Ο Στυλιανός Λουκά κέρδισε το βραβείο Science & SciLifeLab για νέους επιστήμονες | Biology.gr

Ο Στυλιανός Λουκά κέρδισε το βραβείο Science & SciLifeLab για νέους επιστήμονες

Ο Στυλιανός είναι ο νικητής του βραβείου Science & SciLifeLab για νέους επιστήμονες το 2017 για την εργασία του σχετικά με τον τρόπο που οι μικροβιακές κοινότητες και οι γεωφυσικές διεργασίες επηρεάζουν τη χημεία της γης.

Συγκεκριμένα ο Λούκα παρουσιάζει την εργασία του λέγοντας ότι «Οι μικροοργανισμοί είναι η πιο αρχαία, η πιο άφθονη και η πιο ποικίλη μορφή ζωής στη Γη. Πέραν των δισεκατομμυρίων ετών, η μεταβολική τους δραστηριότητα, σε συνδυασμό με τις γεωφυσικές διεργασίες, έχει διαμορφώσει την επιφανειακή χημεία της Γης. Σήμερα, οι μικροοργανισμοί καταλύουν το μεγαλύτερο μέρος των βιοχημικών ροών σε σχεδόν κάθε οικοσύστημα, συμπεριλαμβανομένου του ωκεανού, του εδάφους και του ανθρώπινου εντέρου.

Η εξάπλωση των αρχών με τις οποίες οι μικροβιακές κοινότητες ζευγαρώνουν με φυσικές διεργασίες για να προκαλέσουν βιογεωχημικές ροές είναι κεφαλαιώδους σημασίας για την οικολογία, τις περιβαλλοντικές επιστήμες, τη βιομηχανία και την ανθρώπινη υγεία. Ωστόσο, η κατανόησή μας για τις μικροβιακές κοινότητες και ο ρόλος τους στα οικοσυστήματα παραμένει εξαιρετικά περιορισμένη, εν μέρει επειδή η τεράστια μικροβιακή ποικιλομορφία αποτελεί σοβαρή πρόκληση για την εννοιολογική και μαθηματική μοντελοποίηση.

Παρά τα εκατομμύρια των υφιστάμενων μικροβιακών ειδών, οι περισσότερες στοιχειώδεις ροές οδηγούνται από ένα κύριο σύνολο ενεργειακά μεταβολικών οδών, που κωδικοποιούνται από μερικά γονίδια. Με την πάροδο του χρόνου, αυτά τα γονίδια έχουν εξελιχθεί ώστε να χρησιμοποιούν διάφορες πηγές ενέργειας, όπως φως για φωτοσύνθεση ή διάφορες χημικές ενώσεις για αναπνοή, και έχουν πολλαπλασιαστεί μέσα σε ένα πλήθος μικροβιακών ταξινομικών

 Η ανάπτυξη μικροοργανισμών (και επομένως γονιδίων) συνδέεται αναπόφευκτα με τη δραστηριότητα αυτών των γονιδίων, η οποία με τη σειρά της περιορίζεται έντονα από τις τρέχουσες περιβαλλοντικές συνθήκες. Είναι επομένως δελεαστικό να θεωρηθούν ότι οι οδοί μετασχηματισμού ενέργειας -ή ακριβέστερα τα γονίδια που τις κωδικοποιούν- μπορεί να συμπεριφέρονται ως ανεξάρτητες μονάδες αντιγραφής και επιλογής και ότι οι περιβαλλοντικές συνθήκες καθορίζουν τις συνολικές βιοχημικές ροές που καταλύονται από αυτά τα γονίδια, ανεξάρτητα από τα συγκεκριμένα είδη.

Ως μέρος του μεταπτυχιακού μου έργου, ανέπτυξα και δοκιμάσαμε την εφαρμογή αυτού του παραδείγματος σε ένα πλήθος περιβαλλόντων, χρησιμοποιώντας πειράματα, αλληλούχισης DNA και μαθηματική μοντελοποίηση. Μια βασική πρόβλεψη του διαδικτυακού παραδείγματος είναι ότι παρόμοια περιβάλλοντα θα προωθήσουν την ανάπτυξη και τη δραστηριότητα παρόμοιων μονοπατιών μεταγωγής ενέργειας, ακόμη και αν τα είδη που κωδικοποιούν κάθε μονοπάτι ποικίλουν. Για να δοκιμάσω αυτή την πρόβλεψη, εξέτασα τις μικροβιακές κοινότητες μέσα στο φύλλωμα πολλαπλών φυτών bromeliad

Τα bromeliads  είναι δημοφιλείς μοντέλα συστημάτων για την οικολογία, επειδή το φύλλωμα τους σε σχήμα κοιλότητας συσσωρεύει το νερό της βροχής και η αποσύνθεσή του διατηρεί τους ιστούς πλούσιες σε τροφή ώστε να  μπορούν εύκολα να ερευνηθούν ξανά και ξανά. Χρησιμοποιώντας την αλληλούχιση του DNA, εκτιμώ τη σύνθεση των ειδών των μικροβιακών κοινοτήτων διαφόρων οδών που κωδικοποιούνται στα μικροβιακά γονιδιώματα. Ανακάλυψα ότι κάθε bromeliad φιλοξένησε μια ξεχωριστή κοινότητα μικροβιακών ειδών. Συγκεκριμένα, λιγότερο από το 3% των μικροβιακών ειδών που απαντώνται στη μελέτη υπήρχαν σε όλες τα bromeliad.

Αντίθετα, οι μικροβιακές κοινότητες έδειξαν μια εντυπωσιακή ομοιότητα όσον αφορά την αφθονία των γονιδίων που εμπλέκονται σε διάφορες οδούς, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που εμπλέκονται στη ζύμωση, την αναπνοή οξυγόνου και τη σταθεροποίηση του άνθρακα. Αυτό υποδηλώνει ότι οι περιβαλλοντικοί περιορισμοί καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την ανάπτυξη αυτών των οδών και είχαν πολύ λιγότερη επιρροή σε ποια είδη συνέβησαν να αντιπροσωπεύουν κάθε οδό σε , σύμφωνα με ένα παραδειγματικό μοντέλο.»

Η πραγματεία του Λουκά τονίζει πως οι ερευνητικές προσπάθειες της ομάδας του έχουν σημαντικές επιπτώσεις σε διάφορες μικροβιακές βιομηχανικές διεργασίες όπως η βιοαναγέννηση οξέων από απόβλητα ορυχείων, όπου μία σταθερή μικροβιακή κοινότητα μπορεί να βοηθήσει στον καθαρισμό ρυπασμένων περιοχών. Η δουλειά του επίσης κατηγοριοποιεί περισσότερα από 30.000 ωκεάνιους μικροοργανισμούς ανάλογα με το πόση ενέργεια καταναλώνουν, γεγονός που θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να μάθουν περισσότερα σχετικά με την παραγωγή οργανικής ύλης στους ωκεανούς και την επίπτωσή της στον παγκόσμιο κύκλο του άνθρακα.

Παρόλο που τα μικρόβια είναι γνωστό ότι τροφοδοτούν πολλές βιοχημικές αλλαγές που συμβαίνουν σε οικοσυστήματα όπως οι ωκεανοί, το χώμα και το ανθρώπινο έντερο η κατανόηση του ακριβούς τους ρόλου από τους επιστήμονες δεν είναι κατανοητή. «Μέχρι πριν από 15 χρόνια ήταν πολύ δύσκολο ακόμα και να ταυτοποιήσουμε τους μικροοργανισμούς σε ένα περιβάλλον πολύ περισσότερο να καταλάβουμε ποιος είναι ο μεταβολικός τους ρόλος.» λέει ο Λουκά. « Η πλειονότητα των βακτηρίων, για παράδειγμα, δεν έχει καλλιεργηθεί ποτέ στο εργαστήριο. Η χρήση εξελιγμένων τεχνικών αλληλούχισης ωστόσο αλλάζει πλέον τα δεδομένα επιτρέποντάς μας όχι μόνο να ταυτοποιήσουμε τους μικροοργανισμούς αλλά και να εκτιμήσουμε σε ποιες μεταβολικές διαδικασίες εμπλέκονται.»

Ο Λουκά μεταδιδακτορικός ερευνητής στο ερευνητικό κέντρο βιοποικιλότητας του Βανκούβερ προέβλεψε ότι παρόμοια περιβάλλοντα θα προωθούσαν την ανάπτυξη και δραστηριότητα κυτταρικών διεργασιών με παρόμοια κατανάλωση ενέργειας ανάμεσα στους μικροοργανισμούς ακόμα και αν τα είδη που χρησιμοποιούν τις διεργασίες αυτές είναι διαφορετικά.

Για να ελέγξει την υπόθεσή του, ανέλυσε το DNA ολόκληρων μικροβιακών κοινοτήτων από το φύλλωμα υποτροπικών φυτών. Εκτίμησε τη σύνθεση των ειδών των μικροβιακών κοινοτήτων όπως και την αφθονία των διάφορων ενεργειακών μονοπατιών που ήταν κωδικοποιημένα στο μικροβιακό γονιδίωμα, ανακαλύπτοντας ότι κάθε φυτό φιλοξενούσε μια διακριτή κοινότητα μικροβιακών ειδών.

Το ενδιαφέρον είναι ότι αυτές οι μικροβιακές κοινότητες είχαν μία εντυπωσιακή ομοιότητα αναφορικά με την αφθονία γονιδίων που εμπλέκονται σε διάφορα μονοπάτια συμπεριλαμβανομένων αυτών της ζύμωσης, της αναπνοής οξυγόνου και της δέσμευσης άνθρακα. Οι παρατηρήσεις αυτές προτείνουν ότι οι περιβαλλοντικοί περιορισμοί καθορίζουν σημαντικά την ανάπτυξη τέτοιων μονοπατιών αλλά έχουν πολύ μικρότερη επίδραση στο ποια είδη αντιπροσωπεύουν κάθε μονοπάτι.

Για να εξακριβώσει περαιτέρω τα αποτελέσματα αυτά ο Λουκά ανέλυσε επίσης δεδομένα DNA από μία διεθνή έρευνα σε ωκεάνιους μικροοργανισμούς σε συνδυασμό με ωκεανογραφικά δεδομένα από δορυφόρους. Κατηγοριοποίησε περισσότερους από 30.000 ωκεάνιους μικροοργανισμούς σε διάφορες μεταβολικές ομάδες ανάλογα με τα μονοπάτια που χρησιμοποιούσαν για να παράγουν ενέργεια διακρίνοντας τους σε οργανισμούς που καταναλώνουν το εν δυνάμει αέριο του θερμοκηπίου μεθάνιο και οργανισμούς που καταναλώνουν σουλφίδιο, ένα τοξικό αέριο που βρίσκεται σε περιοχές του ωκεανού.

Ο Λουκά έφτιαξε για πρώτη φορά μία προσέγγιση που του επέτρεψε να εντοπίσει γρήγορα τις μεταβολικές διεργασίες των μικροοργανισμών ανάλογα με το είδος τους. Ανέπτυξε ένα μαθηματικό μοντέλο που προτείνει ότι βιολογικές αλληλεπιδράσεις ανάμεσα σε οργανισμούς είναι ίσως ο λόγος που συγγενικά είδη δεν έχουν πάντα τον ίδιο μεταβολισμό. Μετά χρησιμοποίησε αυτή τη πλατφόρμα για να μελετήσει τον τρόπο που οι μικροβιακές κοινότητες αλλάζουν ανάλογα με το χώρο ή το χρόνο λόγω διαδικασιών που είναι ξεχωριστές από την επιλογή για συγκεκριμένες μεταβολικές διεργασίες.

Χρησιμοποιώντας αναπαραστάσεις υπολογιστών, μαθηματικά μοντέλα και στατιστικές μεθόδους ο Λουκά έδειξε ότι  οι περιβαλλοντικές συνθήκες πρόβλεπαν την κατανομή των μεταβολικών ομάδων στους ωκεανούς. Αντιθέτως οι περιβαλλοντικές συνθήκες δεν προέβλεπαν ποια μικροβιακά είδη συνδέονταν με ποια μεταβολική ομάδα σε κάθε περιοχή.

Το εύρημα αυτό περιπλέκει τα πράγματα, γιατί τα ωκεάνια ρεύματα μπορούν να μεταφέρουν μικροοργανισμούς σε μεγάλες αποστάσεις, ωστόσο τα ίδια μεταβολικά μονοπάτια αντιπροσωπεύονταν από διαφορετικούς οργανισμούς σε διαφορετικές περιοχές του ωκεανού. Ο Λουκά ανακάλυψε ότι επιπρόσθετοι μηχανισμοί που βασίζονται σε αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ειδών, φαίνεται ότι επηρέαζαν το ποια είδη εκτελούν αυτές τις μεταβολικές οδούς σε κάθε περιοχή.

«Πολλές περιβαλλοντικές διεργασίες που συντελούνται από μικροοργανισμούς παραμένουν σταθερές ακόμα και αν η κυριότερη κατηγορία μικροοργανισμών που συμμετέχει σε αυτές αλλάζει με το χρόνο. Για παράδειγμα στους βιοαντιδραστήρες παραγωγής βιοκαυσίμου μπορεί να είναι σχεδόν απίθανο να ελεγχθεί ποιοι μικροοργανισμοί θα κυριαρχήσουν σε κάθε στιγμή, παρόλα αυτά η συνολική απόδοση του βιοαντιδραστήρα μπορεί να ελεγθχεί πολύ πιο εύκολα» λέει ο Λουκά.

Ο Λουκά ενδιαφέρεται να ακολουθήσει μια σειρά πειραμάτων σε οικοσυστήματα πέραν του ωκεανού. «Αν θέλουμε να μοντελοποιήσουμε τις βιογεωχημικές διεργασίες ενός οικοσυστήματος ή τις χημικές μεταβολές κατά την ιστορία της γης φαίνεται ότι μπορούμε να πάμε αρκετά μακρυά απλά επικεντρώνοντας την προσοχή μας στα γονίδια και τις μεταβολικές οδούς που κωδικοποιούν, παρά να εξετάζουμε περισσότερο τους μικροοργανισμούς.»

Συμπερασματικά, οι περιβαλλοντικές συνθήκες φαίνεται να συνδέονται άμεσα με τη δυναμική ορισμένων μικροβιακών οδών μεταγωγής ενέργειας, ενώ οι σύνθετες αλληλεπιδράσεις των ειδών επηρεάζουν τις ταξινομικές ιδιότητες που επιτυγχάνουν κάθε διαδρομή. Η απομάκρυνση της διαδρομής των μικροβιακών κοινοτήτων από τη ταξινομική δομή τους, όπως προωθήθηκε από το έργο μου, θα αποτελέσει σημαντικό συστατικό της μελλοντικής έρευνας για τη μικροβιακή οικολογία.

Ως προπτυχιακός φοιτητής, ο Στυλιανός Λούκα σπούδασε φυσική και μαθηματικά στο Friedrich-Schiller-Universität της Γερμανίας, προτού προχωρήσει στην απόκτηση διδακτορικού διπλώματος. στα εφαρμοσμένα μαθηματικά στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας του Καναδά. Κατά τη διάρκεια της διδακτορικής του έρευνας, διερεύνησε τον τρόπο με τον οποίο οι μικροοργανισμοί, ιδίως τα γονίδιά τους, αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον και μεταξύ τους για να κατευθύνουν τις στοιχειώδεις ροές σε κλίμακες οικοσυστημάτων. Ο Louca είναι σήμερα μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Κέντρο Έρευνας Βιοποικιλότητας στο Βανκούβερ, όπου συνεχίζει να διερευνά την οικολογία και την εξέλιξη του μικροβιακού μεταβολισμού χρησιμοποιώντας μαθηματικό μοντέλο, μοριακό προσδιορισμό αλληλουχίας και εργαστηριακά πειράματα.
Print Friendly, PDF & Email
ΚΟΙΝΟΠΟΙΗΣΗ

Αφήστε ένα σχόλιο
!-- -->

12 + twenty =

Εγγραφείτε στο Newsletter μας!

Μείνετε ενήμεροι για νέα και άρθρα μας.

Χρησιμοποιούμε cookies για να σας προσφέρουμε καλύτερη εμπειρία στο διαδίκτυο. Συμφωνώντας, αποδέχεστε τη χρήση των cookies σύμφωνα με την Πολιτική Cookies.

Privacy Settings saved!
Ρυθμίσεις Απορρήτου

Όταν επισκέπτεστε μία ιστοσελίδα, μπορεί να λάβει κάποιες βασικές πληροφορίες από τον browser σας, κατά βάση υπό τη μορφή cookies. Εδώ μπορείτε να ρυθμίσετε τη συγκατάθεσή σας σε όλα αυτά.

Αυτά τα cookies είναι απαραίτητα για να λειτουργήσει ο ιστότοπος και δεν μπορεί να απενεργοποιηθεί στα συστήματά μας.

Χρησιμοποιούμε το WooCommerce ως σύστημα αγορών. Για επεξεργασία καλαθιού και παραγγελίας θα αποθηκευτούν 2 cookies. Αυτά τα cookies είναι απολύτως απαραίτητα και δεν μπορούν να απενεργοποιηθούν.
  • woocommerce_cart_hash
  • woocommerce_items_in_cart

Για τη χρήση αυτού του ιστότοπου χρησιμοποιούμε τα παρακάτω cookies που απαιτούνται από τεχνική άποψη
  • wordpress_test_cookie
  • wordpress_logged_in_
  • wordpress_sec

Χρησιμοποιούμε το WooCommerce ως σύστημα αγορών. Για επεξεργασία καλαθιού και παραγγελίας θα αποθηκευτούν 2 cookies. Αυτά τα cookies είναι απολύτως απαραίτητα και δεν μπορούν να απενεργοποιηθούν.
  • woocommerce_cart_hash
  • woocommerce_items_in_cart

Απορρίψη όλων των υπηρεσιών
Δέχομαι όλες τις υπηρεσίες