Nasza planeta tętni życiem; spośród około 1 biliona gatunków na Ziemi aż 99,999% stanowią organizmy mikrobiologiczne. Do tej kategorii zaliczają się mniej efektowne, ale niezwykle potężne formy życia: bakterie, archeony, wirusy i jednokomórkowe eukarionty. Te maleńkie organizmy mają decydujący wpływ na historię i przyszłość naszej planety, przetrwały i rozwijają się w zakątkach Ziemi, gdzie inne formy życia nie są w stanie przetrwać. Od kruczoczarnych głębin kominów hydrotermalnych po kwaśne gorące źródła – mikroorganizmy przekształciły się i przystosowały, by przetrwać w niektórych z najbardziej ekstremalnych środowisk na Ziemi.
Jednak w porównaniu z ich kolosalną liczebnością nasza wiedza na temat tych mikroskopijnych organizmów pozostaje, w najlepszym razie, w powijakach. Jeśli chodzi o zrozumienie różnorodności mikroorganizmów, dopiero zaczęliśmy drapać powierzchnię. Zaskakującym faktem jest to, że eksperymentalnie zbadano mniej niż 1% znanych genów mikroorganizmów. Nasze ograniczone zrozumienie tego biologicznego bogactwa stanowi zarówno wyzwanie, jak i ekscytującą szansę dla naukowców. I właśnie w tym momencie z pomocą przychodzą nam obliczenia.
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.
“Tak jak modele obliczeniowe pomagają zrozumieć języki ludzkie, takie jak angielski czy francuski, tak modele językowe genomów pomagają zrozumieć zawiły język biologii” – wyjaśnia Hwang. Podejście to pozwala badaczom analizować genomy mikroorganizmów in silico (poprzez symulacje komputerowe) w celu rozpoznania wzorców i wywnioskowania funkcji biologicznych. Biorąc pod uwagę ogromną ilość danych – miliony genetycznych ‘liter’ w każdym genomie i tysiące genomów w jednym gramie gleby – sama analiza przeprowadzana przez człowieka nie jest w stanie sprostać temu wyzwaniu. Właśnie w tym miejscu uczenie maszynowe pokazuje swoją przewagę.
W ramach swoich badań doktoranckich Hwang natknęła się na zjawisko, które w świecie nauki określa się mianem “mikrobiologicznej ciemnej materii” – nieznane genomy i gatunki, które wydają się wymykać tradycyjnej klasyfikacji. Uczenie maszynowe pomaga w identyfikowaniu wzorców na tym niezbadanym terenie, a ostatecznym celem jest powiązanie tych odkryć z relacjami ewolucyjnymi i funkcjami biologicznymi.
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 można pominąć ogromnego znaczenia badań nad mikroorganizmami w walce z chorobami zakaźnymi. “Zrozumienie zachowań mikroorganizmów w różnorodnych środowiskach, zwłaszcza w kontekście mikrobiomu człowieka, ma kluczowe znaczenie dla stawiania czoła przyszłym wyzwaniom zdrowotnym” – ostrzega Hwang. Łącząc moc obliczeniową z wiedzą biologiczną, naukowcy tacy jak Yunha Hwang “odkrywają” ogromny potencjał mikroskopijnego świata. Ta podróż dopiero się rozpoczęła i zapowiada nadejście nowej ery niewykorzystanego potencjału oraz tajemnic, które dopiero czekają na odkrycie.
Ta strona używa plików cookie.