist der Erde mikrobielle dunkle Materie genannt worden. Ebenso wie dunkle Materie und Energie im Universum, dies ist uns nicht bekannt gewesen, aber es ist sehr wichtig wenn Planeten – und Menschen – sind weiterhin funktioniert.

TKF: also, was macht es so schwer, diese Mikroben in einer Petrischale wachsen?

E.B.: Sie sind sehr wählerisch. Sie können es auf diese Weise vorstellen. Sie wollen nicht das Essen, das wir ihnen in vielen Fällen geben. Sie essen, was wir nicht wissen, dass sie essen können. Sie atmen, was wir nicht wissen, dass sie atmen können.

Wir atmen Sauerstoff, sie atmen Sauerstoff, sondern sie auch atmen, Nitrat, Eisen, Schwefel, sogar Kohlendioxid. Es ist sehr schwierig, immer die richtige Konzentration und Kombinationen von was sie essen und atmen.

In einigen Fällen auch wenn Sie darauf arbeiten können es möglicherweise etwas, das sie von einem anderen Mitglied des Ökosystems zu erhalten müssen. Das Mitglied kann ein essentieller Nährstoff oder ein Kofaktor für sie wachsen liefern.

Also ist alle möglichen Permutationen und Kombinationen extrem schwierig. Eine Menge Leute arbeiten daran, und gibt es eine Menge Know-how in dies umgesetzt, aber es ist äußerst schwierig und kompliziert.

J.g.:& das ist ein interessanter Punkt. Ich vergleiche es mit einem Bäcker. Wissen Sie, wenn Sie einen Bäcker in einer menschlichen Gemeinschaft, der Bäcker braucht jemanden, der das Mehl machen kann, jemanden, der ein bisschen Hefe bieten kann und jemanden, der das Brot zu kaufen. Sie existieren als ein Netzwerk von Personen, die in einer Gemeinschaft leben.

Nehmen Sie den Bäcker aus der Gemeinschaft, er oder sie nicht das Brot machen und so sind sie nicht mehr ein Bäcker. Entfernen einer Mikrobe aus seiner Gemeinde, verringert die Wahrscheinlichkeit, die es werden die Rollen und Aufgaben, die es in dieser Umgebung durchführen.

So ist es fast wie Sie nicht wollen versuchen und wachsen diese Dinge isoliert. Da beim Isolieren sie erleichtert unsere Arbeit als Mikrobiologe, ist es auch viel schwieriger zu verstehen, was sie tatsächlich tun in dem sie leben, in den Umgebungen. Wir herausfinden nicht, dass Sie isoliert, weil sie Gemeinschaft Spieler sind.

TKF: Was sind einige der Werkzeuge, mit denen wir heute Mikrobiome anschauen? Gibt es ein Stand der Technik?

J.G.: Ich nehme an, dass. Ich meine, das ist ein sehr dynamisch entwickelnden Gebiet. Es ist kein Feld, wo jeder scheint auf ihren Lorbeeren ausruhen.

Um Mikroben zu verstehen, haben wir eine Reihe von Werkzeugen, die uns zur Verfügung stehen. Eines dieser Tools ist Genomik, so können wir das Genom der Bakterien, Archaeen, Viren und Pilze, sequenzieren, wie wir es für das menschliche Genom getan habe.

Das zweite ist das Transkriptom, die RNA, eine vorübergehende Molekül, die die Zelle anschaut durch die Übersetzung, was im Genom in Proteine ist erstellt. Das ist nützlich, weil es uns sagt, welche Gene aktiviert oder deaktiviert werden sind wenn wir diese Mikroben unter verschiedenen Bedingungen setzen.

Dann haben wir das Proteom, die Proteine, die eigentlich die Zelle ausmachen. Sie sind Enzyme, die den Organismus zur Interaktion mit seiner Umwelt, seine Nahrung, aufatmen, Kohlendioxid, Sauerstoff und Eisen, und so weiter zu konsumieren zu ermöglichen.

Dann haben Sie das Metabolom die metabolische Moleküle lebenden Organismen als Nahrung zu konsumieren und produzieren als Abfallprodukte.

Das Genom, Transkriptom, Proteom und Metabolom sind vier der Werkzeuge in unserem Werkzeugkasten, mit denen wir eigentlich die mikrobiellen Welt zu untersuchen. Aber sie sind beileibe nicht die Grenze von unseren Werkzeugen oder unsere Ziele. Wir haben Ambitionen weit über die Prüfung nur jene Komponenten. Entwickelt Eoin sich einige davon, und vielleicht wollen Eoin, Sie jetzt springen?

E.B.: Ja, würde ich hinzufügen. Die Herausforderung der Mikrobiom und sogar einzelne Mikroben zu verstehen ist, dass sie so klein sind. Sie sind kompliziert und klein, so das Verständnis ihrer Tätigkeit – ihre Transkriptom oder Proteine oder Metaboliten — bei der Maßstab, an dem sie vorhanden sind, ist extrem schwierig.

Alle Technologien, die Jack erwähnt werden mit größeren Organismen im Verstand entwickelt. Skalieren ist mit der Größe von Mikroben, aber dann erhöht den Durchsatz zur Bewältigung der Komplexität von Mikroben, eine riesige, riesige Herausforderung.

Ich gebe Ihnen ein Beispiel. Betrachtet man die Aktivität eines Ökosystems, sagen einem tropischen Wald, Sie Blick auf die Verteilung von Bäumen und Tieren, und die Assoziation zwischen der Vegetation und Tiere suchen.

So wenn Sie Insekten verstehen wollen, haben Sie einen Platz im Auge. Sie denken, "Das in der Nähe dieses lebt." Es wirkt in diesem Bereich." Es gibt also eine Interaktion, einen grundlegenden Zusammenhang zwischen jenen Mitgliedern des Ökosystems.

Die Art und Weise, in der Regel schauten wir Mikrobiome – obwohl dies nun ändern wird – war es, bis die ganze Gesamtstruktur in einem Mixer pürieren. Dann würden wir alle der DNA-Sequenz und schauen Sie sich die RNA und Proteine und die Metaboliten.

Dann versuchen wir, gehen Sie zurück und sagen: "dieser Baum ist Interaktion mit diesem Insekt." In der Erwägung, dass dieser Baum ist in Wirklichkeit Hunderte oder Tausende von Kilometern entfernt von das Insekt, und sie sehen einander nie.

Das ist das Problem, das wir in das Mikrobiom haben. Wenn wir up diese Organismen Mash zu betrachten ihre DNA, RNA, Proteinen und Metaboliten, befreien wir die räumliche Struktur und ihrer Verbände. Und wir verlieren die Bedeutung des Raums in Bezug auf die Interaktionen zu erleichtern. [Der Nanotech-Blick auf das Mikrobiom (Kavli Roundtable)]

Also, wirklich, ich glaube, die nächste Welle im Microbiome Forschung hat diese mikrobielle Aktivität und Interaktionen auf der Skala der Mikrobe. Sehen sie einander? Interagieren sie und wie interagieren sie? Welche Chemikalien tauschen sie, und unter welchen Bedingungen? Ich denke, das ist die eigentliche Herausforderung. Das ist, warum wir reden an die Kavli-Stiftung, weil hier kommt wo Nanowissenschaften.

TKF: Dies ist eine ausgezeichnete Übergang zu meiner nächsten Frage: wie verwenden wir Nanoscience Mikrobiome kennenlernen? Zum Beispiel können wir einige der gleichen nanoskaligen Sonden wir entwickeln um das Gehirn zu sagen zu studieren, Mikrobiome in das Meer oder den Boden untersuchen?

E.B.: Ich denke, es gibt einige interessanten parallelen. Ich meine, können Sie als dieses äußerst komplizierten Netz von Neuronen des Gehirns vorstellen. Die Gehirn-Initiative versucht, diese Neuronen abzubilden und um ihre Aktivität zu folgen.

Ebenso ist das Mikrobiom ein Netzwerk interagierender Organismen, die auf aktivieren und deaktivieren. Die Anschlüsse und die Struktur dieses Netzes sind extrem wichtig für das Funktionieren des Systems, so wie es ist für das Funktionieren des Gehirns.

Für die Gehirn-Initiative Menschen kamen zusammen und sagte: "Gut was wir tun müssen um elektrische Ladung und elektrische Durchströmung Neuronen, nicht-invasiv und in Echtzeit zu betrachten?" Und sie kamen mit einigen Technologien, die potenziell können tun Fernerkundung in sehr kleinem Maßstab, und beobachten, wie sich das System nicht-invasiv ändert.

Also, ein Ansatz zum Verständnis des Gehirns ist, externe Bildgebung zu verwenden, und ein anderer Ansatz ist das Einbetten von Sensoren.

In der Gehirn-Initiative einige Sensoren entstehen, hier am Berkeley Lab und anderswo, mit dem RFID-Radiofrequenz Identität – Technologie. Sie sind ähnlich wie Tags verwendet, Versandbehälter, waren in Kaufhäusern und Dinge wie das zu verfolgen. Sie übermitteln Informationen und Energie von Funkfrequenzen, ernten, so dass sie autonomen Geräten. Ich denke, dass die Herausforderung, dass die Technologie nun Sensoren Kupplung ist, die etwas in der Umgebung zu überwachen und senden diese Informationen selbstständig – keine Batterien erforderlich-Empfängern. Dann, wenn diese Sensoren auf intelligente Weise verteilt werden, können ebenso wie mit GPS, Sie triangulieren woher diese Informationen stammen.

Wie können Sie dies um zu einem Mikrobiom zu verstehen? Darüber hinaus sind die Sensoren, die entwickelt werden noch verhältnismäßig großen Skala, etwa einen Quadratmillimeter groß. Das ist für uns ziemlich klein, aber sehr groß für eine Mikrobe.

So können Sie im Boden darüber denken. Angenommen, wir wollen verstehen, was passiert, wenn eine Wurzel durch Boden wächst. Die Wurzel regt Mikroben, und gibt es zehn Mal mehr Mikroben in der Nähe der Wurzel als Weg von der Wurzel im Boden vorhanden sind. Sie alle haben verschiedene Chemikalien und verschiedene Funktionen, die sehr wichtig für die Ernährung und die Gesundheit der Pflanze.

Wenn Sie sehr kleine Sensoren im Boden verteilen und haben sie Dinge wie Kohlenstoff aus Wurzeln oder Sauerstoff verbraucht durch Mikroben zu spüren, dann ein drei man kann dimensionales Bild wie den Boden Microbiome ist geändert und verändert, wie eine Wurzel durch den Boden bewegt. Das ist ein Beispiel dafür, wie Fortschritte in anderen Bereichen, angetrieben durch Nanotechnologie, um Microbiome angewendet werden könnte.

TKF: Diese RFID-Sensoren würde auf Halbleiter-Chips, richtige beruhen? So könnte man einen Wafer zu nehmen, eine Menge von ihnen billig machen, im Boden verteilen und erhalten Sie ein Bild erhalten Sie konnte nicht anders?

E.B.: Ja. Es ist ein aufstrebendes Gebiet namens vorausschauende Landwirtschaft. Es ist wie personalisierte Landwirtschaft, wo Dünger Zusatz, zum Beispiel in einem Feld nicht einheitlich durchgeführt würde. Stattdessen würden Sie den Dünger liefern, wo es gebraucht. Das Operationsfeld würde genau da, wo es gebraucht wird. So haben Sie dieses massive Netzwerk verteilten autonomen Sensoren, und würde uns erlauben, eine effizientere Verwendung von Dünger. Dann würde nicht es ausgelaugt oder aus dem System, und Ursache Wasserverschmutzung und Dinge wie das verloren. Diese Beispiele sind nicht auf eine mikrobielle Skala, aber mikrobielle Prozesse zu steuern, die Verfügbarkeit und Aufnahme diese Düngemittel.

TKF: Danke. Halt, die gedacht und wir werden in wenigen Augenblicken zurückkommen. In der Zwischenzeit hat Jack studiert Mikrobiome in ein neues Krankenhaus zu sehen, wie sie sich entwickeln und beeinflussen die Ausbreitung der Krankheit. Könnten Sie uns sagen, was du tust und wie Nanotechnologie könnte helfen?

J.G.: Ja. Die Mikroben, die in einem Krankenhaus gibt es seit ein paar hundert Jahren ein Schwerpunkt von Klinikern und Forschern in der Medizin. Seitdem wir entdeckt, dass Bakterien könnte tatsächlich Krankheit verursacht werden, haben wir versucht, als viel mikrobielles Leben wie möglich zu beseitigen.

Dieses Paradigma verlagert wo wir mehr daran interessiert sind, versuchen zu verstehen, wie Bakteriengemeinschaften in einem Krankenhaus, kann erleichtern die Ausbreitung von Krankheiten und Antibiotika-Resistenz und vielleicht auch Gesundheitsförderung.

Wir habe gehen in Krankenhäuser und mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung erkunden ihre bakteriellen Gemeinschaften wie im Laufe der Zeit ändern. Also, mit Blick auf einer Skala von Stunden bis Tagen, wir versuchen zu verstehen, wie – wenn ein Patient bewegt sich in einen neuen Raum zu einer Operation oder einem Eingriff unterziehen – die Mikroben, die bereits in diesem Raum beeinflussen das Ergebnis des Aufenthalts der Patienten im Krankenhaus. Wir wollen wissen, ob es ihnen weder gesünder noch kränker macht.

Also haben wir die Mikroben auf diese sehr feinsten Schuppen Katalogisierung wurden. Und was wir sehen, ist ein Austausch zwischen den Bakterien im Zimmer und in den Körper des Patienten.

Aber wir haben auch entdeckt, dass die überwiegende Mehrheit der Bakterien, die wir normalerweise mit sogenannten assoziieren würde krankenhausbedingten Infektionen – Krankheitserreger, die dachten wir Menschen zu erwerben, während Krankenhaus bleibt — scheinen Bakterien sein, die Patienten in das Krankenhaus selbst gebracht. Sie sind Bakterien, die wir in uns haben.

Denken Sie daran, dass wir 100 Billionen Bakterien leben in uns haben. Sie wiegen etwa zwei Pfund, ungefähr das gleiche wie das Gehirn. Also wenn Sie denken, dass die Gehirn Initiative wichtig ist, würde nun, vielleicht eine Mikrobiom-Initiative auch wichtig sein, denn es ungefähr das gleiche wie das Gehirn wiegt.

Human Microbiome hat eine Menge von Spielern. Die meisten von ihnen sind freundlich zu uns, aber sie können uns zu schalten. Ich vergleiche dies zu einem Aufstand in der Stadt verbreiten. Wissen Sie, nehmen Sie Dinge weg von den Menschen, sie werden in der Regel aufstehen und versuchen, genau das, was zu stürzen, das sie in erster Linie unterstützt wurde.

Mikroben sind die gleiche Weise. Wir geben ein Krankenhaus Patienten Antibiotika und Strahlentherapie zur Abtötung von Bakterien. Dann wir seinen Darm aufschneiden und setzen die Bakterien Sauerstoff, den sie nicht mögen, und Nähen Sie den Darm wieder nach oben. Wenn wir die Bakterien betrachten, sehen wir, dass zuvor freundliche Bakterien zu randalieren begonnen haben. Sie haben so viele Male durch Behandlung des Patienten beleidigt worden, dass sie sich entschieden haben, dass sie genug gehabt haben. Dann gehen sie und Angriff der Gastgeber um die Ressourcen wieder dem Weg von ihnen getroffen werden.

Dies ist sehr wichtig. Verständnis des Patienten Krankenhausaufenthalt aus den Mikroben Perspektive hilft uns, bessere Möglichkeiten Patienten zu behandeln und verringern die Wahrscheinlichkeit, die die Mikroben in uns rebellieren werden zu gestalten, anzugreifen Sie uns, und machen Sie uns krank.

Nanotechnologie hilft uns, eine feinere Skala von visuellen Auflösung zu erreichen, damit wir sehen können, wann genau während eines chirurgischen Eingriffs Bakterien gehen Schurken und starten zum Angriff der Gastgeber und die molekularen Mechanismen, die diesem Verhalten zugrunde liegen.

Wir haben ein großartiges Beispiel dafür, das wir durch die Platzierung von nanoskaligen molekularen Biosensoren im Darm gefunden. Er misst Phosphatgehalt. Phosphat ist ein wichtiges Molekül, das verwendet wird, um die DNA und Proteine in unserem Körper und in den Zellen dieser Bakterien zu schaffen.

Wenn der Phosphatgehalt unter eine bestimmte Schwelle sinkt, schalten die Mikroben einen Mechanismus, um Phosphat aus ihrer Umgebung zu erwerben. Und wo ist die beste Quelle von Phosphat? Es ist in der Darmschleimhaut ihres Wirtes. Sie Wandern in den Darm und beginnen zu brechen, die menschlichen Zellen. Wir erleben, als mehrere Pathogene Infektion, die oft uns tötet.

Weil wir diesen Prozess verstehen, entwickeln wir Mechanismen um Phosphat genau zum richtigen Zeitpunkt während der Operation zu verhindern, dass diese Bakterien jemals erlebt, dass Phosphat-Abbau freizugeben. Um diese Mikro-Phosphat-Releases zu tun, wir entwickeln Nanotech Gerüste um Phosphat zu halten, und platzieren sie in den Darm während der Operation. Dies wird die Wahrscheinlichkeit verringern, dass Mikroben Pathogene werden.

TKF: Ist nicht nur so interessant, aber es führt eine unserer Zuschauer Fragen, ob wir Mikrobiome können so einstellen, dass sie Krankheiten und anderen menschlichen Bedingungen ausrichten können. Können sie nur die Anpassung Säure oder Phosphat Niveaus hinausgehen und etwas aggressiver tun?

J.G.: Ja. Bei der Behandlung von chronischen Infektionen durch Bakterien Clostridium Difficile ist der Fall, wo wir den besten Erfolg gehabt haben. C. Diff-Infektionen sind chronische Magen-Darm-Infektionen. Unsere Behandlungen verwenden eine Schrotflinte Ansatz. Wir nehmen die Bakterien von einer gesunden Person und verpflanzen sie in jemand mit einer chronischen C. Diff-Infektion. Das hat C. Diff Infektion überschrieben und der Patient Darm eine gesunde Microbiome gegründet, so dass er oder sie nicht mehr krank ist.

Die Chinesen haben dies vor etwa 2.000 bis 3.000 Jahren. Sie nannten es gelbe Suppe, und sie gefüttert des Hockers aus einem gesunden Menschen zu einer Kranken Person, und die Kranken gesund gemacht. Wir wiederentdeckt nur dabei und wir sind jetzt in einer weiteren klinischen Einstellung anwenden.

Bisher ist es ein sehr ungezielte Ansatz. Wir versuchen mit unserer Forschung Arm, amerikanischen Mut und Programme im Zusammenhang mit Autismus, Alzheimer und Parkinson zu tun ist, bestimmte bakterielle Community-Mitglieder zu identifizieren, die entweder abwesend oder verwilderten bei Patienten. Dann wir untersuchen wollen, wie diese anzupassen — vielleicht wir implantieren fehlt oder klopfen eine Rückseite, die übermäßig angebaut werden, um diese Person gesünder ist.

E.B.: Ich möchte noch etwas hinzufügen. Es ist eine interessante Analogie, glaube ich, an das, was wir für C. Diff tun — fäkale Transplantationen — und Restaurierung Ökologie. Das ist, wo Sie eine invasive Pflanzenarten auszusondern und anderen Pflanzenarten, dass invasive Pflanzenarten out zu konkurrieren. Es ist die genaue Vorgehensweise, so die gleichen ökologischen Prinzipien und ökologische Theorie, die in der Restaurierung Ökologie verwendet wird in der Medizin verwendet werden können. In einigen Fällen kann es nicht so einfach wie ein Organismus entfernen oder Hinzufügen von ein oder zwei andere Organismen werden. Es könnte sein, eine Community-Funktion, wo wir eigentlich brauchen, diese Komplexität zu den Organismus out konkurrieren, der die Krankheit verursacht.

J.G.: Das ist ein wirklich interessanter Punkt. Eoin und ich sind mikrobielle Ökologe in unserem Innersten. Ich begann in der marine mikrobiellen Ökologie, und jetzt arbeite ich in Böden, Pflanzen, Menschen und Krankheit. Eoin tut das gleiche. Und wir beide können die ökologischen Grundsätzen von Mikroben an jede Umgebung anwenden, weil Mikroben überall sind.

TKF: Gut. Also, Eoin, haben wir zwei Fragen für Sie von unserem Publikum. Die erste betrifft die Landwirtschaft. Ein Zuschauer wollen wissen ob Nanoscience helfen uns Mikrobiome auf Art und Weise verändern, die sich ändern wie wir züchten, düngen, und Pflanzen vor Schädlingen schützen?

E.B.: Das ist eine gute Frage, und ich denke wirklich rechtzeitig eine sowie. Die Weltbevölkerung beträgt 7 Milliarden, nach neun, und dann 11 Milliarden. Wir gehen zur Neige, Dünger, werden wir nicht mehr genügend Platz, um Nahrungsmittel anzubauen, und wir laufen aus Wasser – wir sind in einer schweren Dürre in Kalifornien. Dies sind unsere Herausforderungen, Ernährung der Weltbevölkerung und Brennstoff für eine Weltbevölkerung.

Die Dinge Mikroben und Nanotechnologie können vor allem umkreisen Verbesserung der Resistenz der Pflanzen gegenüber Belastungen, wie zum Beispiel Trockenheit. Mikroben helfen Pflanzen Wasser erwerben. Mykorrhizapilze können beispielsweise erhöhen das Wurzelsystem, verbessern seine Toleranz gegenüber Trockenheit und Verbesserung der Ernährung.

Wir können auch Bakterien identifizieren, die Dünger in oder in der Nähe der Anlage produzieren können. So können Bakterien, die Stickstoff aus der Atmosphäre zu nehmen und Stickstoff können möglicherweise die Verwendung von Stickstoff-Dünger, die braucht viel Energie und verursacht eine Menge Umweltverschmutzung zur Herstellung ausgeglichen.

Bakterien können auch wichtige Mineralien aus dem Boden abbauen. Wir haben Bakterien wachsen mit den Pflanzen, die erwerben Phosphor, wie Jack schon sagte. Wir können Bakterien, so dass sie mehr Phosphor mir als sie brauchen und liefern, die für die Pflanze.

All diese Dinge würden unsere Abhängigkeit von Bergbau Phosphor aus Streifen Minen oder mit fünf Prozent unserer Welt Energie Produkt Stickstoff-Dünger reduzieren. Ich denke, es ist eine große Herausforderung.

Nanotechnologie, wie ich bereits erwähnt, kann verwendet werden, charakterisieren diese Organismen zu verstehen wie sie funktionieren. Wir bauen auch Sensor-Systeme zu identifizieren, wenn Nährstoffe Wachstum beschränken. Also anstatt zu Nährstoffen und Dünger auf eine sehr ineffiziente Weise verbreiten, können wir es auf eine sehr gezielte, spezifische und viel nachhaltiger Weise verwenden.

TKF: Können wir einen Schritt darüber hinaus, und vielleicht Mikrobiome verwenden, um Schädlinge zu kontrollieren?

E.B.: Eigentlich ist das für eine lange Zeit getan. Wie Sie wissen, gibt es GVO-Pflanzen gibt, die Gene von Mikroben genommen haben, die verwendet werden, um Insekten zu töten. Dies könnte in einer natürlichen Weise, als auch beispielsweise erfolgen durch diese Bakterien mit den Pflanzen wächst und potenziell Hemmung Insekten aus Weiden und ernähren sich von Pflanzen. Wir können viel von der Natur lernen. Natur hat bereits diese Strategien zur Schädlingsbekämpfung entwickelt, und wir können lernen, unser Schutz mehr, kontrollierbar und intelligente Weise zu gestalten.

TKF: Aus einem Viewer eine andere Frage: ist es möglich, eine künstliche Microbiome Gemeinschaft eine bestimmte Aufgabe zu tun?

J.G.: Ja. Wir haben tatsächlich gearbeitet in diesem Bereich versuchen, nennen wir eine einfache minimalste Community zu erstellen. Dies ist eine Gemeinschaft von Organismen, die eine Aufgabe, wie das Erstellen von Acetat oder Erzeugung von Wasserstoff oder Butanol als potentielle Quelle für Biokraftstoff ausführt. Also schauen wir auf Mikroben, die wachsen auf der Oberfläche der Kathoden, und rohe Elektronen aus den Kathoden und mit einer CO2-Quelle, wie z. B. blaue Gas aus einer Fabrik zu integrieren. Wir wollen eine Gemeinschaft zu schaffen, die den Stoffwechsel auf ein gesetztes Ziel antreibt.

Das dauert einen mathematische Modellierungsansatz. Also metabolische Modellierung, versucht, in einem Computer zu synthetisieren, wie diese Mikroben zu interagieren, um ein bestimmtes Produkt zu lösen. Also, in diesem Sinne benötigen Sie Nanotechnologie der metabolischen Beziehungen zwischen den Organismen zu spüren, so dass Sie diese Gemeinschaft zur Herstellung eines bestimmten Produkts entwickeln können. Das wird sehr wichtig sein, Biotechnologie Ergebnisse zu erzielen.

E.B.: Eigentlich habe ich diese Frage auf den Kopf stellen. Ich möchte eine natürliche mikrobielle Gemeinschaft zu nehmen und es etwas zu tun, in bestimmten Fällen zu stoppen.

Lassen Sie uns sagen, zum Beispiel hast du Vieh Vieh. Sie sind eine bedeutende Quelle für globale Methan, das zur globalen Erwärmung beiträgt. Teil davon ist wegen ihrer Ernährung, die eine überschüssige Energie zur Verfügung zu stellen. Dass führt zu erhöhte Wasserstoff, die Ergebnisse in eine Menge von Methan und Kühe viel Methan freisetzen.

So konnten wir gehen und verwenden gezielte synthetische Biologie oder chemischen Interferenzen Ansätze, um die Produktion von Methan zu stoppen? Um das Gleichgewicht der Pansen der Kuh, die Kuh Darm mikrobiellen Ökosystems zu verändern? Wir konnten nicht nur Methan-Produktion hemmen, sondern Verbesserung der Ernährung des Tieres, denn es Mikroben, die den Fluss der Energie aus der Nahrung für das Tier zu steuern, die es frisst.

Es ist ein kompliziertes Ökosystem, aber speziell tweaking es zum Wohle des Tieres und der Nutzen des Planeten, ist eine interessante Herausforderung und es gibt Menschen, die daran arbeiten.

J.G.: Ich würde gerne das genaue System und wendet es auf Kohle, damit mehr Methan, die wir dann erfassen können und Pumpe in den Häusern der Menschen als Biokraftstoff.

TKF: Interessante Gedanken. Ich habe noch eine Frage von einem Betrachter und Jack, ich glaube, du bist derjenige, der diese Frage beantworten. Sie hat der experimentelle Behandlungen, bei denen Menschen mit Autismus Gesundheit Darmbakterien implantiert. Warum könnte das funktionieren? Und das wird etwas, das wir bald sehen?

J.G.: Die Bakterien in unserem Darm haben Auswirkungen auf die neurologische Verhalten – wie wir uns Verhalten – durch unser Immunsystem. Sie lösen eine bestimmte Immunantwort in unserem Darm, die feeds zurück auf unser Nervensystem, eine bestimmtes Merkmal Verhalten in unserem Gehirn zu schaffen.

Wir haben dies in Tiermodellen für eine Reihe von Jahren bekannt. Wir gerade erst anfangen zu verstehen, inwieweit welche neurologischen Krankheiten wie Autismus, Parkinson und Erkrankungen wie Alzheimer, zu einer Störung in der Bakteriengemeinschaft in jemandes Darm zurückzuführen sind.

Es wurden mehrere Experimente mit einer sehr geringen Anzahl von Kinder. In mehreren Fällen in Südamerika und in Australien hatten die Kinder eine fäkale Mikrobiom zu verpflanzen, eine gesunde mikrobiellen Gemeinschaft in ihren eigenen Darm implantiert.

Die Ergebnisse sind variabel, und nicht gerade etwas, das Sie zu Hause ausprobieren möchten. Aber sie andeuten, in einigen Fällen von einem positiven Ergebnis wo neurologische Erkrankung des Kindes vermindert oder deutlich reduziert.

Es gibt Gruppen an der Cal Tech generieren Probiotika, bestimmte Bakterienarten, die sie hoffentlich zum Hinzufügen der Ernährung eines Kindes oder legen Sie in eine Kapsel, die verschluckt werden können. Sie scheinen einen Vorteil bei der Verringerung der neurologischen Auffälligkeiten Zusammenhang mit Autismus, seien sie noch in ihren Anfängen haben.

TKF: , Führt zu einer anderen Frage, ich wollte dich fragen. Jack, Sie arbeiten auch an Kapselung von Mikrobiome in einer Art von Nanostrukturen und deren Anwendung auf Wohnungen oder Büros. Ihre Hoffnung ist, dass diese Biome Menschen Mikrobiome ausgesetzt werden, die ihr Immunsystem entwickeln Resistenz gegen diese neurologischen Problemen helfen. Kannst du uns darüber erzählen?

J.G.: Ja, arbeiten wir im Moment an Tiermodellen. Stellen Sie sich vor, neu zu Strukturen, denen diesen Tieren interagieren können. Stellen Sie sich vor, dass ich Sie ein Gebäude errichten, die biologisch lebendig war, wo die Wände absichtlich wimmelt es von einer gesunden mikrobiellen Gemeinschaft waren.

Nun, wir haben nur eine sehr begrenzte Vorstellung was gesundes Mittel, aber im Wesentlichen, was wir tun ist Strukturen zu schaffen, druckbare 3D-Strukturen, imprägniert mit bestimmten Nährstoffen. Wir arbeiten mit Ramille Shah an der Northwestern University, eine 3D-Struktur zu schaffen, die diese Bakteriengemeinschaft gedeihen können.

Diese Strukturen können wir dann in eine Maus Käfig einführen. Die Bakterien die 3D-Oberfläche zugeordnet werden kolonisieren, Maus und reduziert bestimmte Anomalien, die wir in dieser Maus, z. B. eine Allergie-Reaktion zu sehen. Also wir Bakterien die produzieren kann, eine Chemikalie, die einmal in den Darm der Maus veröffentlicht zugenommen haben, wird eine Kolonie zu bilden und verringern die Wahrscheinlichkeit, dass Maus mit einer Nahrungsmittelallergie.

Ich arbeite auch mit Cathy Nagler an der University of Chicago. Wir hoffen, zu beweisen, dass wir nicht, Pumpe Kinder voll von Probiotika haben. Stattdessen können wir nur umgestalten Häuser, Schulen und vielleicht Kindertagesstätten, so dass Kinder erhalten eine entsprechende mikrobielle Exposition, die Spiegel würde wie sie aufgewachsen sind würde, wären sie in einem natürlichen Ökosystem. Hoffentlich wird die Zukunft der Architektur.

E.B.: Und wisst ihr, als eine mögliche Alternative, wir schicken unsere Kinder außerhalb mehr zu spielen.

J.G.: Du hast es.

E.B.: Nicht schlecht.

Alle Experten stimmen Fragen und Debatten zu folgen – und werden Sie Teil der Diskussion – auf Facebook, Twitter und Google +. Die Meinungen sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Meinung des Herausgebers. Diese Version des Artikels erschien ursprünglich am Leben Wissenschaft.

Verwandte Artikel

Wie Diamant-reichen Magmen aus den Tiefen der Erde steigen

Diamant-beladenen Magmen offenbar ansteigen rapide aus den Tiefen der Erde an der Oberfläche des Planeten durch Ablassen Eigengewicht Wissenschaftler finden jetzt. Magmen Kimberliten genannt haben die tiefsten Ursprung aller Magmen auf der Erde. Obwohl Ki...

Entsperren der Haustür von überall auf der Erde mit der Kwikset Kevo Plus

Entriegelung der Haustür von einer Smartphone-app ist keine sonderlich neue Idee, können Sie auch elektronisch senden Schlüssel zu Personen, die Sie wollen, haben Zugang zu Ihnen nach Hause, während Sie unterwegs sind. Aber Kwikset wird aktualisiert seine...

Hawaii Volcanoes: Wie größten Stapel von Pfannkuchen auf der Erde

Der größte aktive Vulkan der Welt einen hoch aufragenden Stapel von Lava Schichten über 1 Million Jahre festgelegt ist, findet eine neue Studie. Die Forschung kann helfen lösen eine langjährige Debatte über wie Vulkaninseln Hawaiis gebildet. Der Studie zu...

Wie war die erste Klumpen von Plutonium auf der Erde vergessen und wiedergefunden

Vor ein paar Jahren war die erste Klumpen von Plutonium-Wissenschaftler, die jemals auf der Erde gemacht aus Display in Berkeleys Lawrence Hall of Science entfernt und dann vergessen. Berkeley Physiker denken, dass sie es wieder – zum Glück vor haben endl...

7 Dinge, die Ihr Mann lernen von Juan Pablo, der neue Bachelor

Jeden Montag Abend ich bin geklebt zu meinem TV-Bildschirm beobachten, wie Juan Pablo Romanzen die Damen auf The Bachelor. Ich Tweete jedes Datum und emotionalen Zusammenbruch. Ich Oh und ah an die Größe des ganzen. Juan Pablo zieht aus Hubschrauberf...

Leben gedeiht überraschend in der Nähe von tiefsten Punkt der Erde

Leben findet einen Weg, selbst bei völliger Dunkelheit in der Nähe der tiefsten bekannten Teil des Ozeans, entsprechend der neuen Forschung. Wissenschaftler haben entdeckt, Felder von Knochen-weißen Muscheln Clusterbildung in der Nähe von hydrotherma...

Australische Felsen zeigen frühe Anzeichen von Leben auf der Erde

Für die durchschnittliche Sonnenanbeter sind sie nur Zeilen mit undeutlichen braunen Felsen, die aus dem Meer in Westaustralien zu stoßen. Aber Wissenschaftler glauben jetzt, dass diese Klumpen einen grundlegenden Platz in der Geschichte des Planeten habe...

Die letzte Spur von Menschen auf der Erde werden die Löcher, die wir ausgegraben

Wenn die meisten von uns denken, was Menschen hinterlassen werden, wenn wir gehen, stellen wir uns Skelett Gebäude oder giftige Deponien. Aber laut einigen Geologen ist die langlebigste Einfluss wir auf der Erde haben eigentlich unter unseren Füßen – in F...

Ben und Jen müde von den Augen der Öffentlichkeit?

Violet Affleck Preschool ist ziemlich abgehakt, gut, nicht der Kindergarten selbst, aber die anderen Eltern. Sie sind müde von den Paparazzi, die versuchen, ihr Geld gedreht, sei es von Violet Affleck "oder" True Daisy, Meg Ryans Tochter Straßen...

Zurück von den Toten: der Fotograf Forensik in Porträts zu verwandeln

Arne Svenson jahrelang über Amerika und Mexiko fotografieren forensische Rekonstruktionen von namenlosen Opfer Gesichter Am 25. Februar 1988 stolpert ein Junge spielt Fußball mit seinen Freunden in der Nähe von Philadelphias Central High School eine zerle...

Eine Retro-futuristische Uhr hin-und hergerissen von den Seiten der Science Fiction

Angeblich inspiriert und Namensgeber der Raumstation in der Star Trek-Serie Deep Space Ninevorgestellt, dauerte Vianney Halter Deep Space Tourbillon Uhr mehrere Jahre zu entwerfen und zu bauen. Aber von den Blicken von ihm, dass Zahl näher an ein hal...

Blues-Größen auftauchen wieder, von den Seiten der Geschichte

1963/1964: Nummer 23 in unserer Serie der 50 wichtigsten Ereignisse in der Geschichte der Welt und Volksmusik Anfang 1963 fand eine Ostküste Gitarrenspieler und Fan des namens Tom Hoskins Blues sich brütete über einen alten Autoatlas, auf der Suche n...

Eine objektive Bewertung der "Zehn" (von den Machern der "Zehn")

Wir haben schriftlich unsere wöchentliche Kolumne der Film-Beitrag für CRACKED seit mehr als zwanzig Jahren ohne einen Schluckauf, aber diese Woche präsentiert uns mit Situation, die am besten werden beschrieben als "eine echte Gurke." Auf unser...

Neue Prisma Dia-Shows NSA unter Daten direkt von den Servern der Firma

Es wurde viel spekuliert, dass vielleicht Prisma Daten direkt von privaten Unternehmens-Servern nicht, und daß die Dementis gehört Sie sorgfältig formuliert, nur den direkten Zugriff verweigert. Nach dieser neuen Prisma-Folie aus The Guardian haben die NS...