Wissenschaftler zeigen, wie man „ökologische Firewalls“ für die Terraformation der Biosphäre entwirft

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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 Wissenschaftsgebiet, das auch als synthetische Biologie bekannt ist, versucht, neuartige funktionale Designs zu produzieren, die auf lebenden Zellen oder subzellulären Mikroben basieren. 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 Studie diskutiert die Verwendung von ökologischen Firewalls zur Vorhersage und Kontrolle von Gemeinschaften von Mikrobiota, in die synthetische Organismen freigesetzt werden.

Einführung

Die Forschung der Synthetischen Biologie hat zur Entwicklung von Werkzeugen geführt, mit denen natürliche Prozesse und neuartige biomedizinische Anwendungen untersucht werden können. Zusammengenommen wurden diese Fortschritte genutzt, um synthetische Ökosysteme, bioinformatische Systeme und mehrzellige Systeme zu entwerfen.

Die Systembiologie ist ein wesentlicher Bestandteil der Fortschritte auf dem Gebiet der synthetischen Biologie. Tatsächlich war in den letzten zehn Jahren eine Art von Systembiologie, die als Gemeinschaftsökologie bekannt ist, eine Inspirationsquelle für mehrere neue Ideen auf dem Gebiet der synthetischen Biologie, in der Konzepte der Populationsdynamik für Mikrobiota untersucht wurden.

Darüber hinaus interessieren sich Forscher zunehmend für die Entwicklung künstlicher Mikroben, die in der Lage sind, verschiedenen durch den Klimawandel verursachten Bedingungen standzuhalten. Einige Beispiele sind spezifische abfallabbauende Bakterien, bodenverbessernde Cyanobakterien oder pflanzliche Mikrobiome.

Der Mensch hat erhebliche Auswirkungen auf die lebende Welt, indem er die Ozeane und Süßwasserkörper verschmutzt, während er gleichzeitig die Entfernung von Kohlendioxid reduziert und den Verfall der biologischen Vielfalt vorantreibt. 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 solcher synthetischer Designs auf Zellgemeinschaften zu bestimmen. Insbesondere frühere Studien wurden durch weitgehend fehlende Moratorien und Modellierungsrahmen eingeschränkt.

Frühere Studien berichteten über die erfolgreiche Nutzung mikrobieller Impftechniken oder die Einführung von Mikroorganismen in Siedlungsabfälle. Allerdings bringen diese Methoden mehrere Mikroorganismen gleichzeitig oder sogar ein ganzes Mikrobiom in die Umwelt ein, was noch zu erforschende Langzeitwirkungen haben kann.

Ökologische Firewalls für die synthetische Biologie

Strategien der Bioeindämmung

Die derzeit in der synthetischen Biologie verwendeten Biocontainment-Strategien bleiben eine Herausforderung, da die meisten dieser Ansätze jegliche Wechselwirkung zwischen den gentechnisch veränderten Stämmen und ihrer Umgebung eliminieren. Das grundlegende Arbeitsprinzip dieser Methoden besteht darin, eine genetische „Firewall“ zu entwickeln, die vorhersagbar arbeitet und bekannten lebenden Organismen sehr ähnlich ist.

Beispielsweise könnte die Entwicklung einer solchen Firewall das Design einer neuen Zelle beinhalten. Darüber hinaus könnte die sequentielle Modifikation von Codons innerhalb entworfener Bakterienzellen sie von den Elternstämmen weg in Richtung der künstlichen Zelle lenken, die von einem unnatürlichen genetischen Code kontrolliert wird.

In der aktuellen Studie diskutieren die Forscher das Konzept der Terraformation als Ansatz zur Lösung des Problems der Populationseindämmung innerhalb der Synthetischen Biologie.

Das Schlüsselkonzept hier ist, dass idealerweise ausgehend 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 Verbreitung innerhalb des gegebenen Lebensraums beschränkt ist.“

Die Erforschung von Ökosystemen und ihren Kipppunkten oder alternativen Zuständen zeigt, dass die richtige Intervention eine degradierte ökologische Gemeinschaft in eine gesunde verwandeln oder wiederherstellen kann. Das heißt, es gibt einige gemeinsame Merkmale eines Ökosystems, die Attraktorzustände sicherstellen, 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 entwerfen, die mit anderen Arten in der ansässigen Gemeinschaft interagieren könnten, so dass der resultierende robuste Attraktorzustand ein Überwachsen synthetischer Organismen verhindern würde.

Frühere Studien zur Invasionsökologie zeigen, dass die Invasion durch eine neue Art durch die Struktur der Wirtsgemeinschaft begrenzt wird, die letztendlich die Besiedlung durch den neuen Mikroorganismus verhindert. Schwache Wirtsgemeinschaften oder das Aussterben von Top-Prädatoren sind Beispiele für Situationen, in denen es dem Eindringling leicht fällt, sich zu etablieren. In einigen Fällen erleichtert der eindringende Organismus die Etablierung von Diversität und hilft dadurch anderen Organismen zu überleben.

Die Attraktorstabilität wird dadurch bestimmt, wie verschiedene 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 entworfenen Eigenschaften des synthetischen Organismus könnten zu einem dynamischen und vielfältigen Ökosystem führen.

In dieser Situation würde die ökologische Firewall das übermäßige Wachstum der eingeführten synthetischen Arten erfolgreich begrenzen, während sie in der Lage bleibt, sich als Reaktion auf eine Zunahme des Umweltproblems, beispielsweise eine Ölpest, zu vermehren.

Potenzielle ökologische Firewalls

In der vorliegenden Arbeit werden fünf mögliche ökologische Firewalls diskutiert, die jeweils auf der Grundlage unterschiedlicher Mechanismen entworfen wurden, darunter die dynamische Beziehung zwischen Ressourcen und Verbrauchern, Mutualismus, Parasitismus, indirekte Zusammenarbeit und Nischenökologie.

Jede Firewall stellt ein bestimmtes Netzwerk von Interaktionen zwischen Arten dar, die dazu bestimmt sind, innerhalb eines größeren Netzes oder einer natürlichen Gemeinschaft zu operieren, die für eine bestimmte funktionale Rolle verantwortlich ist. Die Wissenschaftler wählten einen Modellsatz, der eine einzelne Art in einer einzigen Dimension verwendet, um das theoretische Problem und sein Ergebnis zu vereinfachen.

In der aktuellen Studie wurden keine spezifischen Genkonstrukte vorgeschlagen. Stattdessen betrachteten die Forscher Beispiele, bei denen die grundlegenden funktionellen Merkmale vom Organismus nach seiner Einführung in eine bestimmte Umgebung übernommen wurden. 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 bestimmte anthropogene Xenobiotika wie Plastik, widerspenstige Chemikalien oder Ölverschmutzungen effizient abbauen können. Wenn der Mikroorganismus ein Teil seiner Gemeinschaft wird und die anthropogenen Substratniveaus unter bestimmte vorbestimmte Grenzen reduziert werden, sollte der synthetische Stamm aussterben.

Das in der aktuellen Studie verwendete Modell machte Vorhersagen, die den jüngsten Erkenntnissen über die Auswirkungen aktueller Anwendungen der synthetischen Biologie genau ähneln. Dazu gehört der exponentielle Anstieg von Kunststoffabfällen, die in den Ozean gekippt werden, ohne dass es zu einer Erhöhung der in den Proben erfassten Kunststoffkonzentrationen im Meer kam. Gleichzeitig werden weltweit immer mehr plastikfressende Bakterien nachgewiesen.

Synthetische wechselseitige Firewall

In dem wechselseitigen 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 Gemeinschaft verbessert und gleichzeitig die Produktionsfähigkeit des Bodens verbessert. Verbesserte Bodenniveaus werden anschließend den synthetischen Cyanobakterien zugute kommen, wodurch ein Koexistenz-Attraktor-Ergebnis sichergestellt wird.

Firewall für indirekte Zusammenarbeit

Im Beispiel der indirekten Kooperations-Firewall ernähren sich synthetische Organismen, die Kohlenstoff aus den Toxinen einer Ölpest gewinnen, gegenseitig und die Gemeinschaft, während sie helfen, die Toxine zu beseitigen. Wenn der Ölgehalt mit zunehmender Entfernung abnimmt, wird der synthetische Stamm weniger häufig, stirbt aber nicht aus.

Auswirkungen

Die Wissenschaftler haben die Machbarkeit der Verwendung von technischen ökologischen Ansätzen demonstriert, um das Überwachsen synthetischer mikrobieller Stämme zu verhindern. Hier betrachteten sie verschiedene Arten von ökologischen Netzwerken, um verschiedene Firewall-Konzepte zu etablieren, die es Ökosystemen ermöglichen, ihr erforderliches Maß an Vielfalt beizubehalten und gleichzeitig wie gewünscht funktionsfähig zu bleiben.

Ökologische Firewalls werden dazu beitragen, zukünftige Bioremediationsstrategien anzugehen.“

Weitere Studien können dazu beitragen, genetische Firewalls in diesen breiteren Ansatz auf Systemebene zu integrieren, um das Niveau der Bioabdichtung zu verbessern. Die Einführung einer begrenzten Zeitspanne ist eine weitere potenziell nützliche Intervention.

Stochastische Parameter wären auch bei der Erstellung detaillierterer Modelle hilfreich, was eine sorgfältige Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen den Arten und abiotischen Faktoren erforderlich macht.

Vor allem sollten diese EFW verwendet werden, um zukünftige Terraformationsstrategien in einem Mikrokosmos/Mesokosmos-Rahmen zu testen, wo das Vorhandensein und die Zuverlässigkeit der vorherigen Attraktorzustände unter realistischen Bedingungen untersucht werden könnten.“