Mikrobiomer, samhällen av encelliga organismer, finns överallt i naturen. De spelar viktiga roller inom hälsa och jordbruk, men vi vet förvånansvärt lite om dem. Nanovetenskap kan hjälpa.

I en långtgående diskussion, två toppforskare talade med Kavli Foundation om hur nanovetenskap kan hjälpa oss att förstå och manipulera naturliga mikrobiomer.

Mikrobiomer är samhällen av bakterier, svampar, protozoer, alger, andra encelliga mikrober, och virus som interagerar med varandra på komplexa sätt. Dessa ekosystem är oerhört komplexa. Några gram jord eller marint sediment kan innehålla så många som flera hundra tusen olika arter av mikrober.

"Det finns alla dessa fantastiska kemier som mikrober utför som kan göra riktigt underbara saker för mänskligheten, som att tillhandahålla nya antibiotika och näringsämnen för grödor. Det är i stort sett en obegränsad resurs av nyhet och kemi - om vi kan utveckla förbättrade verktyg för att utnyttja det, " sa Eoin Brodie, en stabsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratorys ekologiavdelning.

Förr, forskare har försökt förstå dessa samhällen genom att odla olika mikrober i kulturer och observera deras beteenden. Ändå växer bara en liten del av dessa mikroorganismer i rena kulturer.

Nanovetenskap kan ge nya sätt att reda ut dessa komplexa ekosystem, enligt Jack Gilbert, en principutredare vid Argonne National Laboratory's Biosciences Division.

Ett sätt att få insikt i mikrobiomer är att märka en aminosyra eller matpartikel med kvantprickar och bestråla dem så att de lyser. Detta skulle visa vilka mikrober som var aktiva och hur de reagerar på olika miljöstimuli över tid, förklarade Gilbert.

Nanovetenskap kan också hjälpa forskare att "slå ut" mikrobiomarter på det sätt som vi slår ut gener i DNA. Detta skulle göra det möjligt för forskare att studera vilka enskilda stammar som bidrar till samhället.

Brodie tror att vi kan använda nanoskalasensorer liknande de som utvecklas för att undersöka hjärnan för att studera jorden. Dessa chip-stora enheter skulle vara billiga och drivs av radiovågor, så de skulle inte behöva batterier för att ta avläsningar och överföra data. Forskare kunde så jorden med tiotusentals av dessa sensorer och observera hur mikrobiomet förändrades när växtrötter tränger igenom jorden.

Liknande sensorer kan hjälpa oss att förstå hur bakterier utvecklar antibiotikaresistens och bildar sjukdomsreservoarer på sjukhus, sa Gilbert, som studerar utvecklingen av mikrobiomer i medicinska anläggningar.

Både Brodie och Gilbert tror att vi kan uppnå viktiga resultat genom att manipulera mikrobiomer.

Brodie, till exempel, anser att genom att modifiera bakteriekolonier som omvandlar atmosfäriskt kväve till gödningsmedel och som redan lever på många växter, vi skulle kunna minska eller eliminera behovet av befruktning.

Gilbert tror att mikrobiomer kan förbättra hälsan. En växande mängd forskning kopplar sådana inflammatoriska störningar som astma och eksem med personlig mikrobioms hälsa. Gilbert försöker skapa idealiska livsmiljöer för friska mikrobiomer i våra hem, kontorsbyggnader, och offentliga utrymmen. Dessa livsmiljöer skulle exponera människor, speciellt spädbarn, till de mikrober de behöver för att stärka sitt immunförsvar.

Gilbert kallar sammanflödet av nanovetenskap och mikrobiomforskning ett begynnande fält.

Brodie håller med:"Vi måste helt klart arbeta över discipliner och fortsätta att utöka vårt nätverk av forskare. Vi måste fortsätta nå ut."