Роль вычислительной биологии в проектировании микробных сообществ

Как компьютерные модели помогают проектировать микробные сообщества? Исследователи из Ахена, Дюссельдорфа и Ист-Лансинга (США) изучили перспективы развития синтетической биологии. В статье в журнале Synthetic Biology они объясняют, почему компьютерная биология играет важную роль.

Микробные сообщества (бактерии, грибы, вирусы) повсеместны и выполняют множество функций. Например, микробиом кишечника необходим для метаболизма, помогая усваивать питательные вещества. Нарушение его состава может нанести вред организму.

Синтетическая биология — междисциплинарная область, использующая инженерные принципы для создания новых биологических систем с заданными функциями. Методы генной инженерии позволяют модифицировать и переносить ДНК и РНК между организмами.

Если изначально синтетическая биология фокусировалась на отдельных организмах, то теперь её потенциал для проектирования сложных сетей, таких как искусственные сообщества (синтетических) организмов, становится всё более очевидным.

Такие сообщества имеют широкий спектр потенциальных применений:

• Смягчение течения заболеваний.
• Повышение урожайности сельскохозяйственных культур.
• Производство ценных биомолекул.

Исследователи из CRC1535 "MibiNet" вдохновляются природными лишайниками, где фототрофные цианобактерии или водоросли вступают в симбиоз с гетеротрофными грибами. Они хотят использовать этот пример микробной сети для будущих приложений.

Цель исследований — внести вклад в создание междисциплинарных методов и технологий для CO₂-негативных процессов, то есть активно удаляющих CO₂ из атмосферы. В другом проекте (ACCeSS) планируется использовать солнечную энергию для очистки сточных вод.

В статье учёные из RWTH Aachen, HHU и Michigan State University (MSU) описывают это будущее направление развития синтетической биологии. Они подчёркивают роль вычислительной биологии как неотъемлемого компонента, который может значительно упростить проектирование искусственных сообществ.

Ключевые цитаты авторов:

• Проф. д-р Илька Аксманн (HHU): «Мы предлагаем сместить фокус с подходов, ориентированных на отдельный организм, на функциональный вклад организмов внутри сообщества... Фокус лежит на функции, которую должно выполнять сообство в целом. Неважно, какие конкретные организмы оно содержит: организмы — это лишь "шасси", содержащие необходимые метаболические пути и обеспечивающие требуемые функциональные роли».
• Проф. д-р Дэниел К. Дукат (MSU): «Всё больше примеров показывают, что, хотя видовой состав сложных микробных сообществ может меняться со временем или в разных местах, конкретные функции сообщества остаются стабильными в более широком масштабе».
• Проф. д-р Анна Матушинска (RWTH Aachen): «Вычислительная биология может помочь поддержать модульность в синтетической биологии... С помощью математических моделей мы можем предсказывать и оптимизировать такие системы, чтобы обеспечить их надёжную и эффективную работу. Мы намерены использовать этот "in silico дизайн" на самых ранних этапах разработки синтетического сообщества».