Años después de aprender cómo funcionan los microbios, los investigadores ahora están recreando digitalmente su funcionamiento interno para abordar desafíos que van desde el cambio climático hasta la colonización espacial.
En mi trabajo como biólogo computacional, investigo 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 han tenido que realizar numerosos experimentos de prueba y error en placas de Petri para determinar las condiciones óptimas bajo las cuales los microbios producen grandes cantidades de sustancias químicas.
En cambio, puedo simular estos experimentos detrás de una pantalla de computadora a través de planos digitales que replican el interior de los microbios. Estos laboratorios virtuales, llamados modelos metabólicos a escala genómica (GEM, por sus siglas en inglés), reducen significativamente el tiempo y el costo que los investigadores necesitan para descubrir qué hacer para obtener lo que buscan. Con los GEM, los investigadores no sólo pueden explorar la compleja red de vías metabólicas que permiten que los organismos vivos funcionen, sino también modificar, probar y predecir cómo se comportan los microbios en diferentes entornos, incluidos 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?
Los modelos metabólicos a escala genómica son mapas digitales de todas las reacciones químicas conocidas que ocurren en las células, es decir, el metabolismo celular. 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 llamada 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 ocurran, puedo construir un modelo integral que mapee las conexiones entre genes, reacciones y metabolitos.
Fuente/Wikimedia Commons
Una vez que construyo el GEM, utilizo algunas simulaciones computacionales avanzadas para que funcione como una célula viva o un microbio. Uno de los algoritmos más comunes utilizados por 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 se comportarán diversas 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 en particular. Puedo usar esto para predecir cómo se adaptará a la presencia de diferentes sustancias químicas en su entorno o a la falta de alimentos.
Abordar los desafíos energéticos y climáticos
La mayoría de los productos químicos utilizados en la agricultura, los productos farmacéuticos y los combustibles se derivan de combustibles fósiles. Sin embargo, los combustibles fósiles son un recurso finito y contribuyen significativamente al cambio climático.
En lugar de extraer energía de combustibles fósiles, mi equipo del 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 plantas no comestibles como tallos de maíz, pastos y algas después de que se hayan cosechado las mazorcas. 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. Novosphingobium aromativoranosEspecies de bacterias que convierten sustancias químicas complejas de desechos vegetales en sustancias químicas de valor para las personas, como las 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 estas sustancias químicas en grandes cantidades.
Los investigadores pueden replicar estas condiciones en la vida real para producir materiales que sean más baratos y accesibles que los fabricados a partir de combustibles fósiles.
Microbios extremos y colonización espacial.
Hay microorganismos que pueden sobrevivir en los ambientes más duros de la Tierra. Por ejemplo, Cromohalobacter canadensis Puede sobrevivir en condiciones muy saladas. También, Tolerantes a Alicyclobacillus Puede crecer en ambientes muy ácidos.
Dado que otros planetas suelen tener climas duros similares, estos microbios no pueden prosperar ni reproducirse en ellos, pero potencialmente pueden cambiar el medio ambiente para que los humanos también puedan vivir allí.
Combinando GEM con aprendizaje automático, lo vi canadensis Y A. Tolerancias Puede sufrir cambios químicos que le 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 químicas de su entorno externo.
Con los GEM, los científicos pueden simular los entornos de otros planetas y estudiar cómo sobreviven los microbios sin tener que viajar a esos planetas.
El futuro de los GEM
Cada día, los investigadores generan grandes cantidades de datos sobre el metabolismo microbiano. A medida que avanza la tecnología GEM, se abre la puerta a nuevas e interesantes posibilidades en la medicina, la energía, el espacio y otros campos.
Los biólogos sintéticos pueden utilizar GEM para diseñar organismos o vías metabólicas completamente nuevas desde cero. Este campo puede hacer avanzar la biofabricación al permitir la creación de organismos que puedan producir eficientemente nuevos materiales, medicamentos o alimentos.
Los GEM de todo el cuerpo humano sirven como atlas del metabolismo de enfermedades complejas. Pueden ayudar a mapear cómo la obesidad o la diabetes alteran el entorno químico del cuerpo.
Ya sea para producir biocombustibles o diseñar nuevos organismos, los GEM proporcionan una poderosa herramienta 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 los procesos metabólicos de los organismos vivos.
