На протяжении многих лет ученые изучали сложную работу микробов. Теперь они моделируют эти внутренние механизмы в цифровом формате, чтобы решить множество проблем, включая смягчение последствий изменения климата и подготовку к космическим поселениям.
Как компьютерный биолог, я концентрируюсь на раскрытии методов, которые побуждают микроорганизмы производить большее количество полезных соединений, таких как биотопливо и биопластики, для таких отраслей, как энергетика, сельское хозяйство или фармацевтика. Обычно исследователи прибегают к множеству раундов экспериментов методом проб и ошибок в чашках Петри, чтобы определить идеальные условия, необходимые микробам для максимизации их химического производства.
Вместо того, чтобы проводить эти эксперименты физически, я могу имитировать их, используя цифровые чертежи, имитирующие внутренности микроорганизмов, часто называемые метаболическими моделями масштаба генома (GEM). Эти виртуальные лаборатории существенно сокращают как время, так и финансовые ресурсы, необходимые исследователям для получения желаемых результатов. GEM позволяют ученым не только изучать сложную сеть метаболических путей, которые поддерживают жизнь живых существ, но также приспосабливаться, экспериментировать и предсказывать, как микробы будут реагировать в различных средах, даже на далеких планетах.
Со временем, по мере развития технологии генно-инженерных машин (GEM), становится ясно, что эти модели станут более влиятельными в определении курса достижений в области биотехнологий, медицины и космических исследований.
Что такое метаболические модели в масштабе генома?
Метаболические модели в масштабе генома функционируют как подробные цифровые диаграммы, изображающие все известные биохимические реакции, происходящие внутри клеток, и, по сути, представляющие метаболические процессы клетки. Эти реакции играют жизненно важную роль в преобразовании питательных веществ в энергию, построении клеточных компонентов и нейтрализации вредных соединений.
Чтобы создать генно-инженерный микроорганизм (GEM), я начинаю с изучения генетического кода организма, известного как геном, который содержит схему производства белков клетками. Среди этих белков, закодированных в геноме, особый тип, называемый ферментами, играет решающую роль в метаболизме — они действуют как рабочие, способствуя превращению питательных веществ в энергию и строительные блоки клеток.
Связав гены, ответственные за выработку ферментов, с химическими процессами, которые они облегчают, я могу построить всеобъемлющую диаграмму, иллюстрирующую взаимосвязь между генами, химическими реакциями и их соответствующими продуктами (метаболитами).
Всякий раз, когда я создаю свой GEM (генетически модифицированный микроорганизм), я использую сложное компьютерное моделирование, чтобы имитировать его поведение, очень похожее на поведение живой клетки или микроба. Популярный метод, который исследователи часто используют для такого моделирования, называется «Анализ баланса потока» и представляет собой сложный математический алгоритм. Этот инструмент тщательно изучает данные, связанные с метаболизмом, и впоследствии предлагает прогнозы потенциальных взаимодействий между различными химическими реакциями и метаболитами в определенных условиях.
Такой подход делает GEM исключительно ценными для изучения того, как организмы реагируют на генетические изменения и давление окружающей среды. Например, я могу применить эту технику для прогнозирования поведения организма при деактивации определенного гена. Точно так же его можно использовать для прогнозирования возможных адаптаций в ответ на различные химические вещества, встречающиеся в окружающей среде, или на нехватку продовольствия.
Решение энергетических и климатических проблем
Подавляющее большинство веществ, используемых в сельском хозяйстве, производстве лекарств и переработке топлива, происходят из невозобновляемых ресурсов, известных как ископаемое топливо. К сожалению, эти ресурсы ограничены и играют значительную роль в усугублении глобального потепления.
В Центре биоэнергетических исследований Великих озер Университета Висконсин-Мэдисон моя команда концентрируется на создании экологически чистого биотоплива и биопродуктов из выброшенных растительных остатков. Сюда входят остатки стеблей кукурузы после сбора урожая, а также несъедобные растения, такие как трава и водоросли. Мы исследуем, какие сельскохозяйственные отходы подходят для производства энергии, методы использования микробов для преобразования этих отходов в полезную энергию, а также устойчивые стратегии управления землями, на которых выращиваются эти культуры.
Я создаю комплексную модель метаболизма бактерий вида Novosphingobium Aromaticivorans. Этот микроорганизм известен своей способностью превращать сложные соединения, обнаруженные в растительных отходах, в полезные вещества, такие как биопластики, фармацевтические препараты и прекурсоры топлива. Получив более глубокое представление об этом процессе трансформации, я смогу усовершенствовать модель, чтобы лучше воспроизвести условия, способствующие производству большего количества этих ценных химикатов.
Проще говоря, исследователи могли бы имитировать эти условия в реальном мире, чтобы производить материалы, которые дешевле и их легче получить по сравнению с материалами, полученными из ископаемого топлива.
Экстремальные микробы и колонизация космоса
На нашей планете есть микроорганизмы, способные переносить невероятно сложные условия. Например, бактерия Chromohalobacter canadensis способна существовать в исключительно соленой среде. Аналогичным образом, Alicyclobacillus tolerans демонстрирует устойчивость, процветая в чрезвычайно кислых условиях.
Поскольку многие другие планеты часто имеют экстремальный климат, эти микробы могут не только выживать и размножаться на этих планетах, но и изменять окружающую среду таким образом, чтобы люди могли населять их.
Объединив GEM и машинное обучение, я обнаружил, что вид C. canadensis и A. толерантные способны химически адаптироваться к суровым условиям окружающей среды. Они обладают уникальными белками внутри своих клеточных стенок, которые взаимодействуют с ферментами, регулируя химический состав внутри них с помощью химических веществ в окружающей среде.
Используя GEM (общие экологические модули), исследователи могут имитировать условия далеких планет для изучения выживания микробов, устраняя необходимость физического путешествия на эти планеты.
Будущее драгоценных камней
Ежедневно ученые накапливают огромное количество информации о микробном метаболизме. С развитием технологии геномного моделирования (GEM) появляется множество интересных возможностей в таких областях, как медицина, энергетика, космонавтика и других.
Как мог бы сказать энтузиаст игр в области синтетической генетики: «Я могу создать совершенно новые формы жизни или метаболические пути, используя модели масштаба генома (GEM). Эта передовая область может произвести революцию в биопроизводстве, предоставив нам возможность разрабатывать организмы, которые более эффективно добывать свежие материалы, лекарства или даже питательную пищу.
Целые человеческие тела, анализируемые с помощью GEM (генно-инженерных микробов), могут служить всеобъемлющим руководством для понимания метаболических аспектов сложных заболеваний. Эти GEM могут помочь визуализировать, как химический ландшафт в организме меняется при таких состояниях, как ожирение или диабет.
С точки зрения производства биотоплива или создания новых форм жизни, генетически модифицированные микроорганизмы (ГЕМ) служат мощным инструментом как для фундаментальных исследований, так и для коммерческого использования. По мере развития вычислительной биологии и GEM эти технологии будут постоянно революционизировать способы понимания и контроля метаболических процессов в живых организмах.
Смотрите также
- Кто такой муж Колмана Доминго Рауль Доминго? Все о его жизни
- Кто такая София Фальконе из «Пингвина»? Объяснение ее истории в комиксах DC
- Портативное устройство Anbernic RG40XX H может играть в игры PSP, Nintendo DS и Dreamcast
- Кто такой игрок 001? Раскрыт главный поворот второго сезона «Игры в кальмаров»
- Скай Джексон ждет своего первого ребенка от бойфренда; Говорит: «Я очень рад начать…»
- «Месяц спустя…» Кристина Холл рассказала о своей жизни на фоне месячного развода с Джошем Холлом
- Сколько детей у Джастина Бальдони? Все, что мы знаем об этом, заканчивается на нас, семье звезды
- Сэм Хэзелдайн рассказывает нам все, что нужно знать об Адаре, в сериале «Кольца силы: прошлое, настоящее и будущее»
- Кто мать Деймона? Объяснение «Дома Дракона» Алисы Таргариен
- Дом Дракона: кто сильнее, Вермитор или Вхагар?
2025-01-11 17:58