Depois de anos aprendendo como os micrbios funcionam, pesquisadores agora esto recriando digitalmente seu funcionamento interno para enfrentar desafios que vo desde as mudanas climticas at a colonizao espacial. Em meu trabalho como bilogo computacional, estudo maneiras de fazer com que os micrbios fabriquem produtos qumicos mais teis, como combustveis e bioplsticos, que podem ser usados nos setores energtico, agrcola ou farmacutico.

Tradicionalmente, os pesquisadores precisam realizar vrios experimentos de tentativa e erro em placas de Petri para determinar as condies ideais que os micrbios precisam para fabricar grandes quantidades de produtos qumicos. Em vez disso, sou capaz de simular esses experimentos em uma tela de computador por meio de projetos digitais que replicam o interior dos micrbios.

Chamados de modelos metablicos em escala de genoma (GEMs, na sigla em ingls), esses laboratrios virtuais reduzem significativamente o tempo e o custo necessrios para descobrir o que os pesquisadores precisam fazer para obter o que esto buscando. Com os GEMs, os pesquisadores podem no s explorar a complexa rede de vias metablicas que permitem o funcionamento dos organismos vivos mas tambm ajustar, testar e prever como os micrbios se comportariam em diferentes ambientes, inclusive em outros planetas.

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Como a tecnologia GEM continua a evoluir, acredito que esses modelos desempenharo um papel cada vez mais importante em moldar o futuro da biotecnologia, da medicina e da explorao espacial.

MODELOS METABLICOS EM ESCALA DE GENOMA

Os modelos metablicos em escala de genoma so mapas digitais de todas as reaes qumicas conhecidas que ocorrem nas clulas, ou seja, o metabolismo da clula. Essas reaes so essenciais para converter alimentos em energia, construir estruturas celulares e lidar com substncias nocivas. Para criar um GEM, comeo analisando o genoma de um organismo, que contm as instrues genticas que as clulas usam para produzir protenas. Um tipo de protena codificada no genoma chamada “enzimas” o carro-chefe do metabolismo, pois facilita a converso de nutrientes em energia e blocos de construo para as clulas.

Ao vincular os genes que codificam as enzimas s reaes qumicas que elas ajudam a realizar, posso criar um modelo abrangente que mapeia as conexes entre genes, reaes e metablitos. Depois de criar um GEM, uso algumas simulaes computacionais avanadas para faz-lo funcionar como uma clula viva ou um micrbio. Um dos algoritmos mais comuns que os pesquisadores usam para fazer essas simulaes chamado flux balance analysis (anlise de balano de fluxos). Esse algoritmo analisa os dados disponveis sobre o metabolismo e, em seguida, faz previses sobre como diferentes reaes qumicas e metablitos agiriam em condies especficas.

Isso torna os GEMs particularmente teis para compreender como os organismos respondem s mudanas genticas e aos estresses ambientais. Por exemplo, posso usar esse mtodo para prever como um organismo reagir quando um gene especfico for eliminado. Tambm posso us-lo para prever como ele poder se adaptar presena de diferentes substncias qumicas em seu ambiente ou falta de alimentos.

A maioria das substncias qumicas usadas na agricultura, nos produtos farmacuticos e nos combustveis obtida de combustveis fsseis. Entretanto, os combustveis fsseis so um recurso limitado e contribuem significativamente para as mudanas climticas. Em vez de extrair energia de combustveis fsseis, minha equipe no Great Lakes Bioenergy Research Center da Universidade de Wisconsin-Madison se concentra no desenvolvimento de biocombustveis e bioprodutos sustentveis a partir de resduos vegetais. Isso inclui o caule do milho depois que as espigas so colhidas, e plantas no comestveis, como grama e algas.

Estudamos quais resduos de culturas podem ser usados para bioenergia, como usar micrbios para convert-los em energia e maneiras de gerenciar de forma sustentvel o solo em que essas plantas so cultivadas. Estou construindo um modelo metablico em escala de genoma para a Novosphingobium aromaticivorans, uma espcie de bactria que pode converter produtos qumicos muito complexos de resduos de plantas em produtos qumicos valiosos para as pessoas, como os usados na fabricao de bioplsticos, produtos farmacuticos e combustveis.

Com uma compreenso mais clara desse processo de converso, posso aprimorar o modelo para simular com mais preciso as condies necessrias para sintetizar quantidades maiores desses produtos qumicos. Os pesquisadores podem, ento, replicar essas condies na vida real para gerar materiais mais baratos e mais veis do que aqueles feitos a partir de combustveis fsseis.

Existem micrbios na Terra que podem sobreviver em ambientes extremamente severos. Por exemplo, a Chromohalobacter canadensis pode viver em condies extremamente salgadas. Da mesma forma, o Alicyclobacillus tolerans pode se desenvolver em ambientes muito cidos. Como outros planetas costumam ter climas igualmente severos, esses micrbios – tambm conhecidos como extremfilos – podem no apenas prosperar e se reproduzir nesses planetas, mas tambm mudar o ambiente para que seres humanos tambm possam viver l.

Combinando GEMs com aprendizado de mquina, vi que C. canadensis e A. tolerans podem sofrer alteraes qumicas que as ajudam a sobreviver em condies extremas. Elas tm protenas especiais em suas paredes celulares que trabalham com enzimas para equilibrar os produtos qumicos em seu ambiente interno com os produtos qumicos em seu ambiente externo.

Com os GEMs, os cientistas podem simular os ambientes de outros planetas para estudar como os micrbios sobrevivem sem necessariamente precisar ir at esses planetas.

O FUTURO DOS GEMS

Todos os dias, pesquisadores esto gerando grandes quantidades de dados sobre o metabolismo microbiano. medida que a tecnologia GEM avana, ela abre portas para novas e empolgantes possibilidades na medicina, na energia, na explorao espacial e em outras reas. Bilogos sintticos podem usar GEMs para projetar organismos ou vias metablicas totalmente novos a partir do zero. Esse campo poderia promover a biofabricao, permitindo a criao de organismos que produzam com eficincia novos materiais, medicamentos ou at mesmo alimentos.

Os GEMs de todo o corpo humano tambm podem servir como um atlas para o metabolismo de doenas complexas. Eles podem ajudar a mapear como o ambiente qumico do corpo muda com a obesidade ou o diabetes.

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Seja na produo de biocombustveis ou na engenharia de novos organismos, os GEMs so uma ferramenta poderosa tanto para a pesquisa bsica quanto para aplicaes industriais. Com o avano da biologia computacional e dos GEMs, essas tecnologias continuaro a transformar a maneira como os cientistas compreendem e manipulam o metabolismo dos organismos vivos.

Fonte: Metrpoles