Przez Łamanie kodu drobnoustrojów: Jak obliczenia odkrywają sekrety najbardziej płodnych form życia na Ziemi
Nasza planeta tętni życiem; z szacowanych 1 biliona gatunków na Ziemi, zdumiewające 99,999% to byty mikrobiologiczne. W tej kategorii znajdują się mniej efektowne, ale niezwykle potężne formy życia: bakterie, archeony, wirusy i jednokomórkowe eukarionty. Te maleńkie organizmy mają wpływ na historię i przyszłość naszej planety, utrzymując się i prosperując w zakątkach Ziemi, w których inne formy życia słabną. Od czarnych głębin kominów głębinowych po kwaśne gorące źródła, mikroby przekształciły się i przystosowały do przetrwania w niektórych z najbardziej ekstremalnych środowisk na Ziemi.
Jednak w porównaniu z ich kolosalną obecnością, nasza wiedza na temat tych mikroskopijnych bytów pozostaje w najlepszym razie embrionalna. Jeśli chodzi o zrozumienie różnorodności drobnoustrojów, zaczęliśmy dopiero zarysowywać powierzchnię. Zaskakujące jest to, że mniej niż 1% znanych genów drobnoustrojów zostało zbadanych eksperymentalnie. Nasze ograniczone zrozumienie tego biologicznego bogactwa jest zarówno wyzwaniem, jak i ekscytującą szansą dla naukowców. I właśnie wtedy z pomocą przychodzą nam obliczenia.
Zagłębianie się w świat drobnoustrojów
Najnowocześniejszy badacz, Yunha Hwang, wnosi świeże, multidyscyplinarne podejście do badania tego w dużej mierze nieznanego terenu. Jako członek wydziału MIT z doświadczeniem w mikrobiologii środowiskowej i informatyce, wnosi unikalną perspektywę, która ma zrewolucjonizować tę dziedzinę. Odkrywanie ekstremalnych środowisk dla Hwanga to nie tylko znajdowanie nowych organizmów, ale także odkrywanie tajemnic nieznanego. Wspomina swoje marzenie z dzieciństwa o zostaniu astronautą i uważa swoje obecne badania nad ekstremalnymi środowiskami Ziemi za osobistą przygodę z astrobiologią.
W swoim pościgu Hwang natknął się na dobrze prosperującą matę mikrobiologiczną prawie 2 kilometry pod wodą u wybrzeży Meksyku. W warunkach pozbawionych tlenu mikroby te znalazły alternatywny mechanizm oddechowy, wykorzystując zamiast tego siarkę. A jednak przeniesienie ich do laboratorium okazało się trudne, ponieważ wiele z nich uparcie odmawiało wzrostu; częsta zagadka, z którą borykają się mikrobiolodzy.
Naukowcy zajmowali się tym problemem poprzez metagenomikę - rozszyfrowywanie materiału genetycznego pobranego bezpośrednio z próbek środowiskowych. Hwang przesuwa jednak granice jeszcze dalej. Eksperymentuje z genomicznym modelowaniem języka, nową techniką obliczeniową inspirowaną przetwarzaniem języka naturalnego.
Walka z mikrobiologiczną winoroślą
“Tak jak modele obliczeniowe pomagają zrozumieć ludzkie języki, takie jak angielski czy francuski, tak genomowe modele językowe pomagają zrozumieć skomplikowany język biologii” - wyjaśnia Hwang. Podejście to pozwala badaczom analizować genomy drobnoustrojów in silico (poprzez symulacje komputerowe) w celu dostrzeżenia wzorców i ekstrapolacji funkcji biologicznych. Biorąc pod uwagę ogromną ilość danych - miliony ‘liter’ genetycznych w każdym genomie i tysiące genomów w gramie gleby - sama analiza ludzka jest ledwo odpowiednia. To właśnie tutaj uczenie maszynowe oferuje swój błyskotliwy potencjał.
W ramach studiów Hwang natknęła się na to, co świat nauki nazywa “mikrobiologiczną ciemną materią” - nieznane genomy i gatunki, które wydają się wymykać tradycyjnej klasyfikacji. Uczenie maszynowe pomaga w identyfikacji wzorców na tym niezbadanym terytorium, ostatecznie dążąc do mapowania tych odkryć na relacje ewolucyjne i funkcje biologiczne.
Obietnica świata drobnoustrojów
Hwang przyznaje, że mikroby są “prawdopodobnie najlepszymi chemikami na świecie” z potencjałem metabolicznym, który może zrewolucjonizować produkcję materiałów, rozwój terapii, nowe projekty polimerów i wiele innych. Ale ich znaczenie wykracza poza praktyczne zastosowania. Te niewidoczne stworzenia odgrywają kluczową rolę w globalnych cyklach składników odżywczych, pomagając w sekwestracji węgla i wiązaniu azotu. Ponieważ świat zmaga się ze zmianami klimatycznymi, zrozumienie funkcjonalności drobnoustrojów jest niezbędne do precyzyjnego modelowania środowiska i zrównoważonego zarządzania ekosystemem.
Nie należy zapominać o istotnym znaczeniu badań mikrobiologicznych w walce z chorobami zakaźnymi. “Zrozumienie zachowania drobnoustrojów w różnych środowiskach, szczególnie w odniesieniu do ludzkiego mikrobiomu, jest kluczem do zwalczania przyszłych wyzwań zdrowotnych” - ostrzega Hwang. Łącząc moc obliczeniową z biologiczną przenikliwością, naukowcy tacy jak Yunha Hwang “odblokowują” kolosalne obietnice mikroskopijnego świata. Ta podróż dopiero się rozpoczęła i zapoczątkowuje nową erę niewykorzystanego potencjału i tajemnic, które jeszcze nie zostały odkryte.
