Die moderne Wissenschaft ist so weit fortgeschritten, dass Wissenschaftler lebende Systeme entwerfen oder bestehende Systeme modifizieren können, wodurch sie in einigen Fällen die Grenzen der Natur erweitern oder durchbrechen, um bestimmte Ziele zu erreichen.
Dieses wissenschaftliche Gebiet, das auch als synthetische Biologie bekannt ist, versucht, neue funktionale Designs auf der Grundlage lebender Zellen oder subzellulärer Mikroben herzustellen. Trotz ihres Versprechens gibt es potenzielle Gefahren im Zusammenhang mit den Auswirkungen der synthetischen Biologie auf die Dynamik von Gemeinschaften, die untersucht werden müssen.
Lernen: Ökologische Firewalls für die synthetische Biologie. Bildnachweis: Kotkoa/Shutterstock.com
Ein neuer iWissenschaft Die Studie diskutiert die Verwendung von ökologischen Firewalls zur Vorhersage und Kontrolle von Mikrobiota-Gemeinschaften, in die synthetische Organismen freigesetzt werden.
Einführung
Die Forschung der Synthetischen Biologie hat zur Entwicklung von Werkzeugen geführt, mit denen natürliche Prozesse und neue biomedizinische Anwendungen untersucht werden können. Zusammengenommen wurden diese Fortschritte genutzt, um synthetische Ökosysteme, Bioinformatiksysteme und mehrzellige Systeme zu entwerfen.
Die Systembiologie ist ein wesentlicher Bestandteil der Fortschritte in der synthetischen Biologie. Tatsächlich hat in den letzten zehn Jahren eine als Gemeinschaftsökologie bekannte Art der Systembiologie mehrere neue Ideen auf dem Gebiet der synthetischen Biologie inspiriert, in denen die Konzepte von Populationen auf Mikrobiota untersucht wurden.
Darüber hinaus interessieren sich Forscher zunehmend für die Entwicklung künstlicher Mikroben, die verschiedenen Bedingungen standhalten können, die durch den Klimawandel verursacht werden. Einige Beispiele sind spezifische abfallabbauende Bakterien, bodenverbessernde Cyanobakterien oder pflanzliche Mikrobiome.
Der Mensch hat erhebliche Auswirkungen auf die lebende Welt verursacht, indem er Ozeane und Süßwasserkörper verschmutzt, gleichzeitig die Entfernung von Kohlendioxid reduziert und den Abbau der biologischen Vielfalt vorangetrieben hat. Daher könnte die Entwicklung dieser Arten von Mikroorganismen dazu beitragen, Ökosysteme zu erhalten oder wiederherzustellen, insbesondere solche, die von katastrophalen klimabedingten Ereignissen bedroht sind.
Trotz ihres Versprechens bleibt ein dringender Bedarf, die Wirkung dieser synthetischen Designs auf zelluläre Gemeinschaften zu bestimmen. Bemerkenswerterweise waren frühere Studien durch weitgehend fehlende Moratorien und Modellierungsrahmen eingeschränkt.
Frühere Studien haben über den erfolgreichen Einsatz von Techniken berichtet, die auf mikrobieller Inokulation oder der Einführung von Mikroorganismen in Siedlungsabfälle basieren. Diese Methoden bringen jedoch mehrere Mikroorganismen gleichzeitig oder sogar ein ganzes Mikrobiom in die Umwelt ein, was möglicherweise noch zu erforschende Langzeitwirkungen haben kann.
Biocontainment-Strategien
Biocontainment-Strategien, die derzeit in der synthetischen Biologie verwendet werden, bleiben eine Herausforderung, da die meisten dieser Ansätze jegliche Wechselwirkung zwischen den modifizierten Stämmen und ihrer Umgebung eliminieren. Das grundlegende Funktionsprinzip dieser Methoden besteht darin, eine genetische „Firewall“ zu entwickeln, die vorhersagbar funktioniert und bekannten lebenden Organismen sehr ähnlich ist.
Beispielsweise könnte die Entwicklung einer solchen Firewall das Entwerfen einer neuen Zelle umfassen. Darüber hinaus könnte die sequentielle Modifikation der Codons in den gentechnisch veränderten Bakterienzellen sie von den Elternstämmen weg in Richtung der künstlichen Zelle bewegen, die von einem unnatürlichen genetischen Code kontrolliert wird.
In der vorliegenden Studie diskutieren Forscher das Konzept des Terraforming als Ansatz zur Lösung des Problems der Populationseindämmung im Rahmen der Synthetischen Biologie.
Das Schlüsselkonzept hier ist, dass idealerweise von einem Mitglied der ansässigen Gemeinschaft ein synthetischer Stamm erhalten werden kann, um wieder eingeführt zu werden, um eine Funktion zu erfüllen, während er auf eine begrenzte Ausbreitung in dem gegebenen Lebensraum beschränkt ist..“
Die Erforschung von Ökosystemen und ihren Wendepunkten oder alternativen Zuständen zeigt, dass die richtige Intervention eine geschädigte ökologische Gemeinschaft in eine gesunde verwandeln oder wiederherstellen kann. Mit anderen Worten, es gibt bestimmte gemeinsame Merkmale eines Ökosystems, die Attraktorzustände garantieren, die es dem Ökosystem ermöglichen, in einen oder mehrere mögliche Gleichgewichtszustände einzutreten.
Die Herausforderung, vor der diese Forscher standen, bestand darin, Organismen zu modifizieren oder zu konstruieren, die mit anderen Arten in der ansässigen Gemeinschaft interagieren könnten, sodass der resultierende robuste Attraktorzustand die Vermehrung synthetischer Organismen verhindern würde.
Frühere Studien zur Ökologie der Invasion zeigen, dass die Invasion durch eine neue Art durch die Struktur der Wirtsgemeinschaft begrenzt ist, was letztendlich die Besiedlung durch den neuen Mikroorganismus verhindert. Die Schwäche von Wirtsgemeinschaften oder das Aussterben großer Raubtiere sind Beispiele für Situationen, in denen der Eindringling leicht Fuß fassen kann. In einigen Fällen erleichtert der eindringende Organismus die Etablierung von Diversität und hilft dadurch anderen Organismen zu überleben.
Die Stabilität des Attraktors wird dadurch bestimmt, wie die verschiedenen Organismen im Ökosystem miteinander interagieren. Mit einem einzigen stabilen Attraktor könnte ein Ökosystem entworfen werden, in dem mehrere Arten, einschließlich des synthetischen Stamms, auf unbestimmte Zeit koexistieren. Mit anderen Worten, die konstruierten Eigenschaften des synthetischen Organismus könnten zu einem dynamischen und vielfältigen Ökosystem führen.
In dieser Situation würde die ökologische Firewall die Verbreitung eingeführter synthetischer Arten erfolgreich begrenzen, während es ihnen ermöglicht wird, sich als Reaktion auf eine Zunahme des Umweltproblems, beispielsweise eine Ölpest, zu vermehren.
Potenzielle ökologische Firewalls
In diesem Artikel werden fünf mögliche ökologische Firewalls diskutiert, von denen jede auf der Grundlage unterschiedlicher Mechanismen entworfen wurde, darunter die dynamische Beziehung zwischen Ressourcen und Verbrauchern, Mutualismus, Parasitismus, indirekte Zusammenarbeit und Nischenökologie.
Jede Firewall stellt ein spezifisches Netzwerk von Arteninteraktionen dar, die dazu bestimmt sind, innerhalb eines größeren Netzwerks oder einer natürlichen Gemeinschaft zu funktionieren, die für eine bestimmte funktionale Rolle verantwortlich ist. Die Wissenschaftler wählten eine Reihe von Modellen, die eine einzelne Spezies in einer einzigen Dimension verwenden, um das theoretische Problem und sein Ergebnis zu vereinfachen.
In der vorliegenden Studie wurde kein spezifisches Genkonstrukt vorgeschlagen. Stattdessen betrachteten die Forscher Beispiele, bei denen der Organismus nach seiner Einführung in eine bestimmte Umgebung grundlegende funktionelle Merkmale annahm. Bei jedem Typ koexistiert der synthetische Organismus mit der bestehenden Gemeinschaft, obwohl er manchmal auf ein sehr niedriges Niveau schrumpfen kann.
Ressourcenverbrauchende Firewall
Am Beispiel der Ressourcen-Verbraucher-Dynamik geht es darum, synthetische Mikroorganismen zu entwickeln, die in der Lage sind, bestimmte anthropogene Xenobiotika wie Plastik, widerspenstige Chemikalien oder Ölverschmutzungen effizient abzubauen. Wenn der Mikroorganismus Teil seiner Gemeinschaft wird und die anthropogenen Substratniveaus unter bestimmte vorbestimmte Grenzen reduziert werden, sollte der synthetische Stamm aussterben.
Das in der vorliegenden Studie verwendete Modell machte Vorhersagen, die den jüngsten Erkenntnissen über die Auswirkungen aktueller Anwendungen der synthetischen Biologie genau ähneln. Dazu gehört die exponentielle Zunahme von Plastikabfällen, die in den Ozean entsorgt werden, was die Konzentrationen von Proben aus Meeresplastik nicht erhöht hat. Gleichzeitig werden weltweit immer mehr plastikfressende Bakterien nachgewiesen.
Synthetische gegenseitige Firewall
In dem Mutualistic-Firewall-Modell untersuchten die Forscher, wie Cyanobakterien manipuliert werden könnten, um die Bodenfeuchtigkeit in Trockengebieten zu verbessern. Ein solcher Ansatz würde das Wachstum von mehr Pflanzen im Boden erleichtern und gleichzeitig die Bodenqualität verbessern und die mikrobielle Vielfalt im Boden erhalten.
Das Verhalten der synthetischen Mutualistic-Firewall ist ideal, da sie den Feuchtigkeitsgehalt in der gesamten Gemeinde verbessert und gleichzeitig die Produktionsfähigkeit des Bodens verbessert. Verbesserte Bodenniveaus werden anschließend synthetischen Cyanobakterien zugute kommen und so ein Koexistenz-Attraktor-Ergebnis sicherstellen.
Firewall für indirekte Zusammenarbeit
Im Beispiel der indirekten Kooperations-Firewall unterstützen sich die synthetischen Organismen, die Kohlenstoff aus Giftstoffen bei einer Ölpest gewinnen, gegenseitig und die Gemeinschaft, während sie helfen, die Giftstoffe zu beseitigen. Wenn der Ölgehalt mit zunehmender Entfernung abnimmt, wird der synthetische Stamm weniger häufig, stirbt aber nicht aus.
Konsequenzen
Wissenschaftler haben die Durchführbarkeit ökologischer Ansätze nachgewiesen, die darauf abzielen, die Vermehrung synthetischer mikrobieller Stämme zu verhindern. Dabei betrachteten sie verschiedene Arten von ökologischen Netzwerken, um verschiedene Firewall-Konzepte zu etablieren, die es Ökosystemen ermöglichen, ihre erforderliche Vielfalt beizubehalten und gleichzeitig wie gewünscht funktionsfähig zu bleiben.
Ökologische Firewalls werden dazu beitragen, zukünftige Biosanierungsstrategien anzugehen.“
Weitere Studien könnten dazu beitragen, genetische Firewalls in diesen breiteren Ansatz auf Systemebene zu integrieren, um das Niveau der Bioeindämmung zu verbessern. Die Einführung einer Befristung ist ein weiterer potenziell sinnvoller Eingriff.
Stochastische Parameter wären auch nützlich, um detailliertere Modelle zu erstellen, die eine eingehende Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Arten und abiotischen Faktoren erfordern.
Wichtig ist, dass diese EFWs verwendet werden sollten, um zukünftige Terraforming-Strategien in einer Mikrokosmos-/Mesokosmos-Umgebung zu testen, wo das Vorhandensein und die Zuverlässigkeit früherer Attraktorzustände unter realistischen Bedingungen untersucht werden könnten..“