Οι μικροβιακές κοινότητες ή τα μικροβιώματα είναι απαραίτητες για τη διαφύλαξη της ανθρώπινης και περιβαλλοντικής υγείας μέσω της πιο ευρέως χρησιμοποιούμενης βιοτεχνολογικής διαδικασίας στον πλανήτη μας: της βιολογικής επεξεργασίας λυμάτων. Ωστόσο, η ίδια η διαδικασία υπόκειται σε συνεχείς αλλαγές, είναι δύσκολο να διατηρηθεί για μεγάλες χρονικές περιόδους και εκπέμπει σημαντικές ποσότητες αερίων του θερμοκηπίου. Υπάρχει επομένως επείγουσα ανάγκη να προβλεφθεί η συμπεριφορά του πολύπλοκου μικροβιώματος του για καλύτερο έλεγχο της διαδικασίας και βελτίωση της μηχανικής της.
Ερευνητές από την ομάδα Systems Ecology στο Κέντρο Συστημάτων Βιοϊατρικής του Λουξεμβούργου (LCSB) και το Τμήμα Επιστημών Ζωής και Ιατρικής του Πανεπιστημίου του Λουξεμβούργου και οι διεθνείς συνεργάτες τους έχουν τώρα αναπτύξει μια νέα προσέγγιση μοντελοποίησης που μπορεί να προβλέψει τη δυναμική και τις λειτουργίες τέτοιων μικροβιακών κοινότητες αρκετά χρόνια στο μέλλον. Το ερευνητικό άρθρο δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature Ecology and Evolution μαζί με ένα αντίστοιχο Research Briefing.
Οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων αποτελούν βασική υποδομή, προστατεύοντας την ανθρώπινη και περιβαλλοντική υγεία μέσω της αποχέτευσης του νερού. Ωστόσο, είναι εξαιρετικά πολύπλοκα συστήματα που μπορεί να είναι δύσκολο να διαχειριστούν. Μια άμεση πρόκληση είναι πώς να προβλέψουμε με ακρίβεια τη δυναμική των μικροβιακών κοινοτήτων που καθοδηγούν τη διαδικασία θεραπείας, η οποία είναι απαραίτητη για τον καλύτερο έλεγχο και τη βιωσιμότητα της. Στην τελευταία τους μελέτη, μια ομάδα ερευνητών αντιμετώπισε αυτό το ζήτημα κατά μέτωπο αναπτύσσοντας ένα νέο πλαίσιο για να κάνει τέτοιες προβλέψεις με ακρίβεια έως και τρία χρόνια στο μέλλον.
Για την εργασία τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα μοναδικό σύνολο δειγμάτων, που συλλέγονταν εβδομαδιαία στη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων στο Schifflange (Λουξεμβούργο) για ενάμιση χρόνο. Στη συνέχεια δημιούργησαν ένα ευρύ φάσμα μοριακών δεδομένων υψηλής ανάλυσης (“meta-omics”) σε κάθε δείγμα και το συνδύασαν με περιβαλλοντικές πληροφορίες που συγκεντρώθηκαν για την τοποθεσία.
Η μετα-ομική επιτρέπει στους επιστήμονες να μελετήσουν ολόκληρα τα γονιδιώματα, τα μεταγραφικά και τα πρωτεώματα μιας μικροβιακής κοινότητας ταυτόχρονα, παρέχοντας πλήρη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της κοινότητας και αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον της. «Τα δεδομένα μετα-ομικής καλύπτουν, με περίπλοκες λεπτομέρειες, πληροφορίες σχετικά με την αφθονία, τη δραστηριότητα και το μεταβολισμό του ευρέος φάσματος μικροβίων που ζουν στη μονάδα επεξεργασίας, τόσο γνωστών όσο και άγνωστων», εξηγεί ο Δρ Francesco Delogu, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης.
Χρησιμοποιώντας μαθηματική και στατιστική μοντελοποίηση, οι ερευνητές μπόρεσαν να μειώσουν τις τεράστιες ποσότητες δεδομένων σε μόνο 17 θεμελιώδη σήματα. Αυτά τα σήματα αντιπροσωπεύουν τους βασικούς οδηγούς της μικροβιακής κοινότητας και ως εκ τούτου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη της σύνθεσης και της δραστηριότητάς της στο μέλλον. Αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να προβλέψει πότε και πού είναι πιθανό να εμφανιστούν πιθανά προβλήματα, όπως ο αφρισμός ή η εμφάνιση παθογόνων μικροοργανισμών και να επιτρέψει τη λήψη αντίμετρων.
“Για να ενοποιήσουμε τα διαφορετικά επίπεδα πληροφοριών, χρησιμοποιήσαμε μια αυστηρή προσέγγιση για την εξαγωγή σχετικών πληροφοριών με την πάροδο του χρόνου. Χρησιμοποιήσαμε μεθοδολογίες ανάλυσης αιχμής, συμπεριλαμβανομένου του εργαλείου πρόβλεψης ανοιχτού κώδικα Prophet από το Meta/Facebook, και επικυρώσαμε την ακρίβεια των προβλέψεών μας με επιπλέον δείγματα», διευκρινίζει περαιτέρω ο Δρ Delogu.
«Με βάση τη δουλειά μας, τα μικροβιώματα που οδηγούν τη βιολογική επεξεργασία των λυμάτων δεν είναι πλέον ένα μαύρο κουτί», εξηγεί η Δρ Émilie Muller, συν-συγγραφέας της μελέτης, πρώην μέλος της ομάδας Systems Ecology και ερευνήτρια στο εργαστήριο GMGM του Πανεπιστημίου του Στρασβούργου. και το γαλλικό CNRS. “Αυτή η στρατηγική μπορεί τώρα να εφαρμοστεί σε άλλα οικοσυστήματα, είτε πρόκειται για μικροβίωμα του ανθρώπινου εντέρου είτε για μικροβιακές κοινότητες σε παρθένα περιβάλλοντα που αντιμετωπίζουν διαταραχές. Αυτό είναι πολύ σημαντικό για την πρόβλεψη των μικροβιακών οικοσυστημάτων και τον τρόπο με τον οποίο επηρεάζονται από την παγκόσμια περιβαλλοντική αλλαγή.”
Η νέα προσέγγιση έχει μια σειρά από σημαντικές επιπτώσεις για το μέλλον της επεξεργασίας των λυμάτων και για τις βιοτεχνολογικές διεργασίες που βασίζονται στα μικροβιώματα γενικά. Η ικανότητα πρόβλεψης και συνεπώς αποφυγής προβλημάτων σε μονάδες βιολογικού καθαρισμού λυμάτων θα μπορούσε να οδηγήσει σε αύξηση της βιωσιμότητας και της αποτελεσματικότητάς τους, μειώνοντας το κόστος και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Αυτή η νέα προσέγγιση θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων και πιο αποτελεσματικών στρατηγικών επεξεργασίας, βελτιώνοντας τη συνολική ποιότητα του επεξεργασμένου νερού και συμβάλλοντας σε ένα πιο υγιεινό περιβάλλον.
Επιπλέον, αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να έχουν επιπτώσεις σε άλλους τομείς, όπως η παραγωγή βιοενέργειας και η περιβαλλοντική αποκατάσταση. Αναπτύσσοντας μια καλύτερη κατανόηση των μικροβιακών αποκρίσεων στις περιβαλλοντικές συνθήκες, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να αναπτύξουν νέους τρόπους για να αξιοποιήσουν τη δύναμη των μικροβίων. Τέλος, η ίδια προσέγγιση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της υγείας και της δυναμικής του ανθρώπινου μικροβιώματος σε σχέση με διατροφικές αλλαγές, φάρμακα και περιβαλλοντικές εκθέσεις.