Microbiomen, gemeenschappen van eencellige organismen, zijn overal in de natuur. Ze spelen een belangrijke rol in gezondheid en landbouw, toch weten we verrassend weinig over hen. Nanowetenschap zou kunnen helpen.

In een verregaande discussie twee toponderzoekers spraken met de Kavli Foundation over hoe nanowetenschap ons kan helpen natuurlijke microbiomen te begrijpen en te manipuleren.

Microbiomen zijn gemeenschappen van bacteriën, schimmels, protozoa, algen, andere eencellige microben, en virussen die op complexe manieren met elkaar interageren. Deze ecosystemen zijn enorm complex. Een paar gram bodem of zeesediment kan wel honderdduizenden verschillende soorten microben bevatten.

"Er zijn al deze verbazingwekkende scheikunde die microben uitvoeren die echt geweldige dingen voor de mensheid kunnen doen, zoals het leveren van nieuwe antibiotica en voedingsstoffen voor gewassen. Het is zo'n beetje een onbeperkte bron van nieuwigheid en chemie - als we verbeterde tools kunnen ontwikkelen om er gebruik van te maken, " zei Eoin Brodie, een stafwetenschapper bij de afdeling Ecologie van het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Vroeger, onderzoekers hebben geprobeerd deze gemeenschappen te begrijpen door verschillende microben in culturen te kweken en hun gedrag te observeren. Toch groeit slechts een klein deel van deze micro-organismen in zuivere culturen.

Nanowetenschap zou nieuwe manieren kunnen bieden om deze complexe ecosystemen te ontrafelen, volgens Jack Gilbert, een hoofdonderzoeker bij de Biosciences Division van Argonne National Laboratory.

Een manier om inzicht te krijgen in microbiomen is door een aminozuur of voedseldeeltje te labelen met kwantumstippen en deze te bestralen zodat ze gloeien. Dit zou laten zien welke microben actief waren en hoe ze in de loop van de tijd op verschillende omgevingsstimuli reageren, legde Gilbert uit.

Nanowetenschap zou onderzoekers ook kunnen helpen om microbioomsoorten uit te schakelen zoals we genen in DNA uitschakelen. Dit zou wetenschappers in staat stellen te bestuderen welke individuele soorten bijdragen aan de gemeenschap.

Brodie gelooft dat we sensoren op nanoschaal kunnen gebruiken die vergelijkbaar zijn met de sensoren die worden ontwikkeld om de hersenen te onderzoeken om de bodem te bestuderen. Deze apparaten ter grootte van een chip zouden goedkoop zijn en worden aangedreven door radiogolven, dus ze zouden geen batterijen nodig hebben om metingen te doen en gegevens te verzenden. Onderzoekers konden de grond bezaaien met tienduizenden van deze sensoren en observeren hoe het microbioom veranderde toen plantenwortels door de grond dringen.

Vergelijkbare sensoren kunnen ons helpen begrijpen hoe bacteriën antibioticaresistentie ontwikkelen en ziektereservoirs vormen in ziekenhuizen, zei Gilbert, die de evolutie van microbiomen in medische faciliteiten bestudeert.

Zowel Brodie als Gilbert geloven dat we belangrijke resultaten kunnen bereiken door microbiomen te manipuleren.

Brodie, bijvoorbeeld, is van mening dat door het wijzigen van bacteriekolonies die atmosferische stikstof omzetten in kunstmest en die al op veel planten leven, we zouden de behoefte aan bemesting kunnen verminderen of elimineren.

Gilbert gelooft dat microbiomen de gezondheid kunnen verbeteren. Een groeiend aantal onderzoeken koppelt ontstekingsaandoeningen als astma en eczeem aan de gezondheid van het persoonlijke microbioom. Gilbert probeert ideale habitats te creëren voor gezonde microbiomen in onze huizen, kantoorgebouwen, en openbare ruimtes. Deze habitats zouden mensen blootstellen, vooral zuigelingen, aan de microben die ze nodig hebben om hun immuunsysteem te versterken.

Gilbert noemt de samenvloeiing van nanowetenschap en microbioomonderzoek een ontluikend veld.

Brodie is het ermee eens:"We moeten duidelijk over disciplines heen werken en onze netwerken van onderzoekers blijven uitbreiden. We moeten contact blijven zoeken."