Después de tantos años aprendiendo 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 .
por Blaise Manga Enuh
En mi trabajo como biólogo computacional , investigo formas de lograr que los microbios produzcan sustancias químicas más útiles, como combustibles y bioplásticos, que se puedan utilizar en las industrias energética, agrícola o farmacéutica. Tradicionalmente, los investigadores tienen que realizar varios experimentos de ensayo y error en placas de Petri para determinar las condiciones óptimas que necesitan los microbios para producir grandes cantidades de sustancias químicas.
En cambio, puedo simular todos estos experimentos desde 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 del genoma o GEM , reducen significativamente el tiempo y el costo necesarios para determinar lo que los investigadores deben hacer para obtener lo que buscan. Con los GEM, los investigadores no solo pueden explorar la compleja red de vías metabólicas que permiten que los organismos vivos funcionen, sino también ajustar, probar y predecir cómo se comportarían los microbios en diferentes entornos, incluso en 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 del genoma?
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 por analizar 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 enzima , es la fuerza motriz del metabolismo: facilita 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 traza las conexiones entre genes, reacciones y metabolitos.
Una vez que construyo un GEM, utilizo algunas simulaciones computacionales avanzadas para que funcione como lo haría una célula viva o un microbio. Uno de los algoritmos más comunes que utilizan los investigadores para hacer estas simulaciones se denomina análisis de equilibrio de flujo . Este algoritmo matemático analiza los datos disponibles sobre el metabolismo y luego realiza predicciones sobre cómo actuarían las diferentes reacciones químicas y los 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 usar este método para predecir cómo reaccionará un organismo cuando se elimine un gen específico. También podría usarlo para predecir cómo podría adaptarse a la presencia de diferentes sustancias químicas en su entorno o a la falta de alimentos.
Resolver los desafíos energéticos y climáticos
La mayoría de los productos químicos utilizados en la agricultura, los productos farmacéuticos y los combustibles se obtienen a partir de combustibles fósiles . Sin embargo, estos últimos son un recurso limitado y contribuyen significativamente al cambio climático .
En lugar de extraer energía de combustibles fósiles, mi equipo en el 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 desechos vegetales, como tallos de maíz después de la cosecha de las mazorcas, plantas no comestibles como la hierba y algas. Estudiamos qué desechos de cultivos se pueden utilizar para la 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 para Novosphingobium aromaticivorans , una especie de bacteria que puede convertir sustancias químicas muy complejas presentes en los desechos de las plantas en sustancias químicas valiosas 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 mayores cantidades de estas sustancias químicas.
Los investigadores podrán luego replicar estas condiciones en la vida real para generar materiales más baratos y accesibles que los fabricados con combustibles fósiles.
Microbios extremos y colonización espacial
Existen microbios en la Tierra que pueden sobrevivir en ambientes extremadamente hostiles. Por ejemplo, Chromohalobacter canadensis puede vivir en condiciones extremadamente salinas. De manera similar, Alicyclobacillus tolerans puede prosperar en ambientes muy ácidos.
Dado que otros planetas suelen tener climas igualmente duros, estos microbios no solo podrían prosperar y reproducirse en ellos, sino que también podrían cambiar el medio ambiente para que los humanos puedan vivir allí.
Combinando GEM con aprendizaje automático , vi que C. canadensis y A. tolerans pueden sufrir cambios químicos que las ayudan a sobrevivir en condiciones extremas. Tienen proteínas especiales en sus paredes celulares que trabajan con enzimas para equilibrar los químicos en su entorno interno con los químicos en su entorno externo.
Con GEM, los científicos pueden simular los entornos de otros planetas para estudiar cómo sobreviven los microbios sin necesidad de ir necesariamente a esos planetas.
El futuro de los GEM
Cada día, los investigadores generan grandes cantidades de datos sobre el metabolismo microbiano. A medida que la tecnología GEM avanza, abre la puerta a nuevas y apasionantes posibilidades en la medicina, la energía, el espacio y otras áreas.
Los biólogos sintéticos pueden utilizar GEM para diseñar organismos o vías metabólicas completamente nuevos desde cero. Este campo podría hacer avanzar la biofabricación al permitir la creación de organismos que produzcan nuevos materiales, fármacos o incluso alimentos de manera eficiente.
Los GEM de todo el cuerpo humano también pueden servir como atlas de los metabolismos de enfermedades complejas . Pueden ayudar a trazar un mapa de cómo cambia el entorno químico del cuerpo con la obesidad o la diabetes.
Ya sea para producir biocombustibles o para diseñar nuevos organismos, los GEM son una herramienta poderosa tanto para la investigación básica como para las aplicaciones industriales. A medida que avancen la biología computacional y los GEM, estas tecnologías seguirán transformando la forma en que los científicos comprenden y manipulan los metabolismos de los organismos vivos.
Este artículo se publica nuevamente en The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.
