Die Nanotech-Blick auf das Mikrobiom (Kavli Roundtable)

Alan Brown, Autor und Redakteur für die Kavli Foundation, bearbeitet diese Roundtable for Live Science Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Mikrobiome-Gemeinschaften von Mikroorganismen – gibt es fast überall aus dem Boden und Sediment unter Meeren, Flüssen und Seen zu den Landschaften des menschlichen Körpers. Sie sind allgegenwärtig, Vermittlung der Interaktionen von Pflanzen und Tieren mit ihrer Umgebung, und doch wissen wir sehr wenig über sie.

Kavli Spotlight, eine Reihe von Podiumsdiskussionen und live Internet-Events, hat zuvor abgedeckt, wie human Microbiome Entwicklung des Gehirns beeinflusst, und wie das Studium der natürlichen Mikrobiome die Suche nach außerirdischem Leben treibt. Unsere neuesten Roundtable sieht die Rolle der Nanowissenschaften und Nanotechnologie bei der Enthüllung Microbiome Gemeinschaften.

Die Herausforderung besteht erhebliche. Innerhalb von nur ein paar Gramm Boden oder Ozean Sediment gibt es reiche und komplexe Ökosysteme, die Hunderte von Tausenden von verschiedenen Mikrobenarten enthalten. Wissenschaftler können nicht noch die überwiegende Mehrheit dieser einzelnen-celled Organismen im Labor wachsen, und so sind sie immun gegen Klassifizierung von herkömmlichen Technologien.

Nanowissenschaften möglicherweise helfen auseinander zu necken, wie die Mitglieder des natürlichen Mikrobiome miteinander interagieren. Um dies zu diskutieren, hat die Kavli-Stiftung zwei Marktführer im Bereich eingeladen:

Eoin Brodie ist wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Abteilung Ökologie der US Abteilung von Energie (Damhirschkuh) Lawrence Berkeley National Laboratory und Adjunct Assistant Professor im Department of Environmental Science, Politik und Management an der University of California, Berkeley. Er hat Technologien für die präzise Messung Microbiome Gemeinschaft Dynamik Pionierarbeit geleistet.

Jack Gilbert ist principal Investigator im Bereich Biowissenschaften an der DOE Argonne National Laboratory und außerordentlicher Professor in der Abteilung für Ökologie und Evolution an der University of Chicago. Er hat die Mikrobiome, die in Krankenhäusern bestehen studiert und arbeitet an Möglichkeiten zur Verwendung von Bakterien eingebettet Nanostrukturen Säugling Mikrobiome wieder aufzubauen.

Unten ist eine editierte Abschrift ihrer Diskussion. Die Teilnehmer wurden auch bereitgestellt die Möglichkeit, ändern oder bearbeiten Sie ihre Bemerkungen.

Die Kavli-Stiftung: Was macht ein Microbiome ein Mikrobiom? Geht es nur um Größe oder erfordert es eine gewisse Komplexität?

Jack A. Gilbert: Ein Microbiome ist eine Gemeinschaft von einzelligen Mikroben. Es könnten Bakterien, Pilze, Protozoen, Algen und Viren enthalten. Es ist eine kleine Gemeinde, deren Mitglieder miteinander interagieren. Es kann alles, von zehn verschiedene Arten zu 1.000 Arten 200.000 Arten sein.

Eoin Brodie: Betrachten Sie diese Analogie: man denke an die verschiedenen Dinge, die Sie vielleicht in einem tropischen Wald finden. Du hast verschiedene Arten von Bäumen und Tieren und Insekten. All diese Dinge entwickelt haben, um gemeinsam eine Art stabiles System in vielen Fällen ein Ökosystem bilden. So ist ein Mikrobiom der mikrobiellen Version von diesem Wald-Ökosystem. Individuell, bietet jede unterschiedliche Art verschiedene Funktionen, die gemeinsam für die Stabilität und Aktivität des Systems unerlässlich sind. [Körper Bugs: 5 überraschende Fakten über Ihr Microbiome Countdown]

TKF: Sind es Eigenschaften, die entstehen, wenn Mikrobiome einer bestimmten Größe oder Komplexität erreichen? Unterscheiden sie sich von den Eigenschaften der einzelnen Mikroben?

J.G.: Es gibt. Dies ist ein Bereich der Forschung, obwohl wir beginnen können, indem man wie ökologische Theorie spielt in größeren Organismen. Das hilft uns, zu interpretieren und Vorhersagen, was Mikrobiome tun könnte, wie sie in ihrer Komplexität wachsen.

Mit zunehmender Komplexität sehen wir mehr Verbindungen im System. Denken sie wie ein Nahrungsnetz. Wenn es mehrere Insekten, Bäume, Pflanzen und andere Dinge kombiniert, ist es möglicherweise stabiler als wenn es nur ein einziges Insekt und ein einzelner Baum. Je mehr Teilnehmer, mehr Interaktionen und diese Interaktionen auslösen immer noch mehr Interaktionen. Zusammen, regulieren sie die Fülle von bestimmten Arten von Organismen. Nichts übernimmt, teilen sie alle Ressourcen.

An genau welcher Stelle ein Ökosystem stabil und belastbar wird ist weniger klar. Makro-ökologische Theorie besagt, dass wenn mehr Verbindungen vorhanden sind, Sie Redundanz bauen. Dies macht das System robust und resistent gegen Störungen, aber es einen Sweetspot, die möglicherweise schwer gibt zu definieren. Größere Ökosysteme können mehrere Organismen, die das gleiche tun, aber nicht unbedingt zur gleichen Zeit haben oder dort. Aber diese Organismen könnte einspringen, wenn einem anderen Organismus, die Durchführung dieser Funktion nicht möglich.

J.G.: Dies ist ein interessanter Punkt. Die Definition einer sehr robusten Community oder Ökosystem ist Flexibilität. Es ist wie ein Schilfrohr biegen in einen Stream mit Veränderungen in der Stress und Druck beugen. Redundanz ist Teil davon. Möglicherweise gibt es 20 Organismen, die Methan, die dann durch andere Organismen verwendet wird. Die Mitglieder dieser Gemeinschaft methanbildenden werden anders auf veränderte Bedingungen reagieren. Man könnte wachsen besser bei höheren Temperaturen, wenn die Temperaturen fallen. Aber die wesentliche Funktion dieser Assemblage produzieren Methan, nicht geändert.

TKF: Sind Mikrobiome deutlich komplexer und miteinander verbunden. Sie haben Hunderte von Tausenden von verschiedenen Arten. Wie sollen wir anfangen, etwas wie das zu verstehen? Was den aktuellen Stand der Technik ist?

J.G.: Es gibt mehrere Staaten der Technik.

E.B.: Es ist wahr. Zum Beispiel können wir nur wachsen zwischen 0,001 und vielleicht 10 Prozent der Mikroben, die wir finden. Für einige Systeme, wie den menschlichen Darm sind wir immer besser weil wir mehr über sie wissen.

In Böden sind wir nicht sehr gut. Und zwar deshalb, weil es ist sehr schwer zu prognostizieren, was diese Mikroben wachsen müssen. Sie haben ungewöhnliche Nährstoffbedarf sind, oder andere Organismen zu wachsen. Es ist fast unmöglich, sie wachsen in Reinkultur.

Ein Fenster in ihrer Funktion wurde Dinge, die Jack Pionierarbeit geleistet hat, mit Metagenomik und Sequenzierung Technologien, die entwickelt wurden für die Sequenzierung des menschlichen Genoms. Wir können diese Technologien auf dieser unglaublich komplizierten mikrobiellen Gemeinschaften anwenden.

Wir zerlegen diese Gemeinschaft, nur wie eine enorme Puzzle und brechen es in winzigen, winzigen molekularen Stücke, die wir mit Sequenzierung Maschinen messen können. Die eigentliche Herausforderung ist jedoch diese Teile wieder erneut in einer Weise zusammen, der Sie etwas über die ganze Gemeinde erzählt. Also, das ist ein Ansatz.

Ein weiterer Ansatz beinhaltet imaging Organismen. Man kann sie sehen mit sichtbarem Licht oder andere Wellenlängen, identifizieren ihre Formen, und erfahren Sie mehr über die Chemie, die mit ihnen verbunden. Wir haben in einige sehr einfachen künstliche mikrobiellen Gemeinschaften getan, was, die wir im Labor gewachsen sind. Die Herausforderung findet Möglichkeiten, diese Technologien auf zunehmend komplizierter Systeme anzuwenden.

J.G.: Sie wissen, Sie können "Omics" am Ende von etwas und bekommen ein neues Werkzeug aus ihm heraus. Genomik misst Gene. Transkriptom umfasst RNA transkribiert von Genen. Proteinomics befasst sich mit Proteinen durch transkribierten RNA gefaltet. Metabolomik analysiert die Chemikalien und Metaboliten durch jene Proteine vermittelt. Es gibt eine ganze Reihe von ihnen, und damit haben wir eine Vielzahl von Tools, die die Komponenten des Systems befragen können. [Die Jagd nach Alien Extremophilen ist Taking Off (Kavli Q + A)]

Eine unserer wichtigsten Herausforderungen ist es, all diese Informationen zu integrieren. Eoin ist einige Techniken, um dieses Problem in Angriff durch kompilieren diese Daten in eine interoperable Daten Rahmen entwickelt. Es ist sehr gut mit einem Genom, ein Transkriptom, ein Metabolom – aber alle an einem Strang und wissen aus dem Chaos schaffen können manchmal eine Herausforderung Über.

E.B.: Ich würde sagen, es ist eine unserer großen Herausforderungen im Moment, und es wird nicht in absehbarer Zeit gelöst werden.

TKF: Warum so lange? Wir werden reden, Wochen, Monaten oder Jahren?

J.G.: Jahrzehnten.

TKF: Für ein einziges?

J.G.: Manchmal. Wir entwickeln Roman, Hochdurchsatz-Technologien, die helfen können, um dieses Problem zu beheben. Aber sagen wir mal, dass ich tausend Gene haben. Ich weiß nicht, welche Funktion sie kodieren. Möglicherweise können wir einen Bruchteil davon und nur einige ihrer Proteine falten. Ich könnte in der Lage, herauszufinden, die Funktion von vielleicht fünf von diesen Proteinen sein — ich bin großzügig sein. So von 1.000 Zielen heute relativ einfach für mich, fünf davon zu prüfen wäre. Was ist mit den anderen 99,95? Was machen wir mit denen?

E.B.: Es ist ein großes Hindernis, aber es gibt eine ganze Reihe neue Hochdurchsatz-Technologien, um diesen Prozess zu automatisieren. Es gibt Technologien für die Herstellung und Faltung von Proteinen, screening Proteinfunktion und Proteinstrukturen ohne Kristallisation zu finden. All diese Dinge sortieren des Exist-Webseite, aber es gibt keine eine Übungseinheit oder Initiative ist, dass sie zusammen ziehen. Und das ist, was wir brauchen, um Mikrobiome zu verstehen.

J.G.: Trotzdem ist es ein großes Problem. Lassen Sie mich Ihnen ein Beispiel geben. E. Coli ist seit 100 Jahren unsere wichtigsten mikrobielle bakterielle Arbeitstier, und wir wissen noch nicht, was ein Drittel von den Genen zu tun. Es ist irgendwie verrückt. Ich arbeite an etwas, nennt das Microbiome Projekt, das Schätzungen zufolge gibt es weit über 50 Millionen Bakterien-Spezies auf der Erde. Wir kennen zwei Drittel des Genoms eines von ihnen.

Dennoch können wir Mikrobiome in verschiedenen Kontexten untersuchen. Beispielsweise können wir eine betrachten die aufstrebenden Eigenschaften eines Ökosystems, wie seine Fähigkeit zur Generierung von Methan oder Kohlenhydrate zu konsumieren. Dann können wir machen und testen Sie Vorhersagen über die Funktionen, die Gemeinschaft braucht. Es wäre viel besser, wenn wir alles, was genomische Informationen hatten, aber wir es brauchen, unser Verständnis zu gelangen.

E.B.: Dieses Glas ist in Ordnung, wirklich halb voll. Es gibt alle diese erstaunlichen Chemikalien, dass Mikroben, die durchführen, die wirklich wunderbare Dinge für die Menschheit, wie die neue Antibiotika und Nährstoffe für Pflanzen tun können. Es ist ziemlich genau eine unbegrenzte Ressource der Neuheit und der Chemie — wenn wir verbesserte Tools zu erschließen, sie entwickeln können.

TKF: Wie funktioniert Nanoscience helfen?

E.B.: Einer der großen Fortschritte in der Sequenzierung eines Genoms ist biologische Assays parallelisieren. Also statt der Sequenzierung 12 oder 96 oder sogar ein paar hundert DNA-Stränge zu einem Zeitpunkt, können wir Millionen zu einem Zeitpunkt zu sequenzieren. Um die Biochemie und Chemie der mikrobiellen Lebensgemeinschaften zu charakterisieren, haben wir in der gleichen Art von Skala Weg.

Mit Hilfe der Nanotechnologie, bauen wir nanofluidischen-Geräte, um diese Tests laufen. Diese wäre die Größe des Halbleiterchips mit nanoskaligen Kanälen, winzige Proben von DNA zu erfassen und sie mit winzigen Mengen von Reagenzien, alle parallel zu testen. Nanoskalige Bildgebende Sensoren können wir diese Reaktionen, anstelle von den großen Kameras erkennen, die wir heute benutzen. Und wir können Halbleiter-Technologien verwenden, um Zehntausende von ihnen aus einem einzelnen Silizium-Wafer, die massiv die Kosten für diese Tests reduziert machen.

Es gibt klare Wege, dies zu tun, aber wir müssen Rallye rund um die Challenge und unterschiedliche Branchen, wie der Halbleiter-Industrie zusammenzubringen.

J.G.: Eines der aufregendsten Dinge aus meiner Sicht ist Nanowissenschaften zu verwenden, um die Komplexität unserer Datasets zu reduzieren. Lassen Sie uns sagen, ich habe 100.000 Organismen in ein paar Gramm der Ozean Sediment oder des Bodens. Ich möchte die Rolle der ein komplexes Lipid in dieser Gemeinschaft zu verstehen. Wenn ich wüsste, welche Mikroben beteiligt waren, konnte ich gezielt und analysieren, welche Gene erstellt oder verwendet dieses Lipid. Aber ich weiß nicht, so stattdessen, ich Binde ein Quantum Dot Nanopartikel an ein Lebensmittel Partikel verwendet bei der Herstellung der Lipid. Die Organismen, die es konsumieren leuchtet unter Röntgenstrahlanalyse.

Zeigen, dass mir die aktive Organismus. Dann kann ich anfangen, auf der Suche nach Genen, die degradieren oder verwandeln dieses Lipid. Wir können es verwenden, um unser Suchfenster auf etwas einzugrenzen, die ein bisschen mehr überschaubar ist. Es gibt viele Möglichkeiten, wie, die wir damit umgehen können, aber dies ist eine gute Nanotech-Route.

E.B.: Es gab einige frühe Erfolge, sondern auch Fragen. Ein Quantenpunkt möglicherweise winzige zu uns, aber es ist eine große Sache, eine Mikrobe. Es ist schwer, es tatsächlich innerhalb einer Zelle zu bekommen. Die Organismen, die es in Ihrem experimentellen System aufnehmen können nicht diejenigen sein, die es in der Natur einnehmen. Varianten dieser Ansätze haben noch einiges an Potential.

J.G.: Wie wir immer gesagt haben, hat meine Akt der Beobachtung dieses Systems seine Natur verändert. Noch, Sie nicht stören oder versuchen Sie diese Techniken. Du musst nur vorsichtig interpretieren, was Sie sehen werden. Sehr vorsichtig sein.

E.B.: Wissenschaft ist Ihre Hypothesen zu reformieren, und wiederholen diesen Zyklus auf Beobachtung, Manipulation, weitere Beobachtung aufgebaut. Manipulation ist ein wichtiger Teil davon.

Überlegen Sie, wie wir die einzelnen Mikroorganismen um ihre Funktion zu verstehen manipuliert haben. Wir beginnen mit einer Hypothese über die Funktion eines Gens, klopfen sie heraus und sehen, ob der Organismus diese Funktion verloren hat. Wir können dann hinzufügen dieses Gen zurück und sehen, ob es diese Funktion wiedergewinnt, die die Hypothese belegen würde.

Wir haben keine analog dazu in einer komplizierten mikrobiellen Gemeinschaft. Wir brauchen, knock out eine ganze Spezies zu sehen, ob sie eine bestimmte Funktion ausführen und beobachten, was passiert, wenn diese Funktion nicht vorhanden ist.

Ein neuer Ansatz für die einzelne Organismen genetisch engineering helfen könnte. Es heißt CRISPR, und es basiert auf Täuschung von Bakterien in die Selbstzerstörung. Damit dies funktioniert müssen Sie ein genetisches Konstrukt, ein Plasmid oder so ähnlich, in der Bakterienzelle einzuführen. Dann erstellt es ein Protein, das eine hochspezifische Selbstzerstörungsmechanismus auslöst. Viele Bakterien wird nicht Stücke von Fremd-DNA aus diesem Grund dauern, weil es sie vermasseln könnte.

Nanowissenschaften möglicherweise in der Lage, uns zu helfen Bakterien in Einnahme dieses Plasmid zu betrügen. Zum Beispiel wie Jack sagte, können wir halten einen Quantenpunkt auf verschiedenen Molekülen, Verbindungen zu identifizieren, die Bakterien regelmäßig einnehmen werden. Wir könnten auch CRISPR Nutzlast legen, auf die gleichen Moleküle zu Selbstzerstörung, auslösen oder Knock-out oder potenziell fügen Sie eine neue Funktion für den Organismus. CRISPR und ein paar andere analogen Technologien sind potenziell transformative Microbiome Forschung und Nanotechnologie könnte uns helfen, die Mechanismen finden, die wir brauchen, damit es funktioniert.

TKF: Ist das etwas, was wir können relativ bald tun oder sprechen wir von jahrzehntelanger Forschung?

E.B.: Menschen tun es jetzt, aber sie sind mit E. Coli und anderen Organismen, die wir kennen und können im Labor bearbeiten. Wir haben bereits die Theorie von wie wir einen Stamm von Mikroben in einem natürlichen Microbiome ansprechen könnte. Wir wissen, es wird auf einige Bakterien arbeiten, aber es wird schwierig sein, diese DNA-Stücke in anderen zu injizieren. Das ist jetzt eine große Forschungsaufgabe.

TKF: Was ist mit Anwendung einiger der Nanotechnologie entwickelt, um das Gehirn zu untersuchen, Mikrobiome im Boden oder Wasser zu studieren?

E.B.: Es gibt erstaunliche arbeiten, die bei der Entwicklung von miniaturisierter Sensoren basierend auf Radio Frequency Identification Technologie oder RFID. RFID-Tags werden von Unternehmen eingesetzt, um Sendungen zu verfolgen. Sie können sowohl übertragen und Energie aus Radiowellen, zu erwerben, so dass sie nicht Batterien brauchen. Es gibt uns einen Weg, um Informationen von sehr kleinen Sensoren ohne Verkabelung.

Forscher wollen sie in das Gehirn elektrische Impulse Sinn zu injizieren. Ich bin nicht ganz sicher, wie das funktionieren würde, aber die Idee ist, ein verteiltes Netzwerk von Sensoren landen. Sie können lesen, deren Standort und was sie aus der Ferne spüren.

Nun, denken Sie an etwas ähnliches im Boden. Wir könnten Zehntausende von ihnen aus einem einzelnen Silizium-Wafer zu machen, mischen sie mit Boden und Pflanzen etwas. Da die Wurzeln wachsen und die Sensoren übergeben, würden wir eine Auslesen der Dinge wie Temperatur, Feuchtigkeit, pH-Wert, Sauerstoff-Konzentration, die Anwesenheit bestimmter Chemikalien und wie das erste Lesung Änderungen im Laufe der Zeit bekommen.

Wir könnten diese komplizierte dreidimensionale Bilder von wie Mikroben die Gegend um die Wurzel und der Boden beeinflussen bauen. Und vielleicht können wir das in einer landwirtschaftlichen Umgebung um Dinge wie Wasser Bewässerung und Düngung zu optimieren.

J.G.: Wir können hier auch Quantenpunkte. Wir könnten zum Beispiel eine Aminosäure mit einem Quantenpunkt markieren, kleben Sie es in der Gemeinschaft und sehen, welche Mitglieder es dauern, bis, damit wir feststellen können, wer aktiv ist.

Das tolle an dieser Technologie ist, nehmen Sie eine kleine Auswahl des Bodens, vielleicht 10 µm von 10 µm, theoretisch diese Technik verwenden könnte um zu bestimmen, wo die aktiven Mitglieder dieser Gemeinschaft. In einer Gemeinschaft von Tausenden von Organismen werden nicht alle zur gleichen Zeit aktiv sein. Leben kann teilweise mit sehr, sehr geringe Aktivität, warten auf die richtigen Bedingungen zu wecken. Also haben wir die Karte nicht nur die 3D Lage der Organismen, aber die vierte Dimension der Zeit zu verstehen, wie sich diese Gemeinschaft verändert und reagieren auf Reize aus der Umwelt.

TKF: Du hast getan, etwas ähnliches mit Krankenhaus Böden, richtig?

J.G.: Wir hatten ein Stipendium für das Mikrobiom von Krankenhäusern, prüfen, speziell ein neues, $ 800 Millionen Gebäude in Chicago gebaut. Wir haben begonnen, den Boden zu betrachten, als das Gebäude war eine leere Hülle und beobachtete, wie Ärzte und Patienten verschoben und es eine aktive, funktionierende Krankenhaus wurde.

Wir wollten sehen, wie die Ökologie der das Mikrobiom verändert. Das konnte uns einige Einblicke in das Gesundheitswesen-Infektionen, die Verbreitung von Antibiotika-Resistenzen und die Entwicklung des Erregers Stauseen geben.

Es wurde schnell offensichtlich, dass die überwiegende Mehrheit der Bakterien freigesetzt von Menschen im Krankenhaus sterben kurz nach der Landung in was ein bemerkenswert unwirtlichen Ökosystem ist. Wir wollen verstehen, welche aktiv bleiben und welche ruhende gehen und könnte unter anderen Bedingungen wieder aufleben lassen. Das ist sehr wichtig zu verstehen, die Übertragung von Krankheiten in Krankenhäusern und wie zu kontrollieren und zu manipulieren mikrobiellen Ökosysteme in unseren Häusern, Büros und öffentlichen Räumen.

TKF: So was passiert als nächstes?

J.G.: Es ist eine große Studie. Wir arbeiten noch daran. Es ist eine enorme Studie. Wir haben es jeden Tag für 365 Tage und generierten 8,5 Millionen Datenpunkte. Sie enthalten alles von Aktivität Assays und Bakterienkulturen und DNA-Sequenzierung, Krankenakten von Patienten und Mitarbeitern. Wir sind auseinander neckt, diese komplexen Datenbank von Interaktionen zu sehen, wie dieses System tatsächlich entwickelt und wie es funktioniert.

Wir möchten, dass die Überwachung fortgesetzt. Wir möchten einige dieser neuartigen Sensortechnologien zur kontinuierlichen Überwachung dieses Ökosystems und generieren diese Daten in eine regelmäßige und detaillierte Art und Weise zu verwenden. Hochfrequenz-räumliche und zeitliche Daten ist unglaublich wichtig, wenn wir Trends zu erkennen und zu verstehen, wie Ökosysteme zu manipulieren wollen.

TKF: Wie würden Sie mit Hilfe der Nanotechnologie in Ihrem Krankenhausprojekt?

J.G.: Wie Eoin sagte, geht es um unsere Sensoren bis zu sehr kleinen Maßstäben schrumpfen. In einer gebauten Umwelt, vor allem in einem Krankenhaus wollen Menschen nicht, diese Dinge zu sehen. Wir brauchen zu Proben, verarbeiten und analysieren, und übertragen die Daten in einen Raum kleiner als ein Lichtschalter. Wir müssen also alles unglaublich klein zu halten. Das heißt Immobilisierung Sonden oder Grundierungen auf bestimmten Nanomaterialien Oberflächen und Nanofluidics verwenden, um die Reduzierung der Proben, die wir erfassen müssen.

Wir möchten gehen sogar noch kleiner, und komprimieren diese Funktionen in eine Pille, die Sie schlucken konnte, so dass Sie den menschlichen Microbiome analysieren könnte – oder Metabolom oder sogar der Proteinome – an jedem Punkt im Darm. Sie könnte sogar einen RFID-Sender drin, setzen, damit die Pille mit Ihrem Handy zu kommunizieren konnte und man sehen konnte, was Ihre Microbiome in Echtzeit machte.

TKF: Welche anderen Dinge macht Nanowissenschaften zu tun? Es könnte Informationen, die Biologen in der Regel keinen Zugriff?

E.B.: Wissen Sie, die gleichen Werkzeuge, die im Bereich der Nanowissenschaften zum Analysieren der Materialien und Verfahren auf atomarer Skala verwendet werden, um mikrobielle Prozesse und mikrobielle Kommunikationsnetze zu verstehen. Ein gutes Beispiel ist die elektrische Leitfähigkeit. Einige Mikroben leitend, die ist, wie sie die Energie machen sie zum Leben benötigen. Diese Prozesse sind sehr vielfältig und abwechslungsreich, und Forscher haben Rasterkraftmikroskopie und ähnliche Nanoscience Werkzeuge um zu verstehen, wie diese Elektronen fließen auf atomarer Skala verwendet.

Zur gleichen Zeit sind Forscher untersucht, wie diese bakterielle Nanodrähte zu anorganischen oder organischen unbelebten Dingen zu koppeln. Diese Nanodrähte können Elektronen über große Entfernungen zu übertragen und haben unglaubliche Eigenschaften, die ganz anders als unsere künstlichen Drähte sind. Können wir von der Biologie lernen und wir können auch Biologie mit unserer Elektronik verschmelzen.

TKF: Was über die Verwendung von Nanowissenschaft Landwirtschaft verbessern?

E.B.: Wir verwenden in der Regel Chemikalien, vor allem Stickstoff in Form von Ammoniak, als Dünger. Mikroben können auch Stickstoff generieren, indem unter Kohlenstoff und befestigen Sie es mit atmosphärischem Stickstoff in Ammoniak. Einige Bakterien tun dies innerhalb bestimmter Pflanzenwurzeln, aber wir möchten Blick auf Stickstoff-fixierenden Bakterien, die in anderen Teilen von vielen Pflanzen Leben. Nanowissenschaften hat eine Rolle für das Verständnis, wie diese Mikroben mit Pflanzen reden, wie sie Metaboliten teilen und was regelt die Stickstoff-Fixierung. Wenn wir das könnten, können wir möglicherweise zur Verbesserung der Ernteerträge und Verminderung oder Beseitigung Düngemitteleinsatz.

TKF: Was ist mit der Mikrobiome in den Häusern oder Menschen zu manipulieren? Könnte Nanoscience dabei helfen?

J.G.: Eoin war gerade im Gespräch über die Restrukturierung des mikrobiellen Milieu für Pflanzen. Wir konnten tun, etwas ähnliches in unseren Gebäuden, den Kindern die mikrobielle Exposition, ein gesundes Immunsystem zu entwickeln.

E.B.: Genau. Die ersten Monaten des Lebens sind entscheidend für die Entwicklung unseres Immunsystems. Das Mikrobiom in unserem Hause haben einen großen Einfluss auf diese. Zum Beispiel haben Sie zwei große Hunde, die nach draußen gehen, sind Sie weniger wahrscheinlich an Asthma zu erkranken. Die Hygiene-Hypothese sagt, dass dies ist, weil Sie eine größere Vielfalt der Mikroben ausgesetzt sind, denen die Hunde im Inneren zu bringen. Reinigung und Desinfektion wird verhindert, dass diese Ausstellung, und es kann dazu beitragen, den Aufstieg der solche entzündlichen Erkrankungen wie Asthma und Neurodermitis.

J.G.: Genau. Wir interessieren uns Bau neue architektonische Schnittstellen und Umgebungen, in denen unsere Kinder direkt mikrobiellen Forderungen geben. Dazu gehört die Arbeit mit nanoskaligen Schnittstellen. Immerhin eine Bakterienzelle ist nur 700 oder 800 Nanometer über, und wir reden über das Erstellen von Nanostrukturen zu verstehen und die Oberflächen zu manipulieren.

Zum Beispiel sind wir sehr daran interessiert, Bau Materialien mit Taschen mit eingebetteten Nanopartikel. Diese Nanopartikel würde Schnittstellen, die die richtigen Arten von Mikroben anziehen würde, chemisch modifiziert.

TKF: Wie würden Sie diese ideale Microbiome Umgebungen verwenden?

J.G.: Wir könnten Nanopartikel im 3D-Druck Materialien, ein Umfeld zu fördern, die es die stabile Bildung von Biofilmen von Bakterien ermöglicht einbetten. Möglicherweise können wir als Probiotika verwendet, die ein Kind ergreifen könnte, um das Mikrobiom in seinem Darm neu konfigurieren. Vielleicht haben wir mikrobielle 3D gedruckte Wände oder Böden oder Teppiche oder sogar Stühle oder Türgriffe.

Wir erforschen Möglichkeiten, um ganz bestimmte Arten von 3D Druckfarben zu erstellen, die die Entwicklung von bestimmten Arten von Mikrobiom zu fördern. Dies mag ein wenig merkwürdig klingen, aber es ist sehr harte Wissenschaft dahinter. Sie können nicht erstellen einen Teppich und das beste hoffen. Sie müssen verstehen, wie man Mikrobiome entsprechend zu manipulieren, und erstellen Sie Materialien, die mit der richtigen Mikroben interagieren und eine florierende Mikrobiom zu unterstützen.

E.B.: Das ist ein wirklich interessantes Konzept. Sie wissen, dass unsere Gebäude, alles unter eine bestimmte Korngröße herauszufiltern. Vielleicht könnten wir intelligente Filter Ingenieur, die gefährliche Giftstoffe auszusondern, aber erlauben mehr im freien Microbiome eingeben. Das wäre ein Super Beitrag. Es gibt keinen Zweifel, dass das Mikrobiom, die, dem wir entwickelt haben, mit, Auswirkungen auf unsere Heide, insbesondere in den frühen Stadien im Leben haben.

TKF: Eine letzte Frage. Die Verwendung der Nanowissenschaften, das Mikrobiom zu studieren ist so neu, ich bin nicht einmal sicher, ob wir es noch ein aufstrebendes Gebiet nennen kann. Wie erreichen wir die kritische Masse an Forscher wir bedeutende Durchbrüche erreichen müssen?

E.B.: Klar müssen wir arbeiten interdisziplinär und erweitern unsere Netzwerke von Forschern. Jack und ich haben ein bestimmtes Netzwerk, und dann gibt es Nanoscience Forscher, die an der Schnittstelle zwischen ihrer Arbeit und Biologie denken. Wir müssen erreichen zu halten.

Außerdem müssen wir das Potenzial der Mikrobiom zur Verbesserung der Gesundheit unseres Planeten, die Gesundheit der Menschheit, unsere Produktion von Nahrungsmitteln und unser grundlegendes Verständnis unserer Welt reden zu halten. Egal, welche Disziplin man, denke ich, Fragen wir überzeugende Fragen und posiert Herausforderungen, vor denen Menschen wissenschaftlich interessant finden können.

Also wir unsere Fragen draußen bekommen müssen, Samen der breiteren Gemeinschaft mit einigen potentiellen Ideen der Nanotechnologie passen könnte, wobei ich glaube, dass Menschen finden Möglichkeiten auf Nanoscience Weise nutzen, die wir nie gedacht hätte.

J.G.: Unser Team arbeitet mit Argonne National Labs und an der University of Chicago, die große Anstrengungen im Bereich der Nanowissenschaften, müssen einige der Konzepte umsetzen, die wir gesprochen haben.

Eines der wichtigsten Dinge, die wir überwinden müssen, ist die Nomenklatur. Nenne ich die Oberfläche ist nicht das, was sie nennen der Oberfläche. Ich nenne das einen biologischen Arbeitsstoff ist nicht das, was sie nennen einen biologischen Arbeitsstoff. Wir haben viele Wörter, für die wir zwei separate Bedeutungen haben. Da wir nicht die gleiche Sprache sprechen, ist es oft viel schwerer zu Sachen beginnen.

Wir brauchen auch Förderinitiativen. Wenn die US National Institutes of Health Human Microbiome Project $ 180 Millionen verpflichtet, packte die Gelegenheit viele Kliniker. Es wurde keine ähnliche Initiative, Nanowissenschaften zu verwenden, um das Mikrobiom zu erkunden. Wenn jemand $ 200 Millionen auf den Tisch legen, Menschen würde härter arbeiten, um diese Kommunikationsbarrieren zu überwinden, und sähen wir erhebliche und rasche Fortschritte.

Das führt mich zu einem anderen Punkt. Wir müssen ein Daten-Commons zu schaffen – eine stärkere, viel mehr Zusammenhalt Kapazität, mehrere Datenströme zu analysieren. Ebenso wir Probleme bei der Kommunikation zwischen Menschen zu überwinden müssen, müssen wir auch zu überwinden, Kommunikation zwischen Daten, damit wir alles nutzen können, die wir erzeugen. Das heißt, an sich herausfordern ein weiteres Grand.

TKF: Eine weitere große Herausforderung?

J.G.: Wir haben Tausende von großen Herausforderungen. Aber es ist eine lohnende Anstrengung zu versuchen und zu überwinden, um Nanowissenschaften an den größten Maßstäben zu tun, denn die größten Maßstäben die größten Belohnungen erreichen.

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