Our planet is teeming with life; out of an estimated 1 trillion species on Earth, an astounding 99.999% are microbial entities. Packed into this category are the less glamorous, but incredibly powerful life forms: bacteria, archaea, viruses, and single-celled eukaryotes. These tiny organisms hold sway over our planet’s history and future, persisting and thriving in corners of Earth where other life forms falter. From the jet-black depths of deep-sea vents to acidic hot springs, microbes have transformed and adapted to survive in some of Earth’s most extreme environments.
However, in comparison to their colossal presence, our knowledge about these microscopic entities remains, at best, embryonic. When it comes to understanding microbial diversity, we’ve only started scratching the surface. In a surprising reality check, less than 1% of known microbial genes have been experimentally examined. Our limited grasp of this biological wealth is both challenging, and an exciting opportunity for scientists. And this is when computation comes to our aid.
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.
“Just as computational models help understand human languages like English or French, genomic language models help understand the intricate language of biology,” explains Hwang. This approach lets researchers scrutinize microbial genomes in silico (through computer simulations) to discern patterns and extrapolate biological functions. Given the sheer volume of data – millions of genetic ‘letters’ in each genome and thousands of genomes in a gram of soil – human analysis alone is barely a match. Here’s where machine learning offers its brilliance.
As part of her graduate explorations, Hwang stumbled upon what the science world refers to as “microbial dark matter” – unfamiliar genomes and species that seem to defy traditional classification. Machine learning aids in identifying patterns in this unexplored territory, ultimately aiming to map these findings to evolutionary relationships and biological functionalities.
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.
Not to be overlooked is the microbial research’s substantial importance in fighting against infectious diseases. “Understanding microbial behavior in diverse environments, particularly in relation to the human microbiome, is key to combating future health challenges,” warns Hwang. By fusing computational power with biological acumen, researchers like Yunha Hwang are “unlocking” the colossal promises of the microscopic world. The journey has just begun, and it is ushering in a new era of untapped potential and secrets yet to be unraveled.
This website uses cookies.