Hoy en día, de un billón de especies estimadas en la Tierra, el 99,999 por ciento se consideran microbianas: bacterias, arqueas, virus y eucariotas unicelulares. Durante gran parte de la historia de nuestro planeta, los microbios gobernaron la Tierra y fueron capaces de vivir y prosperar en los entornos más extremos. En las últimas décadas, los investigadores apenas han comenzado a lidiar con la diversidad de microbios: se estima que menos del 1 por ciento de los genes conocidos tienen funciones validadas en laboratorio. Los enfoques computacionales ofrecen a los investigadores la oportunidad de analizar estratégicamente esta cantidad de información verdaderamente asombrosa.
Yunha Hwang, nuevo miembro del cuerpo docente del MIT, microbiólogo ambiental e informático de formación, está interesado en la nueva biología revelada por la forma de vida más diversa y prolífica de la Tierra. En un puesto docente compartido como profesor de desarrollo profesional Samuel A. Goldblith en el Departamento de Biología, así como profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y en la Facultad de Computación Schwarzman del MIT, Hwang está explorando la intersección de la computación y la biología.
P: ¿Qué lo atrajo a investigar microbios en ambientes extremos y cuáles son los desafíos al estudiarlos?
R: Los ambientes extremos son excelentes lugares para buscar biología interesante. Cuando era niño quería ser astronauta y lo más parecido a la astrobiología es examinar entornos extremos en la Tierra. Y lo único que vive en esos ambientes extremos son los microbios. Durante una expedición de muestreo en la que participé frente a la costa de México, descubrimos una colorida alfombra microbiana a unos 2 kilómetros bajo el agua que floreció porque las bacterias respiraban azufre en lugar de oxígeno, pero ninguno de los microbios que esperaba estudiar crecería en el laboratorio.
El mayor desafío al estudiar microbios es que la mayoría de ellos no se pueden cultivar, lo que significa que la única forma de estudiar su biología es mediante un método llamado metagenómica. Mi último trabajo es el modelado del lenguaje genómico. Esperamos desarrollar un sistema computacional para poder sondear el organismo tanto como sea posible “in silico”, simplemente utilizando datos de secuencia. Un modelo de lenguaje genómico es técnicamente un modelo de lenguaje grande, excepto que el lenguaje es ADN en contraposición al lenguaje humano. Se entrena de manera similar, solo que en lenguaje biológico en lugar de inglés o francés. Si nuestro objetivo es aprender el lenguaje de la biología, deberíamos aprovechar la diversidad de genomas microbianos. Aunque tenemos muchos datos, e incluso a medida que hay más muestras disponibles, apenas hemos arañado la superficie de la diversidad microbiana.
P: Dada la diversidad de los microbios y lo poco que sabemos sobre ellos, ¿cómo puede el estudio de los microbios in silico, utilizando modelos del lenguaje genómico, mejorar nuestra comprensión del genoma microbiano?
R: Un genoma consta de muchos millones de letras. Un ser humano no puede posiblemente mirar eso y darle sentido. Sin embargo, podemos programar una máquina para segmentar datos en partes que sean útiles. Así es como funciona la bioinformática con un solo genoma. Pero si nos fijamos en un gramo de suelo, que puede contener miles de genomas únicos, son demasiados datos con los que trabajar: se necesitan un ser humano y una computadora juntos para poder lidiar con esos datos.
Durante mi doctorado y mi maestría, apenas estábamos descubriendo nuevos genomas y nuevos linajes que eran muy diferentes de cualquier cosa que se hubiera caracterizado o cultivado en el laboratorio. Eran cosas que acabamos de llamar “materia oscura microbiana”. Cuando hay muchas cosas no caracterizadas, ahí es donde el aprendizaje automático puede ser realmente útil, porque solo buscamos patrones, pero ese no es el objetivo final. Lo que esperamos hacer es mapear estos patrones en las relaciones evolutivas entre cada genoma, cada microbio y cada instancia de vida.
Anteriormente, habíamos pensado en las proteínas como una entidad independiente, lo que nos proporciona un grado decente de información porque las proteínas están relacionadas por homología y, por lo tanto, cosas que están relacionadas evolutivamente podrían tener una función similar.
Lo que se sabe sobre microbiología es que las proteínas están codificadas en genomas, y el contexto en el que se une esa proteína (qué regiones vienen antes y después) se conserva evolutivamente, especialmente si hay un acoplamiento funcional. Esto tiene mucho sentido porque cuando tienes tres proteínas que deben expresarse juntas porque forman una unidad, es posible que quieras ubicarlas una al lado de la otra.
Lo que quiero hacer es incorporar más de ese contexto genómico en la forma en que buscamos y anotamos proteínas y entendemos la función de las proteínas, de modo que podamos ir más allá de la secuencia o la similitud estructural para agregar información contextual a cómo entendemos las proteínas y formular hipótesis sobre sus funciones.
P: ¿Cómo se puede aplicar su investigación para aprovechar el potencial funcional de los microbios?
R: Los microbios son posiblemente los mejores químicos del mundo. Aprovechar el metabolismo microbiano y la bioquímica conducirá a métodos más sostenibles y eficientes para producir nuevos materiales, nuevas terapias y nuevos tipos de polímeros.
Pero no se trata sólo de eficiencia: los microbios realizan una química en la que ni siquiera sabemos cómo pensar. Comprender cómo funcionan los microbios y ser capaz de comprender su composición genómica y su capacidad funcional también será muy importante al pensar en cómo están cambiando nuestro mundo y nuestro clima. La mayor parte del secuestro de carbono y del ciclo de nutrientes lo realizan los microbios; Si no entendemos cómo un microbio determinado es capaz de fijar nitrógeno o carbono, tendremos dificultades para modelar los flujos de nutrientes de la Tierra.
Desde el punto de vista más terapéutico, las enfermedades infecciosas son una amenaza real y creciente. Comprender cómo se comportan los microbios en diversos entornos en relación con el resto de nuestro microbioma es realmente importante cuando pensamos en el futuro y en la lucha contra los patógenos microbianos.