Οι “Χημικοί” του Μικρόκοσμου: Εξερευνώντας τους Μονοκύτταρους Μικροοργανισμούς μέσω

Σε έναν πλανήτη με εκτιμώμενο αριθμό ενός τρισεκατομμυρίου ειδών, το 99.999% αυτών είναι μικροοργανισμοί όπως βακτήρια, αρχαία, ιοί και μονοκύτταροι ευκαρυώτες. Για το μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας της Γης, οι μικροοργανισμοί κυριαρχούσαν, επιβιώνοντας και ευημερώντας ακόμη και στα πιο ακραία περιβάλλοντα. Μέχρι πρόσφατα, οι ερευνητές μόλις άρχισαν να αντιμετωπίζουν την τεράστια ποικιλία των μικροοργανισμών, εκτιμώντας ότι λιγότερο από 1% των γνωστών γονιδίων έχουν επαληθευμένες εργαστηριακές λειτουργίες. Οι υπολογιστικές προσεγγίσεις προσφέρουν στους ερευνητές τη δυνατότητα να αναλύσουν στρατηγικά αυτήν την εντυπωσιακή ποσότητα πληροφοριών.

Η διασταύρωση της βιολογίας με την υπολογιστική επιστήμη

Η Yunha Hwang, νέα καθηγήτρια στο MIT, με ειδίκευση στη περιβαλλοντική μικροβιολογία και την επιστήμη των υπολογιστών, ενθουσιάζεται από τη νέα βιολογία που αποκαλύπτουν οι πιο ποικιλόμορφες και παραγωγικές μορφές ζωής στη Γη. Κατέχοντας μια κοινή θέση ως Samuel A. Goldblith Career Development Professor στο Τμήμα Βιολογίας, καθώς και ως βοηθός καθηγήτρια στα Τμήματα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης Υπολογιστών και στο MIT Schwarzman College of Computing, η Hwang εξερευνά τη διασταύρωση μεταξύ υπολογιστικής και βιολογίας.

Ακραία περιβάλλοντα και οι προκλήσεις της μικροβιακής έρευνας

Οι ακραίες συνθήκες είναι ιδανικές για την ανακάλυψη ενδιαφέρουσας βιολογίας. Η Hwang, που ήθελε να γίνει αστροναύτης, βρήκε το πλησιέστερο σε αστροβιολογία στην εξέταση ακραίων περιβαλλόντων στη Γη. Κατά τη διάρκεια μιας αποστολής δειγματοληψίας στα ανοικτά των ακτών του Μεξικού, ανακάλυψε ένα πολύχρωμο μικροβιακό στρώμα περίπου 2 χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια, όπου τα βακτήρια ανέπνεαν θείο αντί για οξυγόνο. Ωστόσο, η καλλιέργεια αυτών των μικροοργανισμών στο εργαστήριο αποδείχθηκε αδύνατη.

Η μεγαλύτερη πρόκληση στη μελέτη των μικροβίων είναι ότι η πλειονότητα αυτών δεν μπορεί να καλλιεργηθεί, κάτι που σημαίνει ότι η μελέτη της βιολογίας τους μπορεί να γίνει μόνο μέσω της μεθόδου της μεταγονιδιωματικής. Η Hwang εργάζεται στη μοντελοποίηση γονιδιωματικής γλώσσας, ελπίζοντας να αναπτύξει ένα υπολογιστικό σύστημα που θα επιτρέπει τη λεπτομερή μελέτη των οργανισμών αποκλειστικά μέσω δεδομένων αλληλουχίας. Το μοντέλο αυτό είναι τεχνικά ένα μεγάλο μοντέλο γλώσσας όπου η γλώσσα είναι το DNA και όχι η ανθρώπινη γλώσσα.

Η συμβολή της υπολογιστικής γονιδιωματικής στη μικροβιολογία

Η ανάλυση ενός γονιδιώματος, που αποτελείται από εκατομμύρια γράμματα, είναι αδύνατη για τον άνθρωπο χωρίς τη βοήθεια υπολογιστών. Με την υποστήριξη της βιοπληροφορικής, μπορούμε να διαχωρίσουμε τα δεδομένα σε χρήσιμα κομμάτια. Ωστόσο, όταν αναλύουμε ένα δείγμα εδάφους που μπορεί να περιέχει χιλιάδες μοναδικά γονιδιώματα, η συνεργασία ανθρώπου και μηχανής είναι απαραίτητη για την κατανόηση αυτών των δεδομένων.

Κατά τη διάρκεια των μεταπτυχιακών σπουδών της, η Hwang ανακάλυψε νέες γενετικές γραμμές που δεν είχαν χαρακτηριστεί ή καλλιεργηθεί προηγουμένως στο εργαστήριο, τα οποία ονομάστηκαν “μικροβιακή σκοτεινή ύλη”. Εδώ, η μηχανική μάθηση αποδεικνύεται εξαιρετικά χρήσιμη για την αναζήτηση μοτίβων και την αντιστοίχισή τους με εξελικτικές σχέσεις μεταξύ κάθε γονιδιώματος, κάθε μικροβίου και κάθε μορφής ζωής.

Η μελλοντική αξιοποίηση των μικροβίων

Οι μικροοργανισμοί θεωρούνται οι καλύτεροι χημικοί του κόσμου. Η εκμετάλλευση του μεταβολισμού και της βιοχημείας τους μπορεί να οδηγήσει σε πιο βιώσιμες και αποδοτικές μεθόδους παραγωγής νέων υλικών, θεραπευτικών και πολυμερών. Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των μικροβίων και της γενετικής τους δομής είναι κρίσιμη, καθώς η πλειονότητα της δέσμευσης άνθρακα και της κυκλοφορίας των θρεπτικών στοιχείων πραγματοποιείται από μικρόβια.

Στην θεραπευτική πλευρά, οι μολυσματικές ασθένειες αποτελούν αυξανόμενη απειλή. Η κατανόηση της συμπεριφοράς των μικροβίων σε ποικίλα περιβάλλοντα είναι ζωτικής σημασίας για την αντιμετώπιση των μικροβιακών παθογόνων στο μέλλον.

Τι σημαίνει για τους χρήστες

Η έρευνα της Hwang παρέχει νέες δυνατότητες και προοπτικές για τη χρήση μικροβίων στη βιομηχανία και την ιατρική. Η κατανόηση της μικροβιακής ποικιλομορφίας μπορεί να οδηγήσει σε καινοτόμες λύσεις για περιβαλλοντικά και υγειονομικά προβλήματα. Οι υπολογιστικές μέθοδοι επιτρέπουν την αξιοποίηση τεράστιων δεδομένων, προσφέροντας νέες προοπτικές για την έρευνα και την ανάπτυξη.