Моделирование микробов для решения глобальных задач: от климата до космоса
Исследователи создают цифровые копии внутренних процессов микроорганизмов, чтобы решать проблемы от изменения климата до колонизации космоса. В основе подхода — геномно-масштабные метаболические модели (GEMs).
Что такое GEMs?
Геномно-масштабные метаболические модели — это цифровые карты всех известных химических реакций в клетке (её метаболизма). Эти реакции превращают пищу в энергию, строят клеточные структуры и обезвреживают вредные вещества.
Как создаётся GEM:
- Анализируется геном организма, содержащий инструкции для производства белков.
- Определяются ферменты — белки, катализирующие метаболические реакции.
- Устанавливаются связи между генами, кодирующими ферменты, и химическими реакциями, которые они обеспечивают.
Как работает модель: Для симуляции живой клетки используется математический алгоритм анализа баланса потоков (flux balance analysis). Он предсказывает, как реакции и метаболиты поведут себя в заданных условиях, например, при "выключении" гена или изменении среды.
Решение энергетических и климатических проблем
Большинство химикатов для сельского хозяйства, фармацевтики и топлива получают из ископаемого сырья. Команда Great Lakes Bioenergy Research Center Университета Висконсин-Мэдисон работает над созданием устойчивых биотоплив и биопродуктов из растительных отходов (кукурузной соломы, травы, водорослей).
Пример: Учёные строят GEM для бактерии Novosphingobium aromaticivorans, которая способна превращать сложные химические вещества в растительных отходах в ценные соединения для производства биопластиков, лекарств и топлива. Модель помогает точнее смоделировать условия для синтеза большего количества этих веществ, что затем можно воспроизвести в реальности для получения более дешёвых и доступных материалов.
Экстремофилы и колонизация космоса
На Земле существуют микробы, выживающие в экстремальных условиях:
- Chromohalobacter canadensis — живёт в условиях высокой солёности.
- Alicyclobacillus tolerans — процветает в очень кислой среде.
Поскольку климат других планет часто суров, такие микробы могут не только выжить там, но и потенциально изменить среду для будущего проживания людей.
Исследование с помощью GEMs и машинного обучения показало, что C. canadensis и A. tolerans имеют специальные белки в клеточных стенках, которые работают вместе с ферментами, чтобы сбалансировать химический состав внутренней и внешней среды. С помощью GEMs можно симулировать условия других планет и изучать выживаемость микробов, не отправляясь туда физически.
Будущее GEMs
Ежедневно генерируются огромные массивы данных о микробном метаболизме. Развитие технологии GEMs открывает новые возможности:
- Синтетическая биология: Создание с нуля новых организмов или метаболических путей для эффективного производства материалов, лекарств или пищи.
- Медицина: Модели метаболизма всего человеческого тела могут стать атласом для изучения сложных заболеваний (ожирения, диабета), показывая, как меняется химическая среда организма.
GEMs — мощный инструмент как для фундаментальных исследований, так и для промышленных приложений. Развитие вычислительной биологии и GEMs продолжит трансформировать понимание и управление метаболизмом живых организмов.