Badanie ukrytego potencjału mikrobiomów morskich
W każdym litrze wody morskiej znajdują się miliardy bakterii, wirusów, fitoplanktonu i protistów, które razem tworzą złożone mikrobiomy morskie. Te mikroskopijne społeczności stanowią podstawę ekosystemów morskich i stanowią ogromne, w dużej mierze niewykorzystane źródło enzymów, związków bioaktywnych i innych cennych cząsteczek. Jednak wykorzystanie ich potencjału w zastosowaniach farmaceutycznych i kosmetycznych, a także w rekultywacji środowiska, opierało się dotychczas na powolnych metodach bioprospekcji. Metody te pochłaniają także znaczne zasoby i mogą wywierać niepotrzebną presję na ekosystemy morskie.
Bardziej ekologiczne badania morskiej różnorodności biologicznej
Celem finansowanego przez UE projektu BLUETOOLS(odnośnik otworzy się w nowym oknie) było przełamanie tych ograniczeń poprzez zmianę całego procesu odkrywania. Zamiast polegać głównie na powtarzanym pobieraniu próbek i badaniach laboratoryjnych na dużą skalę, w projekcie połączono ukierunkowane pobieranie próbek, metagenomikę, innowacyjne strategie hodowli w miniaturze, bioinformatykę oraz ocenę zrównoważonego rozwoju w jeden, interoperacyjny proces. „Naszym zadaniem było uzyskanie jak największej ilości wiedzy przy użyciu znacznie mniejszej ilości materiału. Większość analizowanych próbek znajdowała się już w zbiorach partnerów, co pozwoliło nam zmaksymalizować wartość naukową, a jednocześnie uniknąć niepotrzebnego zakłócania środowiska”, wyjaśnia koordynator projektu Aurelio Hidalgo. Konsorcjum wygenerowało ponad 1 Tbp danych sekwencjonowania (metagenomicznych), które mogą wspierać przyszłe badania. Jednocześnie naukowcom udało się zminiaturyzować funkcjonalne testy przesiewowe do kropelek o objętości rzędu pikolitrów, zmniejszając tym samym zapotrzebowanie na próbki, zużycie odczynników oraz ilość odpadów laboratoryjnych. Szacuje się, że w porównaniu z konwencjonalnymi badaniami przesiewowymi z wykorzystaniem robotów nowa platforma jest około 400 razy bardziej wydajna.
Od odkryć do zastosowań
Jednym z kluczowych osiągnięć projektu BLUETOOLS było zintegrowanie technologii, które często stosuje się oddzielnie, w ramach jednej platformy do odkrywania biologii. Uczenie maszynowe, biologia syntetyczna, mikrofluidyka kropelek oraz zaawansowana bioinformatyka wspólnie pozwoliły na szybką identyfikację i walidację obiecujących funkcji biologicznych ukrytych w złożonych mikrobiomach morskich. Naukowcy znaleźli ponad 500 nieznanych dotąd enzymów o potencjalnych zastosowaniach przemysłowych. Enzymy te mogłyby zastąpić konwencjonalne katalizatory chemiczne i umożliwić stworzenie bardziej selektywnych oraz przyjaznych dla środowiska procesów biokatalitycznych. W ramach projektu BLUETOOLS opracowano https://doi.org/10.1093/nar/gkae1115(odnośnik otworzy się w nowym oknie) zestaw narzędzi metagenomicznych, który umożliwił naukowcom zidentyfikowanie ponad 40 enzymów rozkładających polimery, osiem konsorcjów mikrobiologicznych zdolnych do rozkładu polimerów oraz zbiór potencjalnych środków przeciwdrobnoustrojowych o potencjalnych zastosowaniach w opiece zdrowotnej i technologiach zapobiegania porastaniu organizmów morskich. Równolegle odkryto ponad 4000 potencjalnych klastrów genów biosyntezy, które mogą stanowić przyszłe źródła cennych produktów naturalnych. Ponadto opracowano różne platformy hodowlane, od mikroskopijnych kropelek po większe bioreaktory, które umożliwiły naukowcom badanie społeczności mikroorganizmów w zróżnicowanych warunkach środowiskowych.
Zrównoważone ramy służące odkryciom w zakresie biologii morskiej
Poza poszczególnymi odkryciami w projekcie BLUETOOLS stworzono kompleksowe ramy, które mogą nadal wspierać zarówno badania, jak i innowacje przemysłowe długo po zakończeniu projektu. Obecnie konsorcjum koncentruje się na walidacji najbardziej obiecujących enzymów, genów odporności, związków przeciwbakteryjnych i systemów rozkładających polimery, jednocześnie oceniając ich wpływ na środowisko poprzez analizę cyklu życia. Takie podejście pozwoli określić, które technologie oferują rzeczywiste korzyści w zakresie zrównoważonego rozwoju, a które wymagają dalszej optymalizacji, zanim możliwe będzie ich wdrożenie komercyjne. Projekt BLUETOOLS pokazuje, że innowacje naukowe mogą się rozwijać przy jednoczesnej ochronie ekosystemów oceanicznych. Poprzez zmianę sposobu badania mikrobiomów morskich projekt stwarza nowe możliwości odkrywania rozwiązań w dziedzinie zdrowia, przemysłu i zrównoważonego rozwoju środowiska. „Najważniejszym owocem naszych prac jest wykazanie, że przyszłe odkrycia biologiczne powinny generować zarówno wartość ekonomiczną, jak i odpowiedzialność ekologiczną – co określamy mianem ekonologii”, stwierdza Hidalgo.
