Después de tantos años de aprender cómo funcionan los microbios, los investigadores ahora están recreando digitalmente su funcionamiento interno para abordar desafíos que van desde cambio climático a colonización espacial.
En mi trabajo como biólogo computacionalinvestigo formas de lograr que los microbios produzcan sustancias químicas más útiles, como combustibles y bioplásticos, que puedan usarse en las industrias energética, agrícola o farmacéutica. Tradicionalmente, los investigadores tienen que realizar varios experimentos de prueba y error en placas de Petri para determinar las condiciones óptimas que necesitan los microbios para producir grandes cantidades de sustancias químicas.
En cambio, puedo simular todos estos experimentos desde detrás de una pantalla de computadora a través de planos digitales que replican el interior de los microbios. Llamado modelos metabólicos a escala genómica, o GEMestos laboratorios virtuales reducen significativamente el tiempo y el costo necesarios para determinar qué deben hacer los investigadores para obtener lo que buscan. Con los GEM, los investigadores no sólo exploran la compleja red de vías metabólicas que permiten que los organismos vivos funcionen, sino también modifican, prueban y predicen cómo se comportarían los microbios en diferentes entornos, incluso en otros planetas.
A medida que la tecnología GEM continúa evolucionando, creo que estos modelos desempeñarán un papel cada vez más importante en la configuración del futuro de la biotecnología, la medicina y la exploración espacial.
¿Qué son los modelos metabólicos a escala genómica?
Modelos metabólicos a escala genómica. son mapas digitales de todas las reacciones químicas conocidas que ocurren en las células, es decir, la estructura de la célula. metabolismo. Estas reacciones son cruciales para convertir los alimentos en energía, construir estructuras celulares y desintoxicar sustancias nocivas.
Para crear un GEM, empiezo analizando el genoma de un organismo, que contiene las instrucciones genéticas que utilizan las células para producir proteínas. Un tipo de proteína codificada en el genoma. llamado enzimas son los caballos de batalla del metabolismo: facilitan la conversión de nutrientes en energía y componentes básicos para las células.
Al vincular los genes que codifican las enzimas con las reacciones químicas que ayudan a que sucedan, puedo construir un modelo integral que mapee las conexiones entre genes, reacciones y metabolitos.
(Crédito: Chakazul/Wikimedia Commons) Este mapa muestra sólo algunas de las principales vías metabólicas en las células.
Una vez que construyo un GEM, utilizo algunas simulaciones computacionales avanzadas para que funcione como lo haría una célula viva o un microbio. Uno de los algoritmos más comunes que utilizan los investigadores para realizar estas simulaciones se llama análisis de equilibrio de flujo. Este algoritmo matemático analiza los datos disponibles sobre el metabolismo y luego hace predicciones sobre cómo actuarían diferentes reacciones químicas y metabolitos en condiciones específicas.
Esto hace que los GEM sean particularmente útiles para comprender cómo responden los organismos a los cambios genéticos y al estrés ambiental. Por ejemplo, puedo utilizar este método para predecir cómo reaccionará un organismo cuando se elimine un gen específico. También podría usarlo para predecir cómo podría adaptarse a la presencia de diferentes sustancias químicas en su entorno o a la falta de alimentos.
Resolver los desafíos energéticos y climáticos
La mayoría de los productos químicos utilizados en la agricultura, los productos farmacéuticos y los combustibles son obtenido de combustibles fósiles. Sin embargo, los combustibles fósiles son un recurso limitado y contribuir significativamenteal cambio climático.
En lugar de extraer energía de combustibles fósiles, mi equipo en el Centro de investigación de bioenergía de los Grandes Lagos de la Universidad de Wisconsin-Madison se centra en el desarrollo de biocombustibles y bioproductos sostenibles a partir de residuos vegetales. Esto incluye el tallo de maíz después de cosechar las mazorcas y las plantas no comestibles como pasto y algas. Estudiamos qué desechos de cultivos se pueden utilizar para bioenergía, cómo utilizar microbios para convertirlos en energía y formas de gestionar de forma sostenible la tierra en la que se cultivan esos cultivos.
Estoy construyendo un modelo metabólico a escala genómica para Novosphingobium aromáticoivoransuna especie de bacteria que puede convertir sustancias químicas muy complejas en residuos vegetales para químicos que son valiosos para las personascomo los que se utilizan para fabricar bioplásticos, productos farmacéuticos y combustibles. Con una comprensión más clara de este proceso de conversión, puedo mejorar el modelo para simular con mayor precisión las condiciones necesarias para sintetizar mayores cantidades de estos químicos.
Luego, los investigadores podrán replicar estas condiciones en la vida real para generar materiales que sean más baratos y accesibles que los fabricados a partir de combustibles fósiles.
La bioinformática analiza datos biológicos para responder preguntas sobre los organismos vivos.
Microbios extremos y colonización espacial.
Hay microbios en la Tierra que pueden sobrevivir en ambientes extremadamente hostiles. Por ejemplo, Cromohalobacter canadensis Puede vivir en condiciones extremadamente saladas. Similarmente, Tolerantes a Alicyclobacillus Puede prosperar en ambientes muy ácidos.
Dado que otros planetas suelen tener climas igualmente severos, es posible que estos microbios no solo puedan prosperar y reproducirse en estos planetas, sino que también podrían cambiar el medio ambiente para que los humanos también puedan vivir allí.
Al combinar GEM con aprendizaje automático, vi que canadensis y A. tolerantes poder sufrir cambios químicos que les ayudan a sobrevivir en condiciones extremas. Tienen proteínas especiales en sus paredes celulares que trabajan con enzimas para equilibrar las sustancias químicas de su entorno interno con las sustancias químicas de su entorno externo.
Con los GEM, los científicos pueden simular los entornos de otros planetas para estudiar cómo sobreviven los microbios sin necesidad de ir a esos planetas.
El futuro de las GEM
Cada día, los investigadores generan grandes cantidades de datos sobre el metabolismo microbiano. A medida que avanza la tecnología GEM, abre la puerta a nuevas e interesantes posibilidades en medicina, energía, espacio y otras áreas.
Biólogos sintéticos Puede utilizar GEM para diseñar organismos o vías metabólicas completamente nuevas desde cero. Este campo podría hacer avanzar la biofabricación al permitir la creación de organismos que produzcan eficientemente nuevos materiales, medicamentos o incluso alimentos.
Los GEM de todo el cuerpo humano también pueden servir como atlas para el metabolismo de enfermedades complejas. Pueden ayudar a mapear cómo cambia el entorno químico del cuerpo con la obesidad o la diabetes.
Ya sea para producir biocombustibles o diseñar nuevos organismos, los GEM proporcionan una herramienta poderosa para la investigación básica y aplicaciones industriales. A medida que avancen la biología computacional y los GEM, estas tecnologías seguirán transformando la forma en que los científicos entienden y manipulan el metabolismo de los organismos vivos.
Blaise Manga Enuh es investigador asociado postdoctoral en genómica microbiana y biología de sistemas en la Universidad de Wisconsin-Madison.. Este artículo se republica desde La conversación bajo un Licencia Creative Commons. Lea el artículo original.