p Seu corpo está repleto deles - 100 trilhões de micróbios em seu intestino, pulmões, boca, e pele. Sua casa está repleta deles - em banheiros e pias, em mesas e cadeiras, no tapete, e em seu cachorro. Até mesmo o solo em que você está está repleto de bactérias incontáveis, fungos, protozoários, algas, e vírus - todos microscópicos, tudo parte de uma comunidade de organismos interagindo uns com os outros e com o meio ambiente. Essas comunidades e os ambientes com os quais interagem são conhecidos como "microbiomas, "e nossa compreensão cada vez maior deles está mudando a maneira como tratamos as doenças, cultivar, e criar produtos de uso diário. p Está mudando a forma como vemos a natureza.

p Cientistas da Penn State e do College of Agricultural Sciences estão na vanguarda da pesquisa sobre microbiomas. Eles estão sondando as entranhas de humanos e animais para aprender como os microrganismos influenciam a saúde, e eles estão explorando os solos para descobrir como os micróbios beneficiam as colheitas. Por meio desse trabalho, os cientistas estão avaliando a complexidade da vida microbiana na Terra. E também estão explorando os benefícios e desafios potenciais que essas criaturas apresentam.

p A jornada humana para o reino do microscópico começou em 1657, quando Antoni van Leeuwenhoek, um draper morando em Delft, Holanda, revelou que havia descoberto, olhando através de seu microscópio simples criado por ele mesmo, minúsculos "animálculos" vivendo na água do lago.

p Em uma carta à recém-formada Royal Society of London, van Leeuwenhoek escreveu que esses animálculos eram "tão pequenos, na minha vista, que eu julguei que mesmo se 100 desses pequeninos animais estivessem estendidos um contra o outro, eles não podiam atingir o comprimento de um grão de areia grossa ... Foi maravilhoso ver. "

p A descoberta de microorganismos por Van Leeuwenhoek constituiu uma mudança sem precedentes na compreensão humana do mundo natural. De repente, a vida na Terra tornou-se ao mesmo tempo consideravelmente mais complexa e extremamente maravilhosa. E ainda, mais de 350 anos depois, não sabemos quem são muitas dessas criaturas e o que estão fazendo.

p "Dependendo de com quem você fala, podemos não saber nada sobre 99 por cento dos microrganismos no meio ambiente, "diz Carolee Bull, professor e chefe do Departamento de Fitopatologia e Microbiologia Ambiental. Mas, Ela adiciona, muito parecido com a mudança que ocorreu depois que van Leeuwenhoek descobriu os micróbios, uma revolução científica moderna promete revelar as identidades e atividades das comunidades de microorganismos que tanto impactam nossas vidas.

p Desta vez, a ferramenta que torna tudo isso possível é o sequenciamento de alto rendimento - também conhecido como sequenciamento de última geração. Disponível pela primeira vez no ano de 2000 e amplamente utilizado apenas desde a última década, a tecnologia pode determinar a ordem dos nucleotídeos - os As, Ts, Gs, e Cs - para centenas de milhares de moléculas de DNA de uma miríade de espécies simultaneamente. A tecnologia permite conhecer as identidades de todas as espécies presentes em uma pequena amostra de, por exemplo, água da lagoa. Seqüenciamento de DNA simples, por outro lado, é muito mais limitado em suas habilidades.

p "O conceito de microbiomas não é particularmente novo, "diz Bull." Mas com o sequenciamento de alto rendimento, a caixa preta da microbiologia está finalmente sendo iluminada, "diz Bull." Está nos mostrando que os micróbios não trabalham sozinhos no vácuo. Em vez de, eles fazem parte de uma comunidade em que o meio ambiente, outros organismos, e os micróbios influenciam e respondem uns aos outros. "

p Protegendo a qualidade da água e restaurando os solos

p O microbioma do solo é um assunto de estudo complicado. Uma colher de chá de solo provavelmente contém um bilhão de células bacterianas individuais, talvez 500, 000 fragmentos de fungos, milhares de protozoários, e quem sabe quantos vírus, diz Mary Ann Bruns, professor associado de ciência e gestão de ecossistemas. E da bactéria sozinha, Ela adiciona, pode haver 10, 000 a 20, 000 espécies diferentes.

p Bruns está usando sequenciamento de alto rendimento, entre outras ferramentas, para separar esta "sopa de DNA, "como ela chama, que está contido no solo. Sua pesquisa sobre micróbios do ciclo de nitrogênio em escala de campo se encaixa no quadro mais amplo de redução do transporte de nutrientes para as zonas costeiras mortas. "Geral, metade do nitrogênio no fertilizante que é aplicado às plantações não é absorvido pelas plantações, "ela diz." Em vez disso, lixivia para o lençol freático ou escoa em sedimentos. Muito desse nitrogênio eventualmente chega ao Golfo do México e à Baía de Chesapeake, onde perturba os ecossistemas. Estou interessado em como podemos interromper esse processo na fonte, como podemos tornar nossos métodos de aplicação e gerenciamento de nitrogênio menos desperdiçadores. "

p A chave, ela diz, reside em encontrar comunidades microbianas que conservam o nitrogênio entre plantas e solo, porque elas são responsáveis ​​por grande parte da ciclagem de nutrientes no solo. Por exemplo, micróbios convertem amônio em nitrato, que é a forma de nitrogênio mais facilmente perdida. "Certos micróbios são responsáveis ​​por muitas das reações bioquímicas no solo que resultam em baixa eficiência, "diz Bruns." Na agricultura tradicional, combatemos esse problema de perda de nitrogênio adicionando um valor de seguro. É mais barato e fácil adicionar mais do que tentar descobrir como evitar perdas em primeiro lugar. "

p A boa notícia é que, embora alguns micróbios promovam a perda de nitrogênio do solo, outras espécies são capazes de fixar o nitrogênio da atmosfera e mantê-lo no lugar. Usando sequenciamento de alto rendimento, Bruns e um de seus alunos de pós-graduação caracterizaram uma mistura de duas cepas intimamente relacionadas de cianobactérias e várias espécies de bactérias não fotossintéticas que formam biofilmes rapidamente no solo para reduzir a erosão e o escoamento. Este "consórcio, " ela diz, pode ser adicionado ao solo agrícola para fixar carbono e nitrogênio e ajudar os nutrientes a permanecerem no lugar, reduzindo assim a necessidade de aplicações adicionais de nitrogênio e protegendo os ambientes a jusante da poluição por nitrogênio.

p Bruns diz que gostaria que as empresas se interessassem por esses produtos e os desenvolvessem para uso agrícola. Por exemplo, tais produtos microbianos podem ser aplicados, junto com emendas, para recuperar terras danificadas, outra área onde a pesquisa de microbioma fornece insights. Bruns e a associada de pós-doutorado Claudia Rojas usaram o sequenciamento de última geração para mostrar aumentos nos fungos micorrízicos benéficos e rizóbios em minas revegetadas após a adição de quantidades moderadas de composto e cal.

p Terrence Bell, professor assistente de fitopatologia e microbiologia ambiental, também está interessada em criar consórcios microbianos que podem ser adicionados aos solos para melhorar sua função. Ele está focado em restaurar solos que perderam sua atividade microbiana devido ao uso excessivo de fertilizantes e produtos químicos. "Alguns solos agrícolas estão esgotados de microorganismos essenciais necessários para o crescimento da cultura, porque eles têm sido tratados com fertilizantes químicos por muito tempo, " ele diz.

p Por meio de estudos experimentais, Bell e um de seus alunos de graduação mostraram ser esse o caso. Eles aplicaram diferentes tipos de corretivos de nutrientes aos solos e descobriram que os solos expostos a grandes quantidades de fósforo químico experimentavam mudanças na composição do microbioma, incluindo uma redução na diversidade microbiana, que parecia impactar o crescimento das safras.

p "Nosso próximo passo é descobrir se podemos neutralizar esse problema reintroduzindo a diversidade microbiana nesses ambientes, "diz Bell.

p Tal como acontece com a pesquisa de Bruns, a tarefa requer o uso das técnicas de sequenciamento mais recentes. "Tudo se resume às ferramentas disponíveis, e o fato de que ainda faz menos de uma década desde que o sequenciamento de alto rendimento tem sido amplamente usado em nosso campo, "diz Bell. Com essas tecnologias, "estamos focando nas funções, "acrescenta Bruns." A maioria dos organismos não são patogênicos ou causadores de doenças, eles estão lá apenas esperando as condições certas para se tornarem ativos. Nosso objetivo é entendê-lo e usar o conhecimento em nosso benefício. "

p Exame de intestino

p O ambiente do intestino humano compreende dezenas de trilhões de microrganismos individuais, coletivamente pesando quase 4,5 libras. Muitos desses micróbios estão envolvidos na redução do risco de câncer, depressão, obesidade, e até autismo. Na verdade, "good" bacteria are becoming so popular for their positive health effects that the newly emerging probiotic industry netted more than $35 billion in profits in 2015. But some species are linked to problems.

p Consider obesity. Só nos Estados Unidos, 34 percent of adults and 15 to 20 percent of children and adolescents are obese. Nos últimos anos, researchers and clinicians have been turning to the gut microbiome to try to better understand this problem. Fecal matter is 50 percent bacteria. Microorganisms must be playing an important metabolic role.

p Andrew Patterson, associate professor of veterinary and biomedical sciences, has learned a great deal about how bacteria influence obesity and the metabolic diseases associated with obesity, namely type II diabetes and non-alcoholic fatty liver disease. Por exemplo, in his studies, he has noticed that mice given tempol, a drug typically used to protect cells against radiation damage, weigh significantly less than mice not given the drug. To investigate further, he and his team designed an experiment in which they fed mice a high-fat diet and gave them the drug tempol. They found that these mice gained significantly less weight than mice that were fed a high-fat diet but were not given tempol.

p Patterson determined that the tempol was likely reducing the amounts of Lactobacillus and Clostridium bacteria in the mice guts. And when these bacteria decreased, a specific bile acid—known as tauro-beta muricholic acid—increased. "For some reason the bacteria metabolize bile acids either as a protective mechanism, or as a way of scavenging off nutrients for growth, " ele diz.

p Secreted from the liver into the intestine, bile acids are responsible for digesting dietary fats and oils. "If you have a disorder in these types of processes then you have a really hard time digesting fat, " says Patterson.

p To determine what was going on between the Lactobacillus and bile acids, Patterson turned to metabolomics—the study of the chemical fingerprints that are left behind after cellular processes take place. He learned that when the bile acid tauro-beta muricholic acid increases, it turns off the farnesoid X receptor (FXR), which is responsible for regulating the metabolism of bile acids, gorduras, and glucose in the body. "FXR is there to say, 'Ei, there's enough bile acid in the intestine, shut off synthesis in the liver, or there's not enough bile acid so synthesis needs to be turned on, '" says Patterson.

p The revelation about FXR's involvement led Patterson and his colleagues at the Hershey Medical Center and the National Cancer Institute to design their own anti-obesity drug that specifically targets FXR. In less than two years, they created a pill, modeled after tauro-beta muricholic acid but made from glycine-beta muricholic acid, that caused mice to gain significantly less weight and have less insulin resistance when fed a high-fat diet than mice in the untreated control group.

p Patterson received a RAIN grant from the college to help commercialize his product. He also formed a company, called Heliome Biotech, Inc., to commercialize the drug, along with any others that may arise. But Patterson cautions that although his drug has the potential to help patients, it isn't a cure-all. "I don't think this is going to be the magic pill that allows you to eat a tub of ice cream every day and not see any metabolic problems later in life, " he says. "You have to adopt a healthy lifestyle as well."

p Lactobacillusisn't the only bacteria with strains that can cause problems.E. coli, também, which is common and generally benign throughout the human gut, includes at least one very dangerous strain—O157:H7. This bacterium enters the body through contaminated foods.

p "One of the things that makes O157:H7 so terrible is when it gets in your intestines it produces a powerful toxin called Shiga toxin that is responsible for a lot of the serious symptoms of disease, from mild diarrhea to severe kidney damage, " says Edward Dudley, associate professor of food science. "The question is what's the difference between the people who only get diarrhea and those who get terribly sick?"

p Dudley believes our gut microbiomes might hold the key to this question. "Could it be that different microorganisms in our gut—what I carry versus what you carry—could cause our reactions to O157:H7 to be different? After all, when O157:H7 enters our intestines, it's not existing there by itself; it's interacting with hundreds of microorganisms that are found in our gut. We are asking whether any of these organisms that O157:H7 finds itself setting up shop with do anything that may either increase or decrease the amount of toxin that the organism produces."

p Those suspicions were confirmed when Chun Chen, um ex-Ph.D. student of Dudley's, grew O157:H7 in the laboratory together with a variety of strains of common gut E. coli. "When grown together with O157:H7 some of them dramatically increase the amount of toxin that O157:H7 produces, suggesting what E. coli strains are in your intestines might actually play a role in dictating the course of the disease, " says Dudley.

p Another one of Dudley's former students, Kakolie Goswami, along with a colleague from the University of Michigan, repeated the experiment using sterile mice that contained no bacteria. They inoculated those mice with O157:H7 and also with a nonpathogenic strain of E. coli that he'd previously shown in the laboratory to amplify Shiga toxin. They found the same result:the mice with the O157:H7 and the other strain of E. coli did worse than the mice with only O157:H7.

p According to Dudley, antibiotics can't be used to treat O157:H7 the way they can with other bacteria. Na verdade, antibiotics actually increase the amount of Shiga toxin that the pathogen produces. Como resultado, doctors simply monitor patients and treat their symptoms. "By knowing which E. coli strains a patient carries, doctors could predict the course of the disease in patients and be prepared with various treatments, " says Dudley. He adds that it also may be possible to use certain strains of E. coli as a probiotic that patients could ingest that would block the ability of O157:H7 to produce large quantities of toxin.

p "Por décadas, we studied various bacteria growing as pure cultures in the lab, when in reality, whether it's human health or in the soils or oceans, no bacteria, except a very tiny number of them, exist by themselves, " says Dudley. "They are always in a community of other organisms. Now we're really beginning to pick apart just how an organism of interest behaves differently when it's in the presence of other organisms. There is much to learn."

p De fato, microbiome research is an open book with the potential to transform our lives. "We know now that microbiomes are driving more than we ever thought, " says Bull. "There is a wealth of information that we have only just begun to tap."

p Bull notes that it's important for public institutions, like Penn State, to be involved in this type of research. "As a land-grant institution, Penn State is mandated to create knowledge for the greater good, " she says. "For example, if you talk to a farmer, he or she will tell you, 'This is my best soil; anything I grow here will be fine, ' but a hundred yards away, he or she might say, 'This is not a great spot, '" says Bull. "Farmers know the difference because they've seen the yields, but they do not know why one spot is great for their crops and the other is not. It's our job as scientists to do the research and give them the answer for that."