بعد سنوات عديدة من تعلم كيفية عمل الميكروبات، يقوم الباحثون الآن بإعادة إنشاء أعمالهم الداخلية رقميًا لمواجهة التحديات التي تتراوح من تغير المناخ إلى استعمار الفضاء.
في عملي كعالم أحياء حسابي، أبحث عن طرق لجعل الميكروبات تنتج مواد كيميائية أكثر فائدة، مثل الوقود والمواد البلاستيكية الحيوية، التي يمكن استخدامها في صناعات الطاقة أو الزراعة أو الأدوية. تقليديًا، يتعين على الباحثين إجراء العديد من تجارب التجربة والخطأ على أطباق بتري من أجل تحديد الظروف المثالية التي تحتاجها الميكروبات لإنتاج كميات كبيرة من المواد الكيميائية.
وبدلا من ذلك، أنا قادر على محاكاة هذه التجارب كلها من خلف شاشة الكمبيوتر من خلال المخططات الرقمية التي تحاكي داخل الميكروبات. تُسمى هذه المختبرات الافتراضية بالنماذج الأيضية على نطاق الجينوم، أو GEMs، وهي تقلل بشكل كبير من الوقت والتكلفة اللازمين لمعرفة ما يتعين على الباحثين القيام به للحصول على ما يبحثون عنه. باستخدام GEMs، لا يستطيع الباحثون فقط استكشاف الشبكة المعقدة من المسارات الأيضية التي تسمح للكائنات الحية بالعمل، ولكن أيضًا تعديل واختبار والتنبؤ بكيفية تصرف الميكروبات في بيئات مختلفة، بما في ذلك على الكواكب الأخرى.
ومع استمرار تطور تكنولوجيا GEM، أعتقد أن هذه النماذج ستلعب دورًا متزايد الأهمية في تشكيل مستقبل التكنولوجيا الحيوية والطب واستكشاف الفضاء.
ما هي النماذج الأيضية على نطاق الجينوم؟
نماذج التمثيل الغذائي على نطاق الجينوم هي خرائط رقمية لجميع التفاعلات الكيميائية المعروفة التي تحدث في الخلايا – أي عملية التمثيل الغذائي للخلية. تعتبر هذه التفاعلات ضرورية لتحويل الطعام إلى طاقة، وبناء الهياكل الخلوية وإزالة السموم من المواد الضارة.
لإنشاء نموذج GEM، أبدأ بتحليل جينوم الكائن الحي، والذي يحتوي على التعليمات الجينية التي تستخدمها الخلايا لإنتاج البروتينات. هناك نوع من البروتين المشفر في الجينوم يسمى الإنزيمات، وهو العمود الفقري لعملية التمثيل الغذائي، فهي تسهل تحويل العناصر الغذائية إلى طاقة ولبنات بناء للخلايا.
ومن خلال ربط الجينات التي تشفر الإنزيمات بالتفاعلات الكيميائية التي تساعد على حدوثها، يمكنني بناء نموذج شامل يرسم الروابط بين الجينات والتفاعلات والمستقلبات.
بمجرد أن أقوم ببناء نموذج GEM، أستخدم بعض عمليات المحاكاة الحسابية المتقدمة لجعله يعمل مثل الخلية الحية أو الميكروب. إحدى الخوارزميات الأكثر شيوعًا التي يستخدمها الباحثون لإجراء هذه المحاكاة تسمى تحليل توازن التدفق. تقوم هذه الخوارزمية الرياضية بتحليل البيانات المتاحة حول عملية التمثيل الغذائي، ثم تقوم بالتنبؤات حول كيفية عمل التفاعلات الكيميائية والأيضات المختلفة في ظل ظروف معينة.
وهذا يجعل نماذج GEM مفيدة بشكل خاص لفهم كيفية استجابة الكائنات الحية للتغيرات الجينية والضغوط البيئية. على سبيل المثال، يمكنني استخدام هذه الطريقة للتنبؤ بكيفية تفاعل الكائن الحي عند حذف جين معين. يمكنني أيضًا استخدامه للتنبؤ بكيفية تكيفه مع وجود مواد كيميائية مختلفة في بيئته أو نقص الغذاء.
حل تحديات الطاقة والمناخ
يتم الحصول على معظم المواد الكيميائية المستخدمة في الزراعة والأدوية والوقود من الوقود الأحفوري. ومع ذلك، يعتبر الوقود الأحفوري موردًا محدودًا ويساهم بشكل كبير في تغير المناخ.
وبدلاً من استخراج الطاقة من الوقود الأحفوري، يركز فريقي في مركز أبحاث الطاقة الحيوية في منطقة البحيرات العظمى التابع لجامعة ويسكونسن ماديسون على تطوير الوقود الحيوي المستدام والمنتجات الحيوية من النفايات النباتية. وهذا يشمل ساق الذرة بعد حصاد السنابل والنباتات غير الصالحة للأكل مثل العشب والطحالب. نحن ندرس مخلفات المحاصيل التي يمكن استخدامها للطاقة الحيوية، وكيفية استخدام الميكروبات لتحويلها إلى طاقة، وطرق الإدارة المستدامة للأراضي التي تزرع عليها تلك المحاصيل.
أقوم ببناء نموذج استقلابي على نطاق الجينوم لـ نوفوسفينجوبيوم أروماتيفورانسوهي نوع من البكتيريا يمكنها تحويل المواد الكيميائية المعقدة للغاية الموجودة في النفايات النباتية إلى مواد كيميائية ذات قيمة للإنسان، مثل تلك المستخدمة في صناعة البلاستيك الحيوي والأدوية والوقود. ومن خلال فهم أوضح لعملية التحويل هذه، يمكنني تحسين النموذج لمحاكاة الظروف اللازمة لتصنيع كميات أكبر من هذه المواد الكيميائية بشكل أكثر دقة.
ويمكن للباحثين بعد ذلك تكرار هذه الظروف في الحياة الواقعية لإنتاج مواد أرخص وأكثر سهولة من تلك المصنوعة من الوقود الأحفوري.
الميكروبات المتطرفة واستعمار الفضاء
هناك ميكروبات على الأرض يمكنها البقاء على قيد الحياة في بيئات قاسية للغاية. على سبيل المثال، كروموهالوباكتر كانادنسيس يمكن أن يعيش في ظروف شديدة الملوحة. بصورة مماثلة، بكتيريا Alicyclobacillus المتسامحة يمكن أن تزدهر في البيئات الحمضية للغاية.
ونظرًا لأن الكواكب الأخرى عادةً ما تكون لديها مناخات قاسية مماثلة، فقد لا تكون هذه الميكروبات قادرة على الازدهار والتكاثر على هذه الكواكب فحسب، بل يمكنها أيضًا تغيير البيئة حتى يتمكن البشر من العيش هناك أيضًا.
لقد رأيت ذلك من خلال الجمع بين GEMs والتعلم الآلي ج. الكندي و أ. التسامح يمكن أن تخضع لتغيرات كيميائية تساعدها على البقاء في الظروف القاسية. لديهم بروتينات خاصة في جدران خلاياهم تعمل مع الإنزيمات لموازنة المواد الكيميائية الموجودة في بيئتهم الداخلية مع المواد الكيميائية الموجودة في بيئتهم الخارجية.
باستخدام GEMs، يمكن للعلماء محاكاة بيئات الكواكب الأخرى لدراسة كيفية بقاء الميكروبات على قيد الحياة دون الحاجة بالضرورة للذهاب إلى تلك الكواكب نفسها.
مستقبل الأحجار الكريمة
كل يوم، يقوم الباحثون بتوليد كميات كبيرة من البيانات حول التمثيل الغذائي الميكروبي. مع تقدم تكنولوجيا GEM، فإنها تفتح الباب أمام إمكانيات جديدة ومثيرة في الطب والطاقة والفضاء وغيرها من المجالات.
يمكن لعلماء الأحياء الاصطناعية استخدام GEMs لتصميم كائنات حية جديدة تمامًا أو مسارات أيضية من الصفر. يمكن لهذا المجال أن يعزز التصنيع الحيوي من خلال تمكين إنشاء كائنات حية تنتج بكفاءة مواد جديدة أو أدوية أو حتى أغذية.
يمكن أيضًا أن تكون نماذج GEM لجسم الإنسان بأكمله بمثابة أطلس لعمليات التمثيل الغذائي للأمراض المعقدة. يمكنهم المساعدة في رسم خريطة لكيفية تغير البيئة الكيميائية للجسم مع السمنة أو مرض السكري.
سواء أكان الأمر يتعلق بإنتاج الوقود الحيوي أو هندسة كائنات حية جديدة، فإن نماذج GEM توفر أداة قوية لكل من الأبحاث الأساسية والتطبيقات الصناعية. ومع تقدم البيولوجيا الحاسوبية والنماذج GEM، ستستمر هذه التقنيات في تغيير كيفية فهم العلماء لعمليات التمثيل الغذائي للكائنات الحية ومعالجتها.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: بليز مانجا إنوه، جامعة ويسكونسن ماديسون
اقرأ المزيد:
لا يعمل Blaise Manga Enuh لدى أي شركة أو مؤسسة أو يستشيرها أو يمتلك أسهمًا فيها أو يتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينه الأكاديمي.