Как микробы помогут колонизировать космос и создавать энергию: ученые это выяснили

Мир моделей метаболизма в масштабе генома (GEM) представляет собой захватывающий и многообещающий подход, который значительно расширяет возможности в разных областях науки и технологий.

После многолетних исследований микробов ученые из Висконсинского университета в Мадисоне смогли создать цифровые модели, которые воспроизводят внутреннюю работу микробов. Это открывает широкие перспективы для решения глобальных проблем, таких как изменение климата и колонизация космоса.

Используя методы GEM, ученые научились моделировать сложные биологические процессы на компьютерах. Вместо традиционных, более затратных и времязатратных экспериментов, которые проводятся в лабораториях, GEM позволяет исследовать, как микробы и другие живые организмы взаимодействуют с различными химическими веществами, вырабатывают полезные химикаты, такие как топливо и биопластик, и адаптируются к разнообразным условиям. С помощью этих моделей можно также предсказать, как микробы будут вести себя в других условиях, например, на других планетах.

Что такое модели метаболизма в масштабе генома?

Модели метаболизма в масштабе генома — это цифровые карты всех известных химических реакций, происходящих в клетках организма. Эти реакции жизненно важны для превращения пищи в энергию, построения клеточных структур и удаления вредных веществ. Для создания таких моделей ученые начинают с анализа генома организма, который содержит инструкции для производства белков, называемых ферментами. Эти ферменты необходимы для всех биологических процессов, включая преобразование питательных веществ в энергию и строительные материалы для клеток.

Когда ученые связывают гены, кодирующие эти ферменты, с химическими реакциями, которые они осуществляют, можно создать сложную модель, которая отображает взаимосвязь между генами, химическими реакциями и метаболитами (продуктами метаболических процессов). С использованием этих данных ученые применяют вычислительные симуляции для создания условий, имитирующих работу живых клеток или микробов. Математические алгоритмы позволяют делать прогнозы относительно того, как будут происходить химические реакции в определенных условиях.

Решение энергетических и климатических проблем

Один из ключевых аспектов применения GEM — решение проблем, связанных с энергетикой и климатом. В настоящее время большинство химических веществ, используемых в таких отраслях, как сельское хозяйство, фармацевтика и энергетика, производятся из ископаемых ресурсов. Однако эти ресурсы являются ограниченными, и их использование значительно способствует изменению климата. В ответ на эти вызовы ученые исследуют возможность получения биотоплива и биопродуктов из растительных отходов, что могло бы заменить ископаемые источники энергии.

Одним из примеров такого исследования является модель метаболизма в масштабе генома для бактерии Novosphingobium fragranceivorans, которая может перерабатывать сложные химические вещества в растительных отходах и превращать их в полезные вещества для производства биопластика, топлива и фармацевтических препаратов. Глубокое понимание этого процесса позволяет ученым точнее моделировать условия, которые необходимы для синтеза этих химикатов, что в свою очередь поможет создать более дешевые и доступные материалы, заменяющие ископаемое топливо.

Микробы и колонизация космоса

Не менее важной областью применения моделей GEM является исследование возможности выживания микробов в экстремальных условиях других планет. На Земле уже существуют микроорганизмы, которые могут выживать в чрезвычайно жестких условиях, таких как высокая соленость или кислотность. Примеры таких организмов включают Chromohalobacter canadensis, который живет в соленых водоемах, и Alicyclobacillus tolerans, способный существовать в кислых условиях.

Микробы, которые могут выживать в таких суровых условиях, имеют потенциал не только для выживания, но и для изменения окружающей среды на других планетах, что может способствовать созданию условий для жизни людей в будущем. Используя технологии GEM, ученые могут моделировать условия других планет и изучать, как микробы могут адаптироваться и выживать в этих условиях, не отправляясь при этом в космос.

По мере развития технологии моделей метаболизма в масштабе генома открываются новые возможности для улучшения медицины, энергетики и исследований в космосе. Ученые продолжают разрабатывать новые методы, которые могут ускорить научные открытия, сделать их более доступными и менее затратными. Это позволит решать глобальные проблемы и создавать устойчивые решения для будущего человечества.

Источник: Inverse