Современные цифровые технологии, в том числе, моделирование метаболических процессов на уровне генома, открывают новые горизонты для биотехнологий и фундаментальных исследований.
Метаболические модели на уровне генома (GEM) представляют собой цифровые схемы, описывающие все известные химические реакции, происходящие в клетках. Эти реакции играют ключевую роль в преобразовании пищи в энергию, строительстве клеточных структур и нейтрализации токсинов. Такие модели позволяют ученым с высокой точностью предсказывать поведение микроорганизмов в различных условиях и находить оптимальные пути для производства бактериями биотоплива, биопластиков и лекарств.
Создание GEM начинается с анализа генома организма. Он содержит инструкции для синтеза белков, включая ферменты, которые выступают катализаторами метаболических процессов. Ученые связывают гены, кодирующие ферменты, с соответствующими реакциями и метаболитами, создавая подробную цифровую карту, которая затем подвергается вычислительным симуляциям. Используемые алгоритмы, в частности, анализ баланса потоков, позволяют предсказать, как микроорганизмы будут реагировать на изменения окружающей среды или генетические модификации.
Одной из ключевых задач GEM является решение экологических проблем. Большинство химических соединений, используемых в сельском хозяйстве, фармацевтике и топливной промышленности, получают из ископаемого топлива, что существенно ухудшает экологическую ситуацию. В Университете Висконсин-Мэдисон группа ученых разрабатывает альтернативные биотоплива и биопродукты на основе растительных отходов — кукурузных стеблей или водорослей. Для этого исследуются микробы, например Novosphingobium aromaticivorans, которые способны перерабатывать сложные химические соединения растительных отходов в полезные вещества, включая биопластики и фармацевтические компоненты.
Еще одной перспективной областью применения GEM является изучение экстремофильных микробов, способных выживать в суровых условиях, например при высокой кислотности или солености среды. Так, Chromohalobacter canadensis и Alicyclobacillus tolerans обладают уникальными белками, позволяющими им адаптироваться к неблагоприятной среде. Эти свойства делают их потенциальными кандидатами для использования в космосе. С помощью GEM можно моделировать условия других планет и изучать, как микробы могут не только выживать, но и изменять окружающую среду, чтобы сделать ее пригодной для жизни человека.
Кроме того, GEM-технологии находят применение в медицине. Создание моделей метаболизма может помочь в изучении сложных заболеваний, таких как диабет или ожирение. GEM картируют изменения химической среды организма и помогают находить новые подходы к лечению. Синтетическая биология, базирующаяся на этом методе, открывает перспективы создания новых организмов или метаболических путей с нуля. Это может значительно ускорить биопроизводство и снизить его стоимость, позволяя эффективно синтезировать материалы, лекарства или продукты питания.
Таким образом, метаболические модели на уровне генома становятся мощным инструментом для исследований и промышленных приложений. От разработки устойчивых источников энергии до колонизации космоса — GEM способны трансформировать наше понимание и использование микроорганизмов в будущем.
Ранее ученые нашли критическую уязвимость резистентных бактерий.
