Возможности сложных микробных сообществ используются для многочисленных биотехнологических процессов. Это требует особых составов микробных сообществ. Однако они часто нестабильны и подвержены разрушению. Исследователи UFZ разработали «метод массообмена с петлей», который может стабилизировать микробные сообщества в долгосрочной перспективе.
В воде, на суше и в воздухе — микроорганизмы почти везде и необходимы для всех биогеохимических циклов на планете. Они мастера деградации и трансформации в воде, почве и даже в нашем кишечнике. Будь то очистные сооружения или промышленные биотехнологические процессы (например, для производства продуктов питания, биогаза или пластмасс на биологической основе), мы используем продуктивность сложных микробных сообществ. Правильные условия гарантируют, что микроорганизмы могут выполнять свои функции. Однако стабильные процессы требуют и стабильного состава микробного сообщества. «И именно в этом заключается проблема», — говорит профессор Сюзанн Мюллер, возглавляющая рабочую группу по проточной цитометрии в Департаменте экологической микробиологии UFZ. »
Незначительное случайное событие может породить совершенно другое микробное сообщество. И это может произойти довольно быстро, когда микроорганизмы растут в геометрической прогрессии. Кроме того, существует постоянный поток или массоперенос.в биореакторах, что может быть губительно для некоторых микроорганизмов. «В микробных сообществах также есть микроорганизмы, которые присутствуют лишь в сравнительно небольшом количестве и медленно размножаются», — говорит Мюллер. «Например, метанообразующие микроорганизмы, используемые в производстве биогаза, незаменимы для желаемых процессов. Они имеют более медленные темпы роста и вступают в игру только на более поздних стадиях. застой». Чтобы предотвратить это, исследовательская группа UFZ предложила новый метод под названием «перенос массы с помощью петли» в исследовании, недавно опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ). В систему биореактора встраивается своего рода петля, чтобы стабилизировать микробное сообщество и предотвратить полную потерю микробных групп из системы. Но как это работает? И как же поступили ученые?
Сначала они создали пять биореакторов, в каждом из которых были одинаковые микробные сообщества. Затем они исследовали, изменился ли и в какой степени состав этих сообществ с течением времени. Для этого они использовали высокопроизводительную проточную цитометрию , чтобы быстро изучить отдельные клетки и подробно их охарактеризовать. Можно определить различные параметры бактерий, такие как размер клеток, плотность клеток и содержание ДНК. Образец с 200 000 бактериальных клетокТаким образом, он может быть отображен так же точно, как отпечаток пальца — что-то вроде QR-кода — всего за несколько минут. Используя специальные компьютерные методы, исследовательская группа проанализировала огромное количество полученных данных и, таким образом, смогла обнаружить изменения в микробном составе. «Как и предполагалось, микробные сообщества в пяти биореакторах развивались совершенно по-разному, несмотря на одинаковые условия», — говорит Мюллер. Затем исследователи ввели в систему петлю. Этот шестой биореактор был соединен с каждым из пяти реакторов притоком и оттоком. В результате между биореакторами происходил постоянный обмен или массоперенос. «Наши исследования показали, что микробные сообщества в биореакторах были синхронизированы друг с другом по петле и что их состав и функции были постоянно стабилизированы». говорит Мюллер. «Кроме того, была значительно увеличена вероятность выживания микроорганизмов с низкой скоростью роста. Этот эффект спасения может иметь решающее значение для многих биотехнологических процессов».
Эффекты массового переноса не новы; они известны, в том числе, по очистным сооружениям, в которых часть оседающего ила с третьей ступени очистки возвращается на вторую стадию очистки. «На самом деле принцип был довольно очевиден, — говорит Мюллер. «Но до сих пор никто не исследовал это глубоко. В нашем исследовании мы разработали совершенно новую реакторную систему и объединили широкий спектр дисциплин, таких как микробиология, экология, биотехнология, аналитика отдельных клеток, наука о данных и моделирование. Таким образом, мы смогли впервые показать, что принцип массообмена с петлей может стабилизировать микробные сообщества .в долгосрочной перспективе. Мы надеемся, что с помощью нашего исследования мы сможем дать стимулы для практического применения».
Теги: биотехнологии
