Як мікроби допоможуть колонізувати космос і створювати енергію: вчені це з'ясували

Після багатьох років вивчення того, як працюють мікроби, вчені з Вісконсинського університету в Мадісоні (США) змогли відтворити їхню внутрішню роботу в цифровому вигляді, щоб розв'язувати різні проблеми, починаючи від зміни клімату і закінчуючи колонізацією космосу, пише Inverse.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Науковці вивчили способи змусити мікроби виробляти більше корисних хімікатів, таких як паливо і біопластик, які можуть використовуватися в енергетичній, сільськогосподарській та фармацевтичній промисловості. Замість традиційних методів вчені змогли моделювати експерименти на комп'ютері за допомогою цифрових карт, які відтворюють внутрішню частину мікробів. Це називається моделі метаболізму в масштабі геному, або GEM, і вони значно скорочують час і витрати, необхідні для з'ясування роботи мікробів. За допомогою GEM вчені можуть не тільки вивчати складну мережу метаболічних шляхів, які дають змогу живим організмам функціонувати, а й налаштовувати, тестувати і передбачати, як мікроби поводитимуться в різних середовищах, зокрема на інших планетах.

Що таке моделі метаболізму в масштабі генома?

Моделі метаболізму в масштабі генома являють собою цифрові карти всіх відомих хімічних реакцій, які відбуваються в клітинах, тобто метаболізму клітини. Ці реакції мають вирішальне значення для перетворення їжі на енергію, побудови клітинних структур і видалення шкідливих речовин.

Щоб створити GEM, вчені починають з аналізу геному організму, який містить генетичні інструкції, що використовуються клітинами для виробництва білків. Тип білка, закодований у геномі, званий ферментами, є робочими конячками метаболізму. Він полегшує перетворення поживних речовин на енергію та будівельні блоки для клітин.

Пов'язуючи гени, що кодують ферменти, з хімічними реакціями, які вони допомагають здійснити, можна побудувати комплексну модель, яка відображає зв'язки між генами, реакціями та метаболітами.

Після створення GEM вчені використовують обчислювальні симуляції, щоб змусити модель працювати так, як це роблять живі клітини або мікроби. Математичний алгоритм аналізує доступні дані про метаболізм, а потім робить прогнози щодо того, як різні хімічні реакції та метаболіти діятимуть у певних умовах.

Це робить моделі GEM особливо корисними для розуміння того, як організми реагують на генетичні зміни та екологічні стреси.

Вирішення енергетичних і кліматичних проблем

Більшість хімічних речовин, що використовуються в сільському господарстві, фармацевтиці та енергетиці, отримують з викопного палива. Але воно є обмеженим ресурсом і робить значний внесок у зміну клімату. Замість того, щоб добувати енергію з викопного палива, вчені сфокусували свою увагу на розробці стійкого біопалива і біопродуктів з рослинних відходів.

Було створено модель метаболізму в масштабі геному для Novosphingobium fragranceivorans, виду бактерій, які можуть перетворювати дуже складні хімічні речовини в рослинних відходах на хімічні речовини, що використовуються для виробництва біопластику, фармацевтичних препаратів і палива. З більш чітким розумінням цього процесу можна точніше моделювати умови, необхідні для синтезу більшої кількості цих хімічних речовин. Після цього можна створити матеріали, які будуть дешевшими і доступнішими за ті, що виробляються з викопного палива, кажуть учені.

Мікроби і колонізація космосу

На Землі є мікроби, які можуть виживати в надзвичайно суворих умовах. Наприклад, Chromohalobacter canadensis може жити в надзвичайно солоних умовах. А Alicyclobacillus tolerans може процвітати в дуже кислих умовах.

Оскільки на інших планетах зазвичай такий самий суворий клімат, ці мікроби можуть не тільки процвітати і розмножуватися на цих планетах, а й потенційно змінювати навколишнє середовище, щоб люди могли там жити. За допомогою GEM науковці можуть моделювати середовище інших планет, щоб вивчати, як виживають мікроби, без необхідності самим вирушати на ці планети.

За словами вчених, у міру розвитку технології GEM вона відкриває двері новим захоплюючим можливостям у медицині, енергетиці та дослідженні космосу.

Як уже писав Фокус, починається велике вторгнення на Місяць. Ракета Ілона Маска запустить у космос одразу два посадкові модулі для дослідження Місяця вже цього тижня. Цього року на Місяць вирушить ще кілька посадкових модулів приватних компаній у рамках співпраці з NASA.

Також Фокус писав про те, що вчені розкрили таємницю сховища вуглецю в Південному океані. Дослідники дійшли висновку, що мікроскопічні водорості не відіграють найважливішої ролі в переміщенні вуглецю в глибини океану.