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Além da biologia sintética, a ecologia sintética aumenta a saúde ao projetar o meio ambiente
Há muito interesse agora em como diferentes microbiomas - como o composto por todas as bactérias em nossos intestinos - poderiam ser aproveitados para melhorar a saúde humana e curar doenças.
Por Kat J. McAlpine - 05/06/2021


Em um novo estudo da Nature Communications , pesquisadores da Microbiome Initiative da BU descobriram que fornecer às comunidades microbianas uma variedade mais ampla de fontes de alimentos não aumentava a variedade de espécies microbianas em seus experimentos, mas mais comida alimentava mais o crescimento microbiano. O objetivo final da equipe é aprender como direcionar o comportamento do microbioma por meio de moléculas ambientais como fontes de alimentos. Crédito: Alan Pacheco e Daniel Segrè.

Há muito interesse agora em como diferentes microbiomas - como o composto por todas as bactérias em nossos intestinos - poderiam ser aproveitados para melhorar a saúde humana e curar doenças. Mas Daniel Segrè tem como objetivo uma visão muito mais ambiciosa de como o microbioma pode ser manipulado para o bem: "Para ajudar a sustentar nosso planeta, não apenas nossa própria saúde."

Segrè, diretor da Boston University Microbiome Initiative, diz que ele e outros cientistas em seu campo de biologia sintética e de sistemas estão estudando microbiomas - comunidades microscópicas de bactérias, fungos ou uma combinação daqueles que exercem influência uns sobre os outros e o ambiente circundante. Eles querem saber como os microbiomas podem ser direcionados para realizar tarefas importantes, como absorver mais carbono atmosférico , proteger os recifes de coral da acidificação do oceano, melhorar a fertilidade e o rendimento das terras agrícolas e apoiar o crescimento de florestas e outras plantas, apesar das mudanças nas condições ambientais .

"Os micróbios nos afetam como humanos por meio de seus próprios processos metabólicos, eles afetam nosso planeta por meio do que consomem e secretam, ajudam a criar o oxigênio que respiramos", diz Segrè, professor de biologia e bioinformática da Faculdade de Artes e Ciências da BU, e um Professor da Faculdade de Engenharia de Engenharia Biomédica. "Muito tempo atrás, os micróbios tornaram a vida multicelular possível."

Mas, ao contrário de muitos outros biólogos sintéticos que estão trabalhando para melhorar ou criar geneticamente os micróbios diretamente, Segrè está mais interessado em como direcionar o comportamento de um microbioma ajustando as condições ambientais em que vive - uma abordagem que ele diz que poderia ser melhor descrita como " ecologia sintética. "

"A abordagem mais tradicional da biologia sintética seria manipular os genomas dos micróbios", diz Segrè. "Mas estamos tentando manipular ecossistemas microbianos usando moléculas ambientais."

"Sabemos que as interações microbianas com o meio ambiente são importantes", diz Alan Pacheco, que obteve seu doutorado. em bioinformática trabalhando no laboratório de Segrè. Algumas dessas interações beneficiam várias espécies microbianas, algumas beneficiam apenas uma espécie em uma comunidade e algumas podem ser prejudiciais a certas espécies, diz ele. "Mas ainda há muito que não sabemos sobre por que essas interações acontecem da maneira que acontecem."
 
Em um novo estudo publicado recentemente na Nature Communications, Segrè, Pacheco e sua colaboradora Melisa Osborne, uma cientista pesquisadora do laboratório de Segrè, exploraram como a presença de 32 moléculas ou nutrientes ambientais diferentes, sozinhas ou em combinação com outros, influenciaria o crescimento taxa de comunidades microbianas e a mistura de diversas espécies que constituem um determinado microbioma.

"No fundo de nossas mentes, tínhamos essa ideia de dieta, emoldurada por estudos que analisaram as diferenças no microbioma intestinal com base nas dietas ocidentais e de caçadores-coletores", disse Pacheco, que agora é pós-doutorado na ETH Zürich. As dietas de caçadores-coletores, oportunistas e compreendendo uma ampla gama de fontes de alimentos vegetais, são consideradas muito mais diversificadas do que a dieta ocidental, razão pela qual se acredita que a dieta do caçador-coletor cultiva um intestino mais saudável.

Mas os resultados experimentais surpreenderam a equipe. Eles esperavam ver o crescimento e a diversidade de microbiomas aumentando à medida que os "insetos" tivessem mais acesso a uma variedade de alimentos - uma variedade de carbonos, incluindo açúcares, aminoácidos e polímeros complexos - mas não foi isso que seus experimentos cuidadosamente controlados revelaram. Em vez disso, eles observaram que a competição por comida entre diferentes espécies de micróbios dificultava a diversificação dentro da comunidade microbiana.

"Nossos resultados demonstram que a complexidade ambiental por si só não é suficiente para manter a diversidade da comunidade e fornecem orientação prática para projetar e controlar ecossistemas microbianos ", escrevem os autores.

Então, quais são os mecanismos que controlam a diversidade de um microbioma? “Vai levar algum tempo para descobrir a causa de todas essas interações”, diz Segrè.

Embora o aumento da variedade de fontes de alimentos não tenha aumentado a variedade de espécies microbianas em seus experimentos, mais comida alimentou mais crescimento microbiano. “Descobrimos que a produção depende do número total de fontes de carbono, mas não da variedade dessas fontes”, diz Segrè. "É como pessoas em um piquenique - se um número suficiente de pessoas vier para um piquenique, não importa a distribuição de diferentes alimentos, eventualmente tudo será comido. Em muitos de nossos experimentos, as comunidades microbianas usaram até a última gota de fonte de carbono para a extensão máxima. "

Pacheco acrescenta que se alguém pode consumir algo, outra pessoa pode vencê-lo na competição. "Nossos experimentos mostraram que o modulador crucial na diversidade microbiana é o quanto esses diferentes organismos competem uns com os outros por recursos", diz ele. "Quanto mais organismos competirem, menos diversificada será a comunidade."

A equipe planeja fazer mais pesquisas sobre fatores ambientais adicionais, investigando como o acesso a nutrientes e a variedade mudam as comunidades microbianas ao longo do tempo, e como o meio em que a comunidade microbiana vive afeta seu consumo e secreção de moléculas. Eles também estão explorando como os processos metabólicos entre diferentes espécies microbianas podem interagir e interagir uns com os outros, e como a capacidade de alguns organismos de consumir vários recursos sequencialmente ou simultaneamente afeta o microbioma em geral.

Desbloquear e, eventualmente, controlar todos esses "botões e botões" ambientais poderia abrir portas para o uso de microbiomas para influenciar o metabolismo humano e a saúde ou estados de doença nas pessoas e nos ecossistemas naturais.

 

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