Dopo tanti anni di studio sul funzionamento dei microbi, i ricercatori stanno ora ricreando digitalmente il loro funzionamento interno per affrontare sfide che vanno dal cambiamento climatico alla colonizzazione dello spazio. Nel mio lavoro come biologo computazionale, ricerco modi per far produrre ai microbi sostanze chimiche più utili, come combustibili e bioplastiche, che possono essere utilizzate nei settori dell’energia, dell’agricoltura o della farmaceutica. Tradizionalmente, i ricercatori devono condurre diversi esperimenti di prova ed errore su piastre di Petri per determinare le condizioni ottimali di cui i microbi hanno bisogno per produrre elevate quantità di sostanze chimiche. Invece, sono in grado di simulare questi esperimenti direttamente dallo schermo di un computer attraverso progetti digitali che replicano l’interno dei microbi. Chiamati modelli metabolici su scala genomica, o GEM, questi laboratori virtuali riducono significativamente il tempo e i costi necessari per capire cosa devono fare i ricercatori per ottenere ciò che cercano. Con i GEM, i ricercatori possono non solo esplorare la complessa rete di vie metaboliche che permettono agli organismi viventi di funzionare, ma anche modificare, testare e prevedere come i microbi si comporterebbero in diversi ambienti, inclusi altri pianeti. Man mano che la tecnologia GEM continua a evolversi, credo che questi modelli giocheranno un ruolo sempre più importante nel plasmare il futuro della biotecnologia, della medicina e dell’esplorazione spaziale.
Cosa sono i modelli metabolici su scala genomica? I modelli metabolici su scala genomica sono mappe digitali di tutte le reazioni chimiche conosciute che avvengono nelle cellule, ovvero il metabolismo della cellula. Queste reazioni sono cruciali per convertire il cibo in energia, costruire strutture cellulari e detossificare sostanze nocive. Per creare un GEM, inizio analizzando il genoma di un organismo, che contiene le istruzioni genetiche che le cellule usano per produrre proteine. Un tipo di proteina codificata nel genoma, chiamata enzimi, è il motore del metabolismo: facilitano la conversione dei nutrienti in energia e blocchi costitutivi per le cellule. Collegando i geni che codificano gli enzimi alle reazioni chimiche che aiutano a realizzare, posso costruire un modello completo che mappa le connessioni tra geni, reazioni e metaboliti.
Una volta costruito un GEM, utilizzo alcune simulazioni computazionali avanzate per farlo funzionare come farebbe una cellula o un microbo vivo. Uno degli algoritmi più comuni che i ricercatori usano per fare queste simulazioni si chiama analisi dell’equilibrio dei flussi. Questo algoritmo matematico analizza i dati disponibili sul metabolismo e poi fa previsioni su come diverse reazioni chimiche e metaboliti agirebbero in condizioni specifiche. Questo rende i GEM particolarmente utili per capire come gli organismi rispondono ai cambiamenti genetici e agli stress ambientali. Ad esempio, posso usare questo metodo per prevedere come un organismo reagirà quando un gene specifico viene eliminato. Potrei anche usarlo per prevedere come potrebbe adattarsi alla presenza di diverse sostanze chimiche nel suo ambiente o alla mancanza di cibo.
Risolvere le sfide energetiche e climatiche La maggior parte delle sostanze chimiche utilizzate in agricoltura, farmaceutica e combustibili sono ottenute dai combustibili fossili. Tuttavia, i combustibili fossili sono una risorsa limitata e contribuiscono significativamente al cambiamento climatico. Invece di estrarre energia dai combustibili fossili, il mio team del Great Lakes Bioenergy Research Center dell’Università del Wisconsin-Madison si concentra sullo sviluppo di biocarburanti e bioprodotti sostenibili dai rifiuti vegetali. Questo include steli di mais dopo la raccolta delle spighe e piante non commestibili come erba e alghe. Studiamo quali rifiuti agricoli possono essere utilizzati per la bioenergia, come usare i microbi per convertirli in energia e modi per gestire in modo sostenibile il terreno su cui vengono coltivate queste colture. Sto costruendo un modello metabolico su scala genomica per Novosphingobium aromaticivorans, una specie di batterio che può convertire sostanze chimiche molto complesse nei rifiuti vegetali in sostanze chimiche preziose per le persone, come quelle utilizzate per fare bioplastiche, farmaci e combustibili. Con una comprensione più chiara di questo processo di conversione, posso migliorare il modello per simulare più accuratamente le condizioni necessarie per sintetizzare maggiori quantità di queste sostanze chimiche. I ricercatori possono quindi replicare queste condizioni nella vita reale per generare materiali che sono più economici e più accessibili di quelli fatti dai combustibili fossili.
I microbi estremi e la colonizzazione dello spazio Ci sono microbi sulla Terra che possono sopravvivere in ambienti estremamente ostili. Ad esempio, Chromohalobacter canadensis può vivere in condizioni estremamente salate. Allo stesso modo, Alicyclobacillus tolerans può prosperare in ambienti molto acidi. Poiché altri pianeti hanno tipicamente climi altrettanto ostili, questi microbi potrebbero non solo essere in grado di prosperare e riprodursi su questi pianeti, ma potrebbero anche potenzialmente cambiare l’ambiente in modo che gli esseri umani possano viverci. Combinando i GEM con l’apprendimento automatico, ho visto che C. canadensis e A. tolerans possono subire cambiamenti chimici che li aiutano a sopravvivere in condizioni estreme. Hanno proteine speciali nelle loro pareti cellulari che lavorano con gli enzimi per bilanciare le sostanze chimiche nel loro ambiente interno con le sostanze chimiche nel loro ambiente esterno. Con i GEM, gli scienziati possono simulare gli ambienti di altri pianeti per studiare come i microbi sopravvivono senza necessariamente dover andare su quei pianeti stessi.
Il futuro dei GEM Ogni giorno, i ricercatori generano grandi quantità di dati sul metabolismo microbico. Man mano che la tecnologia GEM avanza, si aprono le porte a nuove possibilità entusiasmanti in medicina, energia, spazio e altri settori. I biologi sintetici possono usare i GEM per progettare da zero nuovi organismi o vie metaboliche. Questo campo potrebbe far progredire la bioproduzione consentendo la creazione di organismi che producono in modo efficiente nuovi materiali, farmaci o addirittura cibo. I GEM dell’intero corpo umano possono anche servire come un atlante per il metabolismo delle malattie complesse. Possono aiutare a mappare come l’ambiente chimico del corpo cambia con l’obesità o il diabete. Che si tratti di produrre biocarburanti o di ingegnerizzare nuovi organismi, i GEM forniscono uno strumento potente per la ricerca di base e le applicazioni industriali. Man mano che la biologia computazionale e i GEM avanzano, queste tecnologie continueranno a trasformare il modo in cui gli scienziati comprendono e manipolano i metabolismi degli organismi viventi.