Mikroba dapat menjajah ruang angkasa, menghasilkan obat-obatan, dan menghasilkan energi. Tapi bagaimana caranya?

Setelah bertahun-tahun mempelajari cara kerja mikroba, para peneliti kini menciptakan kembali cara kerja mikroba secara digital untuk mengatasi tantangan mulai dari perubahan iklim ke kolonisasi ruang angkasa.

Dalam pekerjaan saya sebagai ahli biologi komputasiSaya menyelidiki cara-cara untuk membuat mikroba menghasilkan bahan kimia yang lebih berguna, seperti bahan bakar dan bioplastik, yang dapat digunakan dalam industri energi, pertanian, atau farmasi. Secara tradisional, para peneliti harus melakukan beberapa percobaan coba-coba pada cawan Petri untuk menentukan kondisi optimal yang dibutuhkan mikroba untuk menghasilkan bahan kimia dalam jumlah besar.

Sebaliknya, saya dapat mensimulasikan semua eksperimen ini dari balik layar komputer melalui cetak biru digital yang mereplikasi bagian dalam mikroba. Ditelepon model metabolisme skala genom, atau PERMATALaboratorium virtual ini secara signifikan mengurangi waktu dan biaya yang diperlukan untuk menentukan apa yang perlu dilakukan peneliti untuk mendapatkan apa yang mereka cari. Dengan GEM, para peneliti tidak hanya mengeksplorasi jaringan kompleks jalur metabolisme yang memungkinkan organisme hidup berfungsi, namun juga memodifikasi, menguji, dan memprediksi bagaimana perilaku mikroba di lingkungan berbeda, termasuk di planet lain.

Seiring dengan terus berkembangnya teknologi GEM, saya yakin model-model ini akan memainkan peran yang semakin penting dalam membentuk masa depan bioteknologi, kedokteran, dan eksplorasi ruang angkasa.

Apa model metabolisme skala genom?

Model metabolisme skala genom. Itu adalah peta digital yang diketahui semua orang reaksi kimia yang terjadi di dalam sel, yaitu metabolisme sel. Reaksi-reaksi ini sangat penting untuk mengubah makanan menjadi energi, membangun struktur sel, dan mendetoksifikasi zat berbahaya.

Untuk membuat GEM, saya mulai dengan menganalisis genom suatu organisme, yang berisi instruksi genetik yang digunakan sel untuk membuat protein. Suatu jenis protein yang dikodekan dalam genom. disebut enzim Mereka adalah pekerja metabolisme: mereka memfasilitasi konversi nutrisi menjadi energi dan komponen dasar sel.

Dengan menghubungkan gen yang mengkode enzim dengan reaksi kimia yang membantu terjadinya enzim, saya dapat membangun model komprehensif yang memetakan hubungan antara gen, reaksi, dan metabolit.

Setelah saya membuat GEM, saya menggunakan beberapa simulasi komputer canggih untuk membuatnya berfungsi seperti sel hidup atau mikroba. Salah satu algoritma paling umum yang digunakan peneliti untuk melakukan simulasi ini disebut analisis keseimbangan aliran. Algoritme matematika ini menganalisis data metabolisme yang tersedia dan kemudian membuat prediksi tentang bagaimana berbagai reaksi kimia dan metabolit akan bertindak dalam kondisi tertentu.

Hal ini membuat GEM sangat berguna untuk memahami bagaimana organisme merespons perubahan genetik dan tekanan lingkungan. Misalnya, saya dapat menggunakan metode ini untuk memprediksi bagaimana suatu organisme akan bereaksi ketika gen tertentu dihapus. Anda juga dapat menggunakannya untuk memprediksi bagaimana Anda beradaptasi dengan keberadaan berbagai bahan kimia di lingkungan Anda atau kekurangan makanan.

Mengatasi tantangan energi dan iklim

Sebagian besar bahan kimia yang digunakan dalam pertanian, obat-obatan dan bahan bakar adalah diperoleh dari bahan bakar fosil. Namun, bahan bakar fosil Mereka adalah sumber daya yang terbatas dan berkontribusi secara signifikan ke perubahan iklim.

Alih-alih mengambil energi dari bahan bakar fosil, tim saya di Pusat Penelitian Bioenergi Great Lakes dari University of Wisconsin-Madison berfokus pada pengembangan biofuel berkelanjutan dan bioproduk dari limbah tanaman. Diantaranya adalah batang jagung setelah tongkolnya dipanen, tanaman yang tidak dapat dimakan seperti rumput, dan rumput laut. Kami mempelajari limbah tanaman apa yang dapat digunakan untuk bioenergi, bagaimana menggunakan mikroba untuk mengubahnya menjadi energi, dan cara mengelola lahan secara berkelanjutan di mana tanaman tersebut ditanam.

Saya sedang membangun model metabolisme skala genom untuk Novosphingobium aromatikovoransspesies bakteri yang bisa mengubah bahan kimia yang sangat kompleks dalam sisa tanaman untuk bahan kimia yang berharga bagi manusiaseperti yang digunakan untuk membuat bioplastik, obat-obatan, dan bahan bakar. Dengan pemahaman yang lebih jelas tentang proses konversi ini, saya dapat menyempurnakan model agar dapat mensimulasikan kondisi yang diperlukan untuk mensintesis bahan kimia dalam jumlah yang lebih besar secara lebih akurat.

Para peneliti kemudian dapat meniru kondisi ini dalam kehidupan nyata untuk menghasilkan bahan yang lebih murah dan lebih mudah diakses dibandingkan bahan bakar fosil.

Mikroba ekstrim dan kolonisasi ruang angkasa.

Ada mikroba di Bumi yang dapat bertahan hidup di lingkungan yang sangat tidak bersahabat. Misalnya, Cromohalobacter canadensis Ia bisa hidup dalam kondisi yang sangat asin. Demikian pula, Alicyclobacillus toleran Ia dapat tumbuh subur di lingkungan yang sangat asam.

Karena planet-planet lain sering kali mempunyai iklim yang sama kerasnya, ada kemungkinan bahwa mikroba-mikroba ini tidak hanya dapat berkembang biak dan berkembang biak di planet-planet tersebut, namun mereka juga dapat mengubah lingkungan sehingga manusia dapat hidup di sana juga.

Menggabungkan PERMATA dengan pembelajaran mesinSaya melihat itu kanadensis Dan A.toleran Bisa mengalami perubahan kimia yang membantu mereka bertahan hidup dalam kondisi ekstrim. Mereka memiliki protein khusus di dinding selnya yang bekerja dengan enzim untuk menyeimbangkan bahan kimia di lingkungan internalnya dengan bahan kimia di lingkungan eksternalnya.

Dengan GEM, para ilmuwan dapat melakukan simulasi lingkungan di planet lain untuk mempelajari bagaimana mikroba bertahan hidup tanpa harus pergi ke planet tersebut.

Masa depan PERMATA

Setiap hari, para peneliti menghasilkan sejumlah besar data tentang metabolisme mikroba. Seiring kemajuan teknologi GEM, hal ini membuka pintu terhadap kemungkinan-kemungkinan baru yang menarik di bidang kedokteran, energi, ruang angkasa, dan bidang lainnya.

Ahli biologi sintetik Anda dapat menggunakan GEM untuk merekayasa organisme atau jalur metabolisme yang benar-benar baru dari awal. Bidang ini dapat memajukan biomanufaktur dengan memungkinkan terciptanya organisme yang secara efisien menghasilkan bahan baru, obat-obatan, atau bahkan makanan.

PERMATA di seluruh tubuh manusia juga dapat berfungsi sebagai atlas untuk metabolisme penyakit kompleks. Mereka dapat membantu memetakan bagaimana lingkungan kimia tubuh berubah akibat obesitas atau diabetes.

Baik dalam memproduksi biofuel atau merekayasa organisme baru, GEM menyediakan alat yang ampuh untuk penelitian dasar dan aplikasi industri. Sebagai biologi komputasi Seiring dengan kemajuan GEM, teknologi ini akan terus mengubah cara para ilmuwan memahami dan memanipulasi metabolisme organisme hidup.

Artikel ini diterbitkan ulang dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Baca artikel asli.