Społeczności mikrobiologiczne w naturze i w laboratorium – Wywiad

Nazywam się Ed DeLong i jestem profesorem w Massachusetts Institute of Technology. Pełnię funkcję profesora w dwóch katedrach: inżynierii lądowej i ochrony środowiska oraz inżynierii biologicznej, co może wydawać się nietypowym połączeniem, ponieważ moje działania koncentrują się w dwóch różnych obszarach. Jeden z aspektów naszych badań dotyczy środowiska, a konkretnie mikroorganizmów – tego, jak wpływają one na środowisko i jak środowisko wpływa na nie; jest to właśnie ta część naszego programu związana z inżynierią lądową i ochroną środowiska.

Inna kwestia, którą badamy, wiąże się bardziej z inżynierią biologiczną. Co napędza mikroby? Jak są one zbudowane?

W jaki sposób różne elementy składające się na mikroba, mikroby lub społeczności mikrobiologiczne współpracują w synergii? Zatem tego rodzaju sojusz między tymi dwiema dziedzinami sprawdza się całkiem dobrze. Moje własne doświadczenie opiera się na ogólnej mikrobiologii, połączonej w niewielkim stopniu z oceanografią.

Uzyskałem stopień licencjata z bakteriologii na UC Davis, a następnie stopień doktora w Scripps Institute of Oceanography. Moim doktoratem, o dziwo, jest biologia morska.

I oto jestem na MIT. Jak do tego doszło? Dziedzina mikrobiologii zmieniała się bardzo szybko.

Jednym z głównych czynników wpływających na naszą obecną wiedzę o drobnoustrojach był postęp technologiczny w dziedzinie genomiki. Zazwyczaj mikroby, oglądane pod mikroskopem, są bardzo trudne do zidentyfikowania. Występują one w różnych kształtach i rozmiarach, ale nie mówią one zbyt wiele o tym, jakim organizmem jest dany mikroorganizm ani jaką pełni funkcję.

W związku z tym mikrobiolodzy byli zazwyczaj ograniczeni do badania drobnoustrojów w laboratorium, co okazało się niezwykle skuteczne. Jest to w pewnym sensie rozwinięcie mikrobiologii medycznej. Można zatem wyizolować drobnoustrój ze środowiska, dokładnie tak samo, jak izoluje się substancję chemiczną.

Gdy już uzyskamy ten czysty drobnoustrój, ten czysty gatunek drobnoustroju, możemy dowiedzieć się więcej o jego fenotypie, charakterystyce oraz różnych cechach, które pozwalają mu funkcjonować w środowisku i tak dalej. Istnieją jednak dwa problemy w kontekście zrozumienia całego świata drobnoustrojów. Chodzi o to, że drobnoustroje w laboratorium nie zawsze zachowują się tak samo, jak mogłyby zachowywać się w środowisku naturalnym.

Kolejnym, jeszcze większym problemem jest fakt, że gatunki mikrobiologiczne w przeważającej mierze są bardzo trudne do udomowienia. Zoo mikrobiologiczne, którymi dysponujemy w laboratorium, reprezentują zazwyczaj zaledwie około 0,1% organizmów występujących w naturze. Istnieje zatem ogromna część świata mikrobów, której po prostu nie potrafiliśmy jeszcze wyhodować w laboratorium, a co sprawia, że nie jest ona nam znana.

A jednak stanowi to ogromną część biomasy występującej w naturze. Istnieje wiele powodów, dla których jest to istotne, ale jednym z głównych jest fakt, że mikroby są swoistymi silnikami przekształceń energii i materii w przyrodzie.

Zatem przepływy takich substancji jak gazy cieplarniane czy energii przez ekosystemy, które w przypadku niektórych z tych gazów są ogromne pod względem proporcji – mówimy o rocznych przepływach rzędu gigaton – są w rzeczywistości pośredniczone przez gatunki drobnoustrojów w sposób rozproszony, mimo że one same są bardzo małe. To właśnie potęga liczebności i rozproszony charakter świata mikrobów na całej naszej planecie sprawiają, że przemieszczane są tak duże ilości masy i energii.

A to jest jeden z przekonujących powodów, dla których warto badać mikroby w ich naturalnym środowisku, rozumieć je w naturze. Kiedy na pierwszy plan wysunęła się genomika, sekwencjonowanie całych genomów mikrobialnych stawało się coraz łatwiejsze i tańsze. Oczywiście zaczęło się to dziać około połowy lat dziewięćdziesiątych.

Kiedy to zaczęło się dziać, ludzie zdali sobie sprawę, że tych samych technik można użyć do poznania właściwości genomów mikrobowych występujących w środowisku naturalnym, bez konieczności ich hodowli. Jest to w pewnym sensie pochodna wcześniejszych badań prowadzonych przez Carla Woese i Norma Pace. W połowie lat osiemdziesiątych Norm Pace zauważył, że może identyfikować mikroby bez potrzeby ich namnażania w kulturze.

Sposób ten polegał na udaniu się do dowolnego siedliska mikrobiologicznego, wyizolowaniu biomasy, a następnie ekstrakcji z niej DDNA lub RNA. Z tych kwasów nukleinowych można było na przykład sekwencjonować cząsteczki niosące informacje taksonomiczne, takie jak rybosomalne RNA. W ten sposób uzyskiwano listę różnych cząsteczek rybosomalnego RNA.

Działają one niemal jak kody kreskowe dla konkretnych typów taksonomicznych. Dzięki temu można zidentyfikować rodzaje drobnoustrojów w dowolnym środowisku. Ograniczeniem tego podejścia jest fakt, że jedynym posiadanym elementem jest gen RN.

Informuje nas to o tym, jaki mikroorganizm występuje w próbce, ale nie mówi dokładnie, co on robi. Dzięki zastosowaniu genomiki można pójść o krok dalej i wyizolować kwasy nukleinowe z niemal każdego środowiska mikrobiologicznego, jakie przyjdzie nam na myśl, wykorzystując różnorodne techniki. Można wyizolować duże fragmenty genomu, co obejmuje niektóre z protokołów doświadczalnych, które zaprezentujemy dzisiaj.

Można również rozbić to DNA na małe fragmenty i przeprowadzić sekwencjonowanie typu shotgun. Najprościej myśleć o tym jak o uzyskaniu listy części składających się na wszystkie mikroby tworzące daną społeczność. Jest to lista elementów, do której wcześniej nigdy nie mieliśmy dostępu.

Dzięki tej liście części możemy zatem w pewnym stopniu rozpoznać skład obecnych tam mikrobów oraz określić niektóre z ich potencjalnych funkcji. W rzeczywistości końcowym efektem naszych działań jest sformułowanie hipotez, które możemy następnie zweryfikować za pomocą metod biochemicznych, metod fizjologicznych, a także powracając do środowiska i śledząc obecność genów w przestrzeni i czasie.

Cała ta rozwijająca się dziedzina, która łączy genomikę z podejściami ekologicznymi, jest obecnie określana mianem metagenomiki lub genomiki środowiskowej. Obecnie można zauważyć, że tego rodzaju podejścia są stosowane w wielu różnych siedliskach: w glebach, w środowiskach rolniczych, a także w oceanach. Jedno z pierwszych i największych badań tego typu zostało przeprowadzone przez Craiga Ventera na Morzu Sargassowym, a niezwykle istotne są również badania nad mikrobiomem człowieka.

Większość ludzi może nie zdawać sobie z tego sprawy, ale z ludzkim organizmem powiązanych jest więcej komórek mikrobiologicznych niż komórek ludzkich. Jest około 10¹⁴ mikroorganizmów i tylko 10¹³ nas. Dlatego czasem lubię mówić, że Bóg musiał mieć niepohamowaną słabość do mikrobów, ponieważ jest ich więcej niż nas.

Jednak te koncepcje są naprawdę istotne. Pomyślcie o nas. Nigdy nie jesteśmy sami.

Zawsze towarzyszy nam społeczność mikrobiologiczna, która prawdopodobnie pełni wiele różnych funkcji. Istnieją obecnie dowody na to, że w przypadku niektórych zaburzeń, takich jak otyłość, komponent mikrobiologiczny może mieć znaczący wpływ na fenotyp człowieka oraz na to, ile energii jesteśmy w stanie pozyskać z naszych źródeł pożywienia. Jesteśmy zatem żywym systemem składającym się nie tylko z nas samych, ale także z symbiotycznej wspólnoty, którą w sobie nosimy.

To, co umożliwiają nam te nowe podejścia z wykorzystaniem genomiki, to rozpoczęcie analizy tych obszarów świata biologicznego, których wcześniej nie byliśmy w stanie zbadać. I w tym właśnie tkwi ich potęga. To, co dzieje się obecnie w tej dziedzinie, wykracza poza samo tworzenie listy komponentów; dążymy do zrozumienia, że zachodzi tu rzeczywista dynamika.

Na początku, kiedy rozpoczęto sekwencjonowanie genomów, pojedynczy sekwencyjny genom był postrzegany jako osobna całość – gdy dysponowano oczyszczonym szczepem mikroorganizmu, posiadał on genom, którego można było określić, powiedzmy, 2 miliony zasad, par zasad. Wydawało się, że jest to byt bardzo stały i statyczny. Jednak okazuje się, że analizując naturę, rzadko spotykamy coś takiego jak pojedynczy szczep mikroorganizmu.

Analizując te naturalne populacje drobnoustrojów, można zauważyć istnienie pewnego motywu – motywu genomicznego, wokół którego, jeśli można tak rzec, uformowany jest dany gatunek. Jednak w każdej konkretnej populacji występuje bardzo wiele wariantów, licznych odmian tego motywu, wiele szczepów. Zaczynamy dostrzegać, że genomy nie są w rzeczywistości statycznymi bytami, lecz ulegają one ciągłym zmianom.

Są one dynamiczne. W rzeczywistości dzieje się tak w całych populacjach. Można zatem przypuszczać, że przy subtelnych zmianach w środowisku, które mogą wynikać z dostępności składników odżywczych, temperatury lub zasolenia, pewna część tych wariantów w populacji może lepiej reagować na dane zmiany środowiskowe.

Występuje ciągłe przesuwanie, ale one również ulegają zmianom. Zatem wariancja jest nieustannie dostarczana przez dryf neutralny, a następnie poddawana selekcji. Daje to odmienną, bardziej dynamiczną perspektywę na to, czym są genomy.

Jest to coś więcej niż statyczny obraz genomu; to raczej jak oglądanie filmu. Jedną z najpotężniejszych cech nowych badań jest to, że zaczynamy uzyskiwać poszczególne klatki, z których można złożyć obraz przedstawiający sposób ewolucji genomów oraz to, co ona oznacza dla fenotypu organizmu, jego reakcji na środowisko, a także wpływu na to środowisko. Jest to naprawdę ekscytujące, ponieważ jest to nowy obszar dla mikrobiologii. Genetyka populacyjna, choć można by przypuszczać, że jest dobrze rozwinięta w mikrobiologii, w rzeczywistości tak nie jest, ponieważ nie mieliśmy dotąd sposobu na bardzo szczegółowe badanie genetyki naturalnych populacji mikrobiologicznych.

Kolejnym elementem tego rodzaju badań jest możliwość zgłębienia genetyki i genomiki populacyjnej, aby móc obserwować ten proces w czasie. Jest to niezwykle potężne narzędzie, które ma wiele praktycznych implikacji dla naszego rozumienia tego, w jaki sposób mikroby nabywają nowe funkcje oraz jak funkcje i właściwości rozprzestrzeniają się w obrębie społeczności. Jedną z zaskakujących kwestii jest to, że nieco zmienia to nasze pojęcie o tym, jak cechy fenotypowe i właściwości funkcjonalne mogą być przekazywane między mikroorganizmami. W biologii organizmów rozmnażających się płciowo zazwyczaj myślimy o cechach przekazywanych z matki na córkę i tak dalej.

W ten właśnie sposób właściwości biologiczne są przekazywane poprzez dziedziczenie genetyczne. Świat drobnoustrojów charakteryzuje się jednak inną dynamiką, co zaczynamy dostrzegać w niektórych badaniach metagenomicznych; wiąże się to z tzw. transferem horyzontalnym, w którym geny lub całe operony są przekazywane między bardzo różnymi organizmami poprzez proces transferu DNA. Jeśli to DNA zostanie wyekspresowane w organizmie biorcy i posiada pozytywną wartość selekcyjną, może zacząć rozprzestrzeniać się wśród wielu różnych organizmów. Niedawno zaobserwowaliśmy to, stosując techniki, które analizujemy w laboratorium – polegają one na tym, że jesteśmy w stanie wyizolować bardzo duże fragmenty genomu z populacji drobnoustrojów.

Robimy to w różnych punktach w czasie i przestrzeni. W tym przypadku udało nam się wyizolować duże fragmenty genomów wzdłuż gradientu energetycznego, czyli gradientu światła przenikającego do oceanu. Jest to bardzo dobrze zdefiniowany gradient w miejscach otwartego oceanu, które badamy.

Strefa fotyczna jest w rzeczywistości dość głęboka. Sięga ona aż do 200 metrów poniżej powierzchni morza. Jednak energia zmienia się oczywiście pod względem jakości i ilości.

W miarę jak światło ulega osłabieniu, staje się ono coraz bardziej niebieskie wraz ze zwiększaniem głębokości, wyznacza to węższy zakres długości fal dostępnych dla organizmów żyjących w głębinach. Energia światła jest również mniejsza. Można zatem zacząć badać, w jaki sposób organizmy wykorzystujące światło mogą adaptować się i zmieniać w zależności od funkcji gradientu energii oraz różnej jakości i ilości światła.

Ciekawostką jest to, że można śledzić konkretne geny oraz rodzaje mikroorganizmów, które z nimi współ występują wzdłuż tych gradientów światła. Mówiąc w skrócie, odkryliśmy, że niektóre konkretne geny zaangażowane w pochłanianie energii świetlnej, nazywane rodopsynami, są na tyle łatwe do ekspresji i wymagają tak niewielu genów do stworzenia fotosystemu, że przeniosły się one pomiędzy różnymi rodzajami mikrobów.

Możemy tak twierdzić, ponieważ wyizolowaliśmy fragmenty genomu z grup znanych jako bardzo odmienne, takich jak bakterie i archeony. I znajdujemy w nich ten sam fotosystem o niemal identycznych właściwościach. Można zatem śledzić te fragmenty genów funkcjonalnych podczas ich przemieszczania się między organizmami w środowisku.

Nie chodzi tylko o mapowanie genów u organizmów, ale także o mapowanie tych genów wzdłuż gradientu środowiskowego. Zatem innym zjawiskiem, które obserwujemy, analizując te duże fragmenty genomu zawierające te systemy fotosyntetyczne, jest fakt, że są one dość powszechne w strefie eufotycznej, na głębokościach od około 0 m do 130 m. Jednak po dotarciu do podstawy strefy eufotycznej i tuż poniżej niej, geny te zanikają.

Zniknęły one mimo że te same organizmy występują na większych głębokościach. Pokazuje nam to, że w przypadku braku selekcji, czyli braku światła, które umożliwia funkcjonowanie tym genom, ulegają one utracie u różnych rodzajów organizmów w zależności od głębokości. Powodem, dla którego jest to interesujące, jest po pierwsze to, że dostarcza nam wiedzy o konkretnym mechanizmie generowania energii wykorzystującym światło, o jego rozmieszczeniu w środowisku, dystrybucji wśród organizmów oraz o dynamice, która nim steruje.

Jest to jednak również ogólnie interesujące jako nowy sposób myślenia o tym, jak mapować geny i genomy – nie tylko w odniesieniu do organizmów, ale także do tego, gdzie te organizmy występują w czasie i przestrzeni, gdzie te geny występują w czasie i przestrzeni oraz gdzie znajduje się punkt ich przecięcia. Dopiero zaczynamy uczyć się, jak to robić. Był to przykład zaledwie jednego zestawu genów.

Można jednak zadać ogólne pytanie: ile jest kategorii tych kosmopolitycznych genów, które wykazują tak dużą mobilność? Nie znamy odpowiedzi na to pytanie w odniesieniu do żadnego konkretnego siedliska, nie wiemy, jak powszechne one są ani jakie mechanizmy odpowiadają za ich przemieszczanie. Czy jest to wolny DNA w środowisku? A może wirusy, które przenoszą geny z jednego organizmu do drugiego?

Wszystkie te kwestie pozostają w dużej mierze nieznane, ale stają się obecnie możliwe do zbadania dzięki zastosowaniu takich technik, jak mapowanie genów w organizmach występujących naturalnie, odnoszenie tych organizmów do środowiska oraz zrozumienie ich zmienności. Jest to zatem nowy etap dla mikrobiologii; zyskaliśmy nową możliwość obserwowania „filmu” z dynamiki genomicznej w środowisku, co postawiło nas w znacznie lepszej pozycji w kwestii zrozumienia, jak świat mikrobiologiczny rzeczywiście funkcjonuje w naturze. Jednym z wyzwań, oczywiście – i jest to wyzwanie zarówno dla nauk o środowisku, jak i, rzekłbym, dla nauk biomedycznych – jest pozyskanie wszystkich odpowiednich rodzajów danych.

W tym przypadku odnoszę się do metadanych, a metadane to oczywiście dane o danych. Jeśli zastanowią się Państwo nad podanym przeze mnie przykładem z oceanu, istnieje szereg kwestii, które chcielibyśmy znać. Chcemy wiedzieć, jaka jest jasność widmowa, jaki jest strumień fotonów, jakie są długości fal przechodzącego światła, jaka była temperatura tej wody, zasolenie, ciśnienie, ponieważ każda z tych zmiennych ma istotny wpływ na to, jak ewoluują organizmy.

Zatem poza pozyskiwaniem danych o genomach i organizmach, musimy zebrać dość szczegółowe dane o środowisku, które będziemy mogli porównać z danymi z innych okresów, innych miejsc lub danymi innych badaczy. I choć naukowcy zajmujący się środowiskiem pracują z takimi zestawami danych od dawna, to połączenie bioinformatyki, genomiki i nauk o środowisku jest stosunkowo nowe. Obecnie istniejące bazy danych niekoniecznie są przygotowane do obsługi takich danych.

Obecnie zachodzi pewna ewolucja, powiedziałbym, zarówno w obszarze ochrony środowiska, jak i – ponieważ jestem oceanografem i biologiem morskim – w dziedzinie oceanografii, gdzie staramy się nawiązać dialog z osobami zajmującymi się genomiką i bioinformatyką i odwrotnie. Mogę podać jeden przykład. Współpracuję z Centrum Nauki i Technologii NSF zwanym Center for Microbial Oceanography Research and Education, czyli Seymour.

W centrum Seymour jesteśmy bardzo zainteresowani uchwyceniem całej tej dynamiki, kontinuum od genomów do biomów – wszystkich tych różnych poziomów złożoności biologicznej: od genomu, przez transkryptom, proteom, komórki, populacje i wspólnoty, aż po ekosystemy. To ogromna ilość zróżnicowanych informacji. Jest to dość ambitne przedsięwzięcie.

Zatem ten projekt, to Centrum Nauki i Technologii NSF, Seymour, ma swoją siedzibę na Hawajach i stanowi grupę oceanografów, mikrobiologów oraz biologów molekularnych, którzy starają się wspólnie ustalić, jak scharakteryzować konkretny układ w ten sposób. W tym przypadku układem tym jest w dużej mierze górna warstwa oceanu na środkowym Pacyfiku. Ważnym powodem prowadzenia tych badań jest fakt, że obejmują one rozległy komponent biologiczny pokrywający dwie trzecie naszej planety. Seymour współpracuje przy tym z innym projektem finansowanym przez Moore Foundation o nazwie camera.

Projekt Camera jest prowadzony przez Larry'ego Smara i Craiga Ventera jako miejsce gromadzenia obszernych danych genomicznych zebranych ze środowiska oraz prezentowania ich wraz z danymi synoptycznymi lub środowiskowymi. Chodzi o dane środowiskowe, które zostały zebrane w tym samym czasie co dane genomiczne. Jest to zupełnie nowe podejście.

To dopiero początek i będzie to wymagało większej koordynacji oraz dyskusji na temat standardów danych i standardów metadanych. Jak skonstruować bazę danych, która mogłaby pomieścić takie informacje? Ponieważ obecnie koncentrujemy się głównie na oceanie, co nadaje pracy określony kierunek.

Można jednak przypuszczać, że osoby badające ludzki mikrobiom będą potrzebowały podobnych zestawów danych wraz z danymi klinicznymi, informacjami o osobach i tak dalej. To zupełnie inny zestaw problemów, ale w wielu aspektach jest to ten sam rodzaj problemu – przechwytywanie danych genomicznych z naturalnych populacji drobnoustrojów wraz ze wszystkimi powiązanymi i istotnymi metadanymi dotyczącymi miejsca ich bytowania, panujących warunków i tym podobnych. Nadzieją jest oczywiście to, że powstaną duże relacyjne bazy danych, które pozwolą na zadawanie interesujących pytań o konkretne typy lub kategorie genów.

Można by rozważyć określone geny, które zazwyczaj kojarzymy z patogennością, takie jak pill I – czy istnieją konkretne pill I, które są zawsze powiązane na przykład ze środowiskami klinicznymi lub patogennymi, czy też pill I są bardziej rozpowszechnione i po prostu przystosowały się do określonych okoliczności w kontekście tworzenia patogenów i tak dalej. Istnieje wiele potencjalnych interakcji między tymi zestawami danych w celu zrozumienia, jak ewoluuje świat mikrobiologiczny i jak konkretne adaptacje mogą prowadzić do tego lub innego zestawu relacji środowiskowych lub stylów życia. Czy jestem organizmem wolno żyjącym?

Czy jestem przytwierdzony, czy jestem patogenem? Wszystkie te kwestie są ze sobą powiązane. Zatem te bazy relacyjne, w miarę ich rozwoju, będą prawdopodobnie bardzo istotne zarówno dla zastosowań praktycznych, jak i dla rozwoju teorii.

I, i nie są oni jeszcze na tym etapie. Mają przed sobą długą drogę w ciągu najbliższych, powiedziałbym, pięciu lub dziesięciu lat. Myślę, że pojawi się szereg osiągnięć, oczywiście w kontekście genomu ludzkiego oraz medycyny i genetyki człowieka.

Genom za tysiąc dolarów był swoistym świętym Graalem, a technologie rozwijają się dość szybko, przynajmniej w przypadku resekwencjonowania. Zatem jednym z głównych skutków będzie obniżenie progu dostępności informacji genomicznych. Mam na myśli przede wszystkim kwestie ekonomiczne.

Będzie to znacznie tańsze i znacznie szybsze. Prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości pojawią się urządzenia wielkości zegarka naręcznego, które pozwolą na sekwencjonowanie własnego genomu, jeśli będziemy chcieli. Jest to z pewnością w zasięgu możliwości.

W takim przypadku zasady gry nieco się zmieniają. Obecnie znaczna część sekwencjonowania genomowego odbywa się w bardzo dużych wyspecjalizowanych ośrodkach zatrudniających wielu specjalistów. To, co z pewnością się wydarzy w przypadku sekwencjonowania genomu – i co dzieje się już teraz – to fakt, że stanie się ono znacznie bardziej rozproszone.

Ciekawym aspektem tego zjawiska jest fakt, że stwarza ono nowe wyzwania w zakresie gromadzenia, standaryzacji i upowszechniania danych, ponieważ punktowe źródła ich generowania stają się coraz bardziej rozproszone. Jest to zatem interesujące wyzwanie, które ponownie wiąże się z całą kwestią baz danych.

Kolejną kwestią, która zaczyna się pojawiać i będzie zyskiwać na znaczeniu, jest to, że zazwyczaj postrzegamy pozyskiwanie danych genomicznych jako przedsięwzięcie polegające na złożeniu danych w bazie, stworzeniu bazy danych, a następnie przejściu do kolejnych działań. Sekwencjonowanie DNA ma w rzeczywistości bardzo potężne zastosowania w nauce eksperymentalnej. Myślę, że wraz z pojawieniem się nowych technologii zobaczymy, iż badacze będą gromadzić dane genomiczne częściej w trybie eksperymentalnym, a nie tylko w ramach zbierania i deponowania danych.

Można sobie wyobrazić śledzenie populacji w środowisku poprzez analizę ekspresji genów i nakładanie wzorców ekspresji genów na wzorce proteomiczne. Wszystkie te procesy będą miały miejsce. W związku z tym prawdopodobnie zaczniemy postrzegać sekwencjonowanie genomu bardziej jako narzędzie eksperymentalne niż jako sposób na rozbudowę baz danych.

Zatem tego rodzaju kwestie są obecnie w planach i oczywiście centralnym punktem wszystkich tych działań będzie przechwytywanie danych oraz infrastruktura obliczeniowa, zarówno sprzętowa, jak i programowa, aby móc przetwarzać te wszystkie dane, ponieważ ich ilości są ogromne. Co więcej, dojdzie do rozwoju teorii – jeśli zastanowimy się nad teorią biologiczną w zastosowaniu konkretnie do ekologii, większość z niej opiera się na dużych organizmach, dużych organizmach rozmnażających się płciowo, a w rzeczywistości niektóre reguły i pewne teorie niekoniecznie mają zastosowanie w świecie mikrobiologicznym. Uważam zatem, że dla matematyków i teoretyków istnieje w przyszłości ogromny potencjał wykorzystania tych danych, które są teraz i będą w przyszłości gromadzone, jako pewnego rodzaju modeli danych do opracowywania nowej teorii i teorii predykcyjnych.

Ostatecznym celem jest w rzeczywistości zrozumienie, jak działa nasza planeta, częściowo dlatego, że powietrze, którym oddychamy, a także przepływy materii i energii, które faktycznie równoważą cykle pierwiastków na Ziemi, są w dużej mierze regulowane przez zbiorowe działania gatunków mikrobowych. Ponieważ my sami, jako gatunek, wywieramy obecnie równie silny nacisk na niektóre cykle energii i materii – weźmy na przykład CO2 w atmosferze – staje się coraz bardziej ważne, aby zrozumieć dynamikę i szczegóły tego, jak zachodzi naturalna równowaga, podczas gdy sami ją zaburzamy i zaczynamy zastanawiać się nad sposobami, dzięki którym moglibyśmy żyć w nieco większej harmonii z cyklami materii i energii na naszej planecie. Uważam zatem, że część tych podstawowych, wydających się redukcjonistycznych badań naukowych, dzięki metagenomice, innym wspomnianym przeze mnie technikom oraz teorii, ewoluuje w stronę nauki bardziej holistycznej w kontekście rozumienia złożonych systemów – nie tylko na poziomie komórki, ale na poziomie całej naszej planety.

Zatem w rzeczywistości, korzystając z niektórych z tych technik, które zaprezentowaliśmy w laboratorium, oraz biorąc pod uwagę obecny stan wiedzy w tej dziedzinie, stawiamy dopiero pierwsze, niepewne kroki. Myślę jednak, że możemy zacząć dostrzegać przebłyski tego, w jakim kierunku może to zmierzać. Będzie to fascynujące, jeśli uda nam się opracować sposób na zorganizowanie tego procesu, ponieważ wymaga on umiejętności szerokiego grona technologów, teoretyków, matematyków i inżynierów, aby spróbować połączyć to wszystko w spójną całość.

To interesujące czasy i z pewnością będziecie one jeszcze ciekawsze na tym etapie.