Unser Planet wimmelt nur so vor Leben; von den geschätzten 1 Billion Arten auf der Erde sind erstaunliche 99,999% mikrobielle Lebewesen. Zu dieser Kategorie gehören die zwar weniger glamourösen, aber unglaublich mächtigen Lebensformen: Bakterien, Archaea, Viren und einzellige Eukaryoten. Diese winzigen Organismen bestimmen die Geschichte und Zukunft unseres Planeten und bestehen und gedeihen an Orten der Erde, an denen andere Lebensformen scheitern. Von den pechschwarzen Tiefen der Tiefseequellen bis hin zu sauren heißen Quellen haben sich Mikroben gewandelt und angepasst, um in einigen der extremsten Umgebungen der Erde zu überleben.
Im Vergleich zu ihrer kolossalen Präsenz ist unser Wissen über diese mikroskopisch kleinen Lebewesen jedoch bestenfalls noch in den Kinderschuhen. Was das Verständnis der mikrobiellen Vielfalt angeht, haben wir gerade erst an der Oberfläche gekratzt. Eine überraschende Erkenntnis ist, dass weniger als 1% der bekannten mikrobiellen Gene experimentell untersucht wurden. Unser begrenztes Verständnis dieses biologischen Reichtums stellt für Wissenschaftler sowohl eine Herausforderung als auch eine spannende Chance dar. Und genau hier kommt uns die Informatik zu Hilfe.
Der Spitzenforscher Yunha Hwang bringt einen neuen, multidisziplinären Ansatz zur Erforschung dieses weitgehend unbekannten Gebiets ein. Als Mitglied der MIT-Fakultät mit Fachkenntnissen in Umweltmikrobiologie und Informatik bringt er eine einzigartige Perspektive ein, die dieses Gebiet revolutionieren wird. Bei der Erforschung extremer Umgebungen geht es für Hwang nicht nur darum, neue Organismen zu finden, sondern auch die Geheimnisse des Unbekannten zu entschlüsseln. Er erinnert sich an seinen Kindheitstraum, Astronaut zu werden, und betrachtet seine derzeitige Erforschung der extremen Umgebungen der Erde als sein persönliches astrobiologisches Abenteuer.
Bei seiner Suche stieß Hwang auf eine florierende mikrobielle Matte fast 2 Kilometer unter Wasser vor der mexikanischen Küste. Unter sauerstoffarmen Bedingungen fanden diese Mikroben einen alternativen Atmungsmechanismus, indem sie stattdessen Schwefel nutzten. Dennoch erwies es sich als schwierig, sie ins Labor zu bringen, da sich viele von ihnen hartnäckig weigerten, zu wachsen - ein häufiges Problem für Mikrobiologen.
Forscher haben dieses Problem mit Hilfe der Metagenomik gelöst - der Entschlüsselung von genetischem Material, das direkt aus Umweltproben gewonnen wurde. Doch Hwang geht noch weiter. Er experimentiert mit der genomischen Sprachmodellierung, einer neuartigen Computertechnik, die von der natürlichen Sprachverarbeitung inspiriert ist.
“Genauso wie Computermodelle dabei helfen, menschliche Sprachen wie Englisch oder Französisch zu verstehen, helfen genomische Sprachmodelle dabei, die komplexe Sprache der Biologie zu verstehen”, erklärt Hwang. Dieser Ansatz ermöglicht es Forschern, mikrobielle Genome in silico (mithilfe von Computersimulationen) zu untersuchen, um Muster zu erkennen und biologische Funktionen abzuleiten. Angesichts der schieren Datenmenge – Millionen genetischer ‘Buchstaben’ in jedem Genom und Tausende von Genomen in einem Gramm Erde – ist eine rein manuelle Analyse kaum zu bewältigen. Hier kommt das maschinelle Lernen ins Spiel.
Im Rahmen ihrer Forschungsarbeit im Masterstudium stieß Hwang auf das, was in der Wissenschaft als “mikrobielle Dunkle Materie” bezeichnet wird – unbekannte Genome und Arten, die sich offenbar einer herkömmlichen Klassifizierung entziehen. Maschinelles Lernen hilft dabei, Muster in diesem unerforschten Gebiet zu erkennen, mit dem Ziel, diese Erkenntnisse letztlich mit evolutionären Verwandtschaftsverhältnissen und biologischen Funktionen in Verbindung zu bringen.
Hwang räumt ein, dass Mikroben “möglicherweise die besten Chemiker der Welt” sind und über ein Stoffwechselpotenzial verfügen, das die Materialherstellung, die Entwicklung von Therapien, die Entwicklung neuer Polymere und vieles mehr revolutionieren könnte. Doch ihre Bedeutung geht über praktische Anwendungen hinaus. Diese unsichtbaren Lebewesen spielen eine zentrale Rolle in den globalen Nährstoffkreisläufen und helfen bei der Kohlenstoffbindung und Stickstofffixierung. Da die Welt mit dem Klimawandel zu kämpfen hat, ist das Verständnis der mikrobiellen Funktionsweise für eine präzise Umweltmodellierung und ein nachhaltiges Ökosystemmanagement unerlässlich.
Nicht zu übersehen ist die enorme Bedeutung der mikrobiologischen Forschung im Kampf gegen Infektionskrankheiten. “Das Verständnis des Verhaltens von Mikroorganismen in unterschiedlichen Umgebungen, insbesondere im Zusammenhang mit dem menschlichen Mikrobiom, ist der Schlüssel zur Bewältigung künftiger gesundheitlicher Herausforderungen”, warnt Hwang. Durch die Verbindung von Rechenleistung und biologischem Fachwissen “erschließen” Forscher wie Yunha Hwang das enorme Potenzial der mikroskopischen Welt. Die Reise hat gerade erst begonnen und läutet eine neue Ära voller unerschlossener Möglichkeiten und noch zu entschlüsselnder Geheimnisse ein.
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