Der Boden ist ein dynamisches System von Mikroben-Material-Wechselwirkungen und Umweltreaktionen. Der Boden-Mikroben-Komplex ist ein integriertes und anpassungsfähiges System, das seinen Zustand entsprechend der äußeren Umgebung umgestalten kann.
Inspiriert von diesen Eigenschaften des Bodens haben Forscher ein chemisches System entworfen, in dem die Wahrnehmung und Modifikation durch äußere Reize induziert werden kann. Prof. Prof. Prof. Gao Xiang vom Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ist Co-Erstautor dieser Studie.
Diese Studie wurde veröffentlicht in Naturchemie am 24. Okt.
Die mikrobiell besiedelte Umgebung des Bodens ist ein perfektes Beispiel für die Mikroben-Material-Interaktion in der Natur. Einerseits interagieren endogene Bodenmineralien und organische Bodensubstanz dynamisch mit exogenen Faktoren wie Feuchtigkeit und mechanischer Kraft, um mikrobiologische Gemeinschaften im Boden zu lenken. Andererseits regulieren Bodenmikroben biogeochemische Kreisläufe, um den Boden mit Nährstoffen wie Stickstoff, Phosphor und Schwefel anzureichern.
Das Forschungsteam schlug einen Bottom-up-Syntheseansatz vor, um ein chemisches System aus nanostrukturierten Mineralien, Stärkekörnern und flüssigen Metallen zu konstruieren, um immobilisierte anorganische und organische Materialien und mobile Phasen im Boden lose darzustellen.
„Das System reagiert chemisch, optisch und mechanisch mit programmierbaren Eigenschaften“, sagte Prof. Lin Yiliang, Korrespondent und Erstautor dieser Studie und derzeit Assistenzprofessor an der National University of Singapore. „Wir können leitfähige Informationen mit mechanischem Druck oder Laserstrukturierung in die Materialien ‚codieren‘ und dann die Leitfähigkeit mit chemischen Dämpfen ‚löschen‘. Der gesamte Prozess ist reversibel.“
Neben der strukturellen Ähnlichkeit mit echtem Boden und seiner dynamischen Reaktionsfähigkeit verbessert das vom Boden inspirierte chemische System nicht nur den mikrobiellen Stoffwechsel in vitro, sondern bereichert auch die Darmbakterienvielfalt unter pathologischen Bedingungen und moduliert die bakterielle Dysbiose in vivo.
In In-vivo-Experimenten erhöhte das vom Boden inspirierte chemische System die Häufigkeit von Darmmikrobiota und modulierte dysregulierte Darmmikroben unter pathologischen Bedingungen. „Bodeninspirierte chemische Systeme waren vielversprechend für die Behandlung von Magen-Darm-Erkrankungen“, sagte Prof. Gao Xiang von SIAT, der Mit-Erstautor der Studie.
Dieses chemische System kann nicht nur für die Darmmikrobiota verwendet werden, sondern auch zur Untersuchung anderer mikrobieller Systeme wie Haut- und Bodenmikrobiota, die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Stabilität und Produktivität von Agrarökosystemen haben können.
Yiliang Lin et al., Ein vom Boden inspiriertes, dynamisch reagierendes chemisches System zur mikrobiellen Modulation, Naturchemie (2022). DOI: 10.1038/s41557-022-01064-2