Microbial Manifesto: Der globale Push, um das Mikrobiom zu verstehen (Kavli Roundtable)

Alan Brown ist Autor und Blogger der Kavli Foundation. Lesen Sie weitere Perspektiven auf der Landing Page von Kavli Expert Voices. Brown hat diesen Artikel zu den Expert Voices von Live Science: Op-Ed & Insights beigetragen.

Mikroben könnten bald an der Spitze der großen Liste der Wissenschaft stehen. Ende letzten Jahres schlug ein Konsortium von Wissenschaftlern aus 50 US-amerikanischen Institutionen die "Unified Microbiome Initiative" vor, eine nationale Initiative, um unser Verständnis von Mikrobiomen, Gemeinschaften einzelliger Organismen wie Bakterien, Viren und Pilzen zu verbessern.

Mit einem gemeinsamen Fokus hoffen die Forscher, wie Mikrobiome nicht nur Infektionskrankheiten heilen und Antibiotikaresistenzen reduzieren, sondern auch erschöpftes Ackerland zurückgewinnen, Düngemittel und Pestizideinsatz reduzieren und neue Brennstoffe und kohlenstoffbasierte Chemikalien produzieren können.

Um diese ehrgeizigen Ziele zu erreichen, sind ehrgeizige Anstrengungen erforderlich, um neue Werkzeuge und Kooperationen zu entwickeln, die auf Durchbrüchen bei der Analyse von mikrobieller DNA, Proteinen und Metaboliten aufbauen. Solche Analysen zeigen, dass mikrobielle Gemeinschaften unglaublich vielfältig sein können, einschließlich Hunderttausender verschiedener mikrobieller Spezies, die alle miteinander interagieren. Im menschlichen Darm unterstützen diese Mikroben die Verdauung, können aber auch Fettleibigkeit, Allergien und sogar die Entwicklung des Gehirns beeinflussen. Jenseits unserer Körper erzeugten Mikroben die sauerstoffreiche Atmosphäre der Erde und ermöglichten dem Pflanzen- und Ozeanleben zu gedeihen.

Während die heutigen Werkzeuge uns sehr viel über die Moleküle in mikrobiellen Gemeinschaften erzählen können, können sie die Funktion dieser Moleküle nicht erklären und wie sie es Mikroorganismen ermöglichen zusammenzuarbeiten. Nur mit diesem Verständnis können Wissenschaftler Mikrobiome nutzen, um die menschliche Gesundheit und die Umwelt zu verbessern.

Kürzlich veranstaltete die Kavli Foundation einen Google+ Hangout über das Potenzial der Mikrobiome der Natur und wie wir sie nutzen können. Die Teilnehmer enthalten:

Janet Jansson ist Leiter der Biologie in der Direktion für Erd- und Biowissenschaften des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) und leitet die PNNL-Forschung in der Abteilung für biologische Systeme der Abteilung für Energie. Sie koordiniert zwei PNNL-Biologie-Programme: die Initiative Microbiomes in Transition (MinT), um zu untersuchen, wie Klima- und Umweltveränderungen die natürlichen und menschlichen Mikrobiome beeinflussen, und das DOE Foundational Scientific Focus Area, Prinzipien des mikrobiellen Gemeinschaftsdesigns.

Rob Knight ist der Gründer des American Gut Project, ein Open-Access-Projekt, um das Mikrobiom des Verdauungssystems und seine Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und Entwicklung zu untersuchen. Er hält Termine an der University of California, der San Diego School of Medicine und dem Department of Computer Science and Engineering, wo er Bioinformatiksysteme entwickelt, um große Mengen biologischer Daten zu klassifizieren und zu interpretieren.

Jeff F. Miller ist Direktor des California NanoSystems Institute, einer multidisziplinären Forschungsorganisation und der korrespondierenden Autorin des Konsortiums Wissenschaft Papier. An der University of California, Los Angeles, hat Miller den Fred Kavli-Lehrstuhl in NanoSystems Sciences inne und ist Professor für Mikrobiologie, Immunologie und molekulare Genetik.

Im Folgenden finden Sie eine modifizierte Abschrift der Diskussion. Änderungen und Änderungen wurden von den Teilnehmern vorgenommen, um gesprochene Kommentare zu klären, die während des Live-Webcasts aufgezeichnet wurden.

Die Kavli-Stiftung: Beginnen wir mit einer Frage. Es gab eine kambrische Explosion in der Mikrobiomforschung. Vor zehn Jahren waren Mikrobiome kaum auf der Landkarte. Letztes Jahr enthielten 25.000 Artikel den Begriff. Warum passiert das jetzt? Liegt es nur daran, dass wir mikrobielle DNA lesen können, oder sind es andere Technologien, die dies ermöglichen?

Jeff Miller: Es gibt viele Faktoren, die zusammen kamen, um diese Explosion des Interesses zu verursachen. Eine ist sicherlich die Fähigkeit, DNA schnell zu sequenzieren. Und in den letzten 10 Jahren haben wir eine Reihe von Technologien gesehen, die es uns ermöglichen, mikrobielle Gemeinschaften mit zunehmender Auflösung und Komplexität zu charakterisieren. Aber wir sind auch auf viele Engpässe gestoßen. Die Interpretation dieser enormen Menge an sequenziellen Daten ist einer dieser Engpässe.

Rob Knight: Ich stimme zu. Ich denke, es ist wirklich die Kombination der DNA-Sequenzierungs-Tools, die viel billiger werden, und die Computer-Tools, einschließlich der Toolkits, die wir entwickelt haben, machen die Informationen für eine breite Benutzergemeinschaft viel zugänglicher. Ich denke, was wir in der Zukunft sehen werden, sind Werkzeuge, die über die Inventarisierung von Arten oder die Inventarisierung von Genen hinausgehen und stattdessen viel mehr Einblick geben, wie diese Spezies und Gene funktionieren. Aber das erfordert eine Menge zusätzlicher Entwicklung sowohl der Software als auch der Wissensbasis, um diese Software zu verwenden.

TKF: Janet, hast du noch weitere Gedanken dazu?

Janet Jansson: Ja. Mit der DNA-Sequenzierung erhalten wir Informationen über die Zusammensetzung von Mikrobiomen, aber es ist auch interessant zu wissen, was diese Mikroben tun. Wenn wir zum Beispiel ihre Protein- oder Metabolitenzusammensetzung verstehen könnten, könnten wir besser verstehen, was sie in verschiedenen Lebensräumen und in unserem Körper tun. Es gibt viele Entwicklungen in diesen Bereichen, aber diese Werkzeuge sind immer noch hinter den Sequenzierungstechnologien zurückgeblieben.

TKF: Brauchen wir also ein großes Programm, eine Unified Microbiome Initiative, um diese Fähigkeiten zu entwickeln? Können wir nicht auf bestehenden Technologien aufbauen oder müssen wir radikal neue Arten von Wissenschaft erfinden?

Müller: Die wahrscheinliche Antwort ist "beide". Es gibt sicherlich viel Raum für inkrementelle Fortschritte, die zu einer besseren Sequenzierungstechnologie und dergleichen führen. Aber wir brauchen auch einige Quantensprünge gleichzeitig.

Das Feld ist schnell fortgeschritten. Aber wir haben ein Plateau erreicht, das mit den Einschränkungen der derzeitigen Technologien zu tun hat. Wir müssen in der Lage sein, mikrobielle Gemeinschaften in Echtzeit zu sehen, in denen sie leben. Wir wollen wissen, was sie tun. Welche Gene drücken sie aus? Welche Proteine ÔÇőÔÇőmachen sie? Welche Metaboliten synthetisieren sie? Wie reagieren sie aufeinander und auf ihre Umgebung?

Dann müssen wir in der Lage sein, all diese Daten zu nehmen und sie so zu interpretieren, dass wir Fragen stellen und neue Hypothesen formulieren können, die wir prüfen und verfälschen oder für richtig halten können.

Das sind wirklich große Aufträge. Sie werden nicht nur neue Technologien erfordern, sondern auch die Mitwirkung von Ingenieuren, Physikern und Chemikern sowie von Biowissenschaften, Umweltwissenschaften, Computerwissenschaften und vielem mehr.

TKF: Ich bin neugierig auf die Informatik-Seite. Rob, du hast einen gemeinsamen Termin an der medizinischen Fakultät und der Informatikabteilung von UC San Diego. Ist es so eine große Aufgabe? Ich meine, wir haben große Daten. Werden wir etwas mehr brauchen?

Ritter: Nun, das Problem ist, dass Big Data und Magie nicht ganz dasselbe sind. Es gibt viele Fortschritte, die auf der Algorithmus-Seite passieren müssen. Im Allgemeinen werden maschinelles Lernen und generische Algorithmen Ihnen eine gute, aber nicht ideale Antwort auf eine bestimmte wissenschaftliche Frage geben. Und je mehr Informationen Sie am Anfang eingeben können, um diese Algorithmen auf Ihr spezifisches Problem zuzuschneiden, desto besser werden Sie es tun.

Die andere Sache ist, dass, obwohl wir eine enorme Menge an Daten produzieren, wir immer noch begrenzt sind durch die Menge an Daten - es ist immer noch nicht genug - und durch unsere Fähigkeit, es zu interpretieren. Das Problem, mit dem sich viele Menschen gerade konfrontiert sehen, ist, dass sie so viele mikrobielle Gemeinschaftsinformationen gesammelt haben. Sie haben über tausend Arten, die sie nicht verstehen. Sie listen eine Million Gene auf, die sie nicht verstehen. Dann messen sie andere Arten von Molekülen mit Metatranskriptomik oder Metaproteomik oder Metabolomik, wobei sie wiederum sehr große Inventare erstellen, die sie auch nicht verstehen.

Aber selbst bei all diesen Daten sind wir immer noch begrenzt durch die Anzahl der Stichproben und durch unsere Fähigkeit, diese Entitäten zu kommentieren und zu verstehen. Es gibt eine große Rolle für beide existierenden Algorithmen, die effektiver angewendet werden können, wenn wir mehr Daten erhalten, und für grundlegend neue Algorithmen sowie neue Arten der Berechnung, die radikal verändern, wie wir über die Berechnung selbst denken.

TKF: Ein Teil der Herausforderung besteht darin, dass wir einen besseren Weg brauchen, um näher an die Bewohner der metaphorischen Stadt zu kommen, die ich bereits erwähnt habe. Es ist, als ob wir diese Stadt aus dem Weltraum betrachten und versuchen, die Rollen der Menschen herauszufinden, wenn wir diese Individuen nicht einmal sehen können, nicht wahr?

Ritter: Es ist ein bisschen schlimmer als das. Du fliegst in deinem UFO raus, und du nimmst nur einen großen Teil dieser Stadt, zermahlst es, guckst dir die ganze DNA und die Chemikalien an und versuchst, einen Sinn daraus zu machen. Das kann ein effektiver oder ineffektiver Weg sein, die Stadt zu verstehen. Sie werden einige der chemischen Prozesse verstehen, die vor sich gehen, und einige der Gene, die exprimiert werden. Aber Sie werden nicht viel über die Soziologie oder wie diese Organismen kommunizieren.

Jansson: Ja, und eine andere Möglichkeit, dieses Problem anzugehen, besteht darin, einfachere Modellgemeinschaften zu verwenden. Wenn wir also nicht die Instrumente und Datenwerkzeuge haben, um mit diesen hochkomplexen Gemeinschaften umzugehen, haben wir zumindest eine Modellgemeinschaft, die uns spezifische Interaktionen untersuchen lässt.

TKF: Mit anderen Worten, es ist einfacher, etwas viel Einfacheres zu studieren?

Jansson: Ja, zumindest für jetzt. Volle Gemeinschaften gehören zu den vielfältigsten Lebensräumen für Mikroorganismen auf der Erde. Wir gehen so viele Daten, dass wir nicht durch die Menge der Daten, die wir produzieren, sondern durch unsere Fähigkeit, die Daten zu verarbeiten, begrenzt sind. Selbst mit Supercomputern kann es Wochen, wenn nicht sogar Monate dauern, all diese Daten über unsere Computer zu übertragen.

Ritter: Bei allem Respekt, ich denke, wir sind immer noch datenbegrenzt, weil wir nicht genug Proben haben.

Es ist also so, als hätten wir, sagen wir, fünf Fotos, und wir nehmen sie mit höherer und höherer Auflösung. Das erzeugt eine Menge Daten, aber nicht genug, um einen Film zu erstellen. Was wir wirklich brauchen, ist sagen wir 100.000 Frames. Und egal, wie viel mehr Informationen wir aus der geringeren Anzahl von Bildern erhalten, die wir haben, wir werden niemals in der Lage sein, diesen Film zusammenzustellen.

Also, das ist eine Menge von dem, was wir sehen. Gerade jetzt ist es so teuer jede Probe zu bearbeiten, es ist wirklich schwierig genug Proben zu bekommen. Das ist der Grund, warum wir Mikroben viel, viel schneller, viel, viel billiger auslesen können. Und wir müssen auch Techniken mit höherer und höherer Auflösung verwenden, um einen vollständigen Film darüber zu erhalten, wie die Interaktionen stattfinden.

Jansson: Ich stimme zu, wir brauchen mehr Proben. Aber selbst dann ist es sehr schwierig, die Informationen von einer Probe zu verarbeiten.

Müller: Recht. Tatsächlich kennen wir die Funktionen von nur etwa der Hälfte der Gene, die wir in diesen Gemeinschaften entdecken. Und von der Hälfte, von der wir glauben, dass wir sie kennen, ist auch die Menge an Missannotation und falscher Kontextannotation signifikant. Also versuchen wir ein Puzzle mit nur einigen Teilen zusammenzufügen. Und wenn Sie kleine Moleküle betrachten, ist diese Situation noch schlimmer. Ungefähr zwei Prozent der Metaboliten, die in der typischen mikrobiellen Gemeinschaft gefunden werden, bilden bekannte Strukturen ab. Und nur ein Bruchteil dieser zwei Prozent liegt auf bekannten biochemischen Wegen. Also brauchen wir mehr Informationen.

TKF: Diese Metaboliten sind an der bakteriellen Verdauung beteiligt. Sind sie Bakterien, die miteinander kommunizieren?

Müller: Ja, so wie sie kommunizieren und wie sie Energie gewinnen.Sie sind die Abfallprodukte, die sie freisetzen, und die kleinen Moleküle, die sie verwenden, um mit anderen Mikroben zu konkurrieren und mit ihrer Umgebung zu interagieren. Und viele andere Dinge, die noch entdeckt werden müssen. Diese kleinen Moleküle sind die Sprache der mikrobiellen Gemeinschaften.

TKF: All das in den Griff zu bekommen klingt nach einem imposanten Forschungsprojekt. Aber angenommen, Sie hätten heute diese Werkzeuge. Was möchtest du studieren? Jeff, du studierst die Evolution von Bakterien, die Krankheiten verursachen. Was würdest du mit diesen Werkzeugen machen?

Müller: Junge, große Frage. Ich denke, dass ein Bereich, der für den Fortschritt ausschlaggebend ist - und bereits einige Fortschritte gemacht wurden - die Idee ist, eine Gemeinschaft zu bilden, die zwar etwas robust, aber nicht wirklich optimal für ihre Umgebung ist und sie so gestaltet, dass sie vorteilhafter ist Eigenschaften und weniger nicht vorteilhafte Eigenschaften.

Dies erfordert ein Verständnis der ökologischen Prinzipien, die die Zusammensetzung der Gemeinschaft, Robustheit, Reaktion auf Veränderungen usw. bestimmen. Also ist es wirklich eines unserer ultimativen Ziele, mikrobielle Gemeinschaften neu zu programmieren.

Es gibt verschiedene Schritte auf diesem Weg, die man sich vorstellen kann. Aber wir sind gerade dabei, das zu können. Wenn ich also eine Sache zum Studium aussuche, dann wäre es zu verstehen, wie mikrobielle Gemeinschaften gut genug konstruiert sind, um eine vorhersagbare zuverlässige Reengineering dieser Gemeinschaften zu ermöglichen, um ihre Funktionen zu optimieren.

TKF: Sehr interessant. Janet, ich weiß, dass Sie bei der Mikrobiom-Arbeit zusammenarbeiten. Sie haben aber auch den Ruf erlangt, zu untersuchen, wie sich Umweltveränderungen auf Mikrobiome im alaskischen Permafrost und im Golf von Mexiko auswirken. Welche Arten von Dingen hast du gelernt und was würden dir neue Werkzeuge sagen, die du noch nicht kennst?

Jansson: Für Umweltstudien wollen wir verstehen, wie Ereignisse wie die Ölpest in der Golfregion Deepwater Horizon oder das Auftauen von Permafrost aufgrund der globalen Erwärmung in Alaska die Mikroben und die Prozesse beeinflussen, die sie in diesen Systemen durchführen.

Mit der Ölpest im Golf von Mexiko hatten wir Organismen, die während der Ölpest angereichert wurden und die in der Lage waren, Öl abzubauen. Das war aus dieser Perspektive interessant.

Im Permafrost haben wir eine riesige Kohlenstoffreserve, die derzeit in dieser Umgebung gefangen ist. Was passiert mit diesem Kohlenstoff, wenn der Permafrost auftaut und die Mikroorganismen anfangen, aktiv zu werden und den Kohlenstoff abzubauen? Werden sie viel mehr Kohlendioxid in die Atmosphäre entlassen und den Prozess der globalen Erwärmung verschlimmern? Auf einer sehr grundlegenden Ebene müssen wir verstehen, was diese Mikroorganismen tun.

TKF: Sehr gut. Ich möchte mich gerne einigen Hörerfragen zuwenden. Sie wissen, Mikrobiome sind plötzlich in den Nachrichten, und mehrere Zuhörer wollen über Produkte wissen, die versprechen, unsere Gesundheit zu verbessern und bestimmte Bedingungen zu heilen, indem sie unsere Mikrobiome ändern. Rob, du studierst seit einiger Zeit den amerikanischen Darm. Wissen wir genug über Mikrobiome, damit irgendjemand diese Behauptung machen kann?

Ritter: Ja, aber bis jetzt ist das auf eine sehr kleine Anzahl von Leuten beschränkt. Zum Beispiel gab es eine wirklich schöne Zeitung Zelle von Eran Segal und Eran Elinav vom israelischen Weizmann Institute of Science. Es hat gezeigt, dass basierend auf Ihrem Mikrobiom, können Sie vorhersagen, welche Lebensmittel gute oder schlechte Auswirkungen auf Ihren Blutzucker haben. Der Nachteil ist bisher, dass sie das nur in der israelischen Bevölkerung tun können, wo das Inventar der Nahrungsmittel etwas anders ist als das, was man zum Beispiel in den Vereinigten Staaten sehen würde. Aber diese Technologie ist am Horizont und verbessert sich sehr schnell.

Soweit Probiotika gehen, gibt es nicht viele Beweise, dass Probiotika die allgemeine Gesundheit bei Menschen verbessern, obwohl es einige faszinierende Daten in Mäusen gibt. Auf der anderen Seite gibt es eine gute Anzahl von Probiotika, die in gut durchgeführten randomisierten kontrollierten Studien klinisch untersucht wurden. Für eine Reihe von Zuständen, wie Reizdarmsyndrom, post-antibiotische Diarrhoe und so weiter, gibt es spezielle Probiotika auf dem Markt, die klinisch validiert wurden.

Es ist jedoch wie Drogen, wo bestimmte Probiotika sind gut für bestimmte Bedingungen, aber nicht etwas, das Sie im Allgemeinen sollten. Und genauso wie man es bei Drogen erwartet, müssen die meisten Menschen die meisten Probiotika nicht einnehmen, oder zumindest nicht diejenigen, die bisher untersucht wurden. Also, ich denke, es ist fair zu sagen, dass die öffentliche Begeisterung die tatsächlichen Beweise weit übertrifft. Aber es gibt einige Beweise für diesen Enthusiasmus.

TKF: Jeff, was ist mit der Zukunft? Werden wir in der Lage sein, Krankheiten zu heilen? Kann ich den Stoffwechsel meines Mikrobioms beschleunigen, damit ich Eiscreme essen kann und nie eine Unze bekomme?

MüllerWenn man sich die Probiotika ansieht, die da draußen sind, datieren sie weit zurück. Sie haben ihren Ursprung in der Lebensmittelproduktion, Gärung, Käseherstellung und anderen Prozessen. Die Frage ist also, haben sie einen gesundheitlichen Nutzen oder nicht? Und die Ergebnisse sind oft zweideutig.

Aber das ist ganz anders als zu schauen, was wir jetzt wissen, und zu fragen, okay, wie würden Sie dieses System entwickeln oder überarbeiten? Wäre ein kleines Konsortium von Bakterien eine gute Möglichkeit, das Fettgewebe zu reduzieren und die Muskelmasse mit der Nahrung zu erhöhen? Wie Rob sagte, sind wir noch nicht an den Punkt gelangt, wo wir unser modernes Verständnis von Mikrobiomen auf Probiotika angewandt haben, die jetzt auf dem Markt sind. Aber das Potenzial dafür ist definitiv da.

Also, um Ihre Frage zu beantworten, könnte es Infektionskrankheiten heilen. Ein großartiges Beispiel ist Clostridium difficileinduzierter Durchfall, der durch Antibiotika verursacht wird.Das beste Heilmittel, das wir kennen, ist fäkale Mikrobiom-Transplantation von einem gesunden Spender. Es ist ungefähr 90 Prozent effektiv, also wissen wir, dass es funktionieren kann. Es ist sehr grob, und so stellt sich jetzt die Frage, wie man es durch verfeinerte Wissenschaft besser machen kann, als durch empirische Tests, bei denen es darum geht, zu treffen.

Ritter: Es ist wichtig zu bedenken, dass dies nicht nur für die Zukunft gilt. Es gibt Leute, die herumlaufen, jetzt am Leben, die tot wären, wenn sie nicht fäkale Mikrobiomtransplantationen erhalten hätten. Dies ist eine aktuelle Technologie, die jetzt funktioniert und klinisch angewendet wird. Und was wir tun müssen, ist es, es zu verfeinern. Aber es ist nicht etwas in der Zukunft, es ist etwas, das heute hier ist. [Body Bugs: 5 überraschende Fakten über Ihr Mikrobiom]

TKF: Das eröffnet einige sehr interessante Fragen. Eines der Dinge, die wir über das menschliche Mikrobiom herausgefunden haben, ist, dass es alle Arten von Dingen beeinflusst, von der Entwicklung des Gehirns über Fettleibigkeit bis zum Verhalten. Das sind genau die Dinge, die definieren, wer wir sind. Jetzt reden wir darüber, künstliche Mikrobiome zu synthetisieren. Dies wirft ethische Fragen auf, nicht wahr?

Müller: Bestimmt. Ethik ist ein riesiges, riesiges Gebiet. "Do no harm" ist der erste Grundsatz, ob es nun um Permafrost, Landwirtschaft oder den menschlichen Magen-Darm-Trakt geht. Daher müssen die Anforderungen an die Mikrobiota zur Verwendung als Arzneimittel streng und sorgfältig kontrolliert werden. Und Sicherheit wird offensichtlich das erste Problem sein.

Aber es ist kompliziert, weil dies dynamische Systeme sind. Und die Frage ist, wie lange werden Änderungen dauern? Was sonst würde das Ergebnis dieser Störungen verändern, und so weiter? Daher müssen wir noch viel mehr verstehen, bevor wir versuchen, in großem Umfang zu konstruieren und zu manipulieren.

TKF: Janet, du studierst Ökologie. Können Sie sich eine groß angelegte ökologische Intervention mit Mikrobiomen vorstellen?

Jansson: Bevor ich das anspreche, möchte ich nur auf unsere frühere Diskussion über Probiotika zurückkommen. Zusätzlich dazu, dass wir unser Mikrobiom verändern, können wir es auch durch die Nahrung beeinflussen, die wir hineinlegen. Dies ist auch eine Strategie, die manchmal erfolgreich ist, wenn auch nicht sehr gut verstanden. Anstelle eines Probiotikums wird es Präbiotikum genannt. Zum Beispiel können Sie essen, was ein resistentes Kohlenhydrat oder Stärke genannt wird, die nicht leicht zu verdauen ist. So macht es Ihren Darm relativ intakt. Dies ermöglicht den Mikroorganismen in Ihrem Darm zu konsumieren und zu gären, und das ist vorteilhaft für die Darmgesundheit.

Was die tatsächliche Manipulation eines Ökosystems in großem Maßstab betrifft, ist dies natürlich schwierig. Es gibt Menschen, die über die Düngung der Ozeane durch Zugabe von Eisen gesprochen haben, um die Auswirkungen steigender CO2-Konzentrationen abzufedern oder abzuschwächen. Aber wenn es um Permafrost geht, wie verhindert man den Abbau des dort eingeschlossenen Kohlenstoffs? Das ist schwierig. Aber durch das Wissen über die Arten von Organismen, die dort sind, und diejenigen, die aktiv werden, wenn der Permafrost beginnt aufzutauen, können wir zumindest die Implikationen dieser Veränderungen vorhersagen.

RitterUm nur darauf aufzubauen, was Janet gesagt hat, ist es wichtig sich daran zu erinnern, dass wir die Erde und die menschlichen Mikrobiome über den größten Teil des Planeten bereits radikal überholt haben. Wir bringen sie in Zustände, die in der Natur keinen Präzedenzfall haben.

Das Problem ist, dass wir überhaupt nicht verstanden haben, was wir tun oder was unsere Auswirkungen auf diese Mikrobiome sind. Es ist also nicht so, dass wir sie nicht ändern können. Wir verändern sie bereits. Und habe sie schon geändert. Die Frage ist mehr: "Können wir sie nuancierter und gezielter ändern, wo wir ein besseres Verständnis dafür haben, wie wir sie auf der Mikrobiomebene im Gegensatz zur industriellen oder beruflichen Ebene ändern können?"

TKF: Wir haben über Mikrobiome gesprochen, die Entwicklung und Verhalten beeinflussen. Dies sind die Dinge, die unsere Persönlichkeit bestimmen. Lange Zeit dachten die Forscher, dass unser Erbgut diese Dinge bestimmt. Verstehen wir die Interaktion zwischen Mikrobiomen und Genom? Janet, du schüttelst deinen Kopf, also warum fängst du nicht an?

Jansson: Ich kann Ihnen sagen, dass dies gerade ein sehr heißes Forschungsgebiet ist. Meine Gruppe und einige andere Gruppen versuchen, die Verbindung zwischen dem Genom des Wirts und dem Mikrobiom herzustellen. Ich kann sagen, dass vorläufige Beweise - es gab ein paar Publikationen, die hauptsächlich Mausmodelle betrachteten - nahelegen, dass es einen Zusammenhang gibt. Rob hat eine historischere Perspektive eingenommen, indem er verschiedene Arten menschlicher Populationen und die Auswirkungen von Lebensformen der Vorfahren auf Mikrobiome betrachtet. Rob, vielleicht willst du das kommentieren?

Ritter: Ja. Wir wissen, dass sowohl bei Mäusen als auch beim Menschen, Lebensstilverhalten, wie Ernährung und Hygiene, eine viel größere Wirkung als die Wirtsgenetik hatte. Dies trifft zu, obwohl die Wirtsgenetik immer noch einen statistisch signifikanten Einfluss auf bestimmte Merkmale des Mikrobioms hat, einschließlich interessanterweise Merkmale, die mit Fettleibigkeit beim Menschen assoziiert sind.

MüllerUm Rob eine Aussage zu machen, haben wir schon lange vor unserer Zeit mit unseren mikrobiellen Gemeinschaften zusammengearbeitet Homo sapiens. Wir haben nur etwa ein Dutzend Gene in unserem Genom, um komplexe Kohlenhydrate zu verdauen. Die Mikrobiota in unserem Magen-Darm-Trakt bringt Hunderte von Genen, die das für uns tun. Wenn wir also eine gesunde ballaststoffreiche Ernährung zu uns nehmen, verlassen wir uns auf diese mikrobiellen Konsortien, um diese Nahrung für uns zu verdauen, damit wir einige der Produkte nehmen und für Energie und andere Zwecke verwenden können.

TKF: Also, wie ein Zuhörer fragt, ist es vielleicht keine so gute Idee, Bakterizide einzusetzen, um Mikroben auf jeder Oberfläche in unseren Häusern zu töten.

Müller: Aus vielen Gründen keine gute Idee. Rob, du hast deinen Kopf geschüttelt, also lass ich dich anfangen.

Ritter: Nun, es ist schlecht für so viele Gründe. Sowohl im Hinblick auf die Erhöhung antimikrobiell resistenter Bakterien, denn die Bakterien, die Ihre Versuche überleben, sie zu töten, können diese resistenten Gene dann auf andere Bakterien übertragen, die uns direkt infizieren. Und auch, weil es immer mehr Hinweise gibt, dass ein zu sauberes Haus das Risiko von Autoimmunkrankheiten erhöht, besonders bei Kindern.

TKF: Wir nähern uns dem Ende unserer Diskussion, also möchte ich Ihnen eine letzte Frage stellen. Wissen Sie, unser Verständnis des Mikrobioms hat sich in den letzten 10 oder 15 Jahren dramatisch verändert. Sag mir, was dich am meisten überrascht hat über das, was du entdeckt hast? Janet, warum fangen wir nicht mit dir an?

Jansson: Ich denke, die Sache, die mich am meisten überrascht hat, ist die Bedeutung des Mikrobioms in Bezug auf unsere Gesundheit auf so viele verschiedene Arten. Das war vor zehn Jahren noch gar nicht bekannt. Und das werde ich sagen.

TKF: Okay. Rauben?

Ritter: Verbindungen zwischen dem Mikrobiom und dem Verhalten. Vor einem Jahrzehnt hatten wir Hinweise darauf, dass das Mikrobiom mit Gesundheit verbunden war. Aber niemand sagte voraus, dass es eine Schlüsselrolle im Verhalten spielen würde, besonders bei Säugetieren.

TKF: Und Jeff?

Müller: Vielfalt. Mikroben - ob Sie Krankheitserreger, nützliche Mikroben oder Mikroben in irgendeinem Zusammenhang studieren - sind enorm vielfältig. Das Konzept einer Art muss neu überdacht werden, wenn es um Mikroben geht, denn sie sind nicht nur vielfältig, sondern tauschen ständig genetische Informationen aus. Sie sind wirklich ein sich ständig bewegendes Ziel, und das Ausmaß ihrer funktionalen Vielfalt ist überwältigend.

TKF: Ausgezeichnet. Dies ist sicherlich eine aufregende Zeit für die mikrobielle Forschung. Und ich konnte nicht einmal die beste Frage stellen, nämlich: "Wie bestimmt das Mikrobiom in unserem Darm unser Verhalten?"

Ritter: Wir wissen nicht, wie es passiert, und deshalb brauchen wir eine Unified Microbiome Initiative.

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