Setelah bertahun-tahun mempelajari cara kerja mikroba, para peneliti kini menciptakan kembali cara kerja mikroba secara digital untuk mengatasi tantangan mulai dari perubahan iklim hingga kolonisasi ruang angkasa.
Dalam pekerjaan saya sebagai ahli biologi komputasi, saya meneliti cara agar mikroba dapat menghasilkan bahan kimia yang lebih berguna, seperti bahan bakar dan bioplastik, yang dapat digunakan dalam industri energi, pertanian, atau farmasi. Secara tradisional, para peneliti harus melakukan beberapa percobaan coba-coba pada cawan Petri untuk menentukan kondisi optimal yang dibutuhkan mikroba untuk menghasilkan bahan kimia dalam jumlah besar.
Sebaliknya, saya dapat mensimulasikan semua eksperimen ini dari balik layar komputer melalui cetak biru digital yang mereplikasi bagian dalam mikroba. Disebut model metabolisme skala genom, atau GEM, laboratorium virtual ini secara signifikan mengurangi waktu dan biaya yang diperlukan untuk mengetahui apa yang perlu dilakukan peneliti untuk mendapatkan apa yang mereka cari. Dengan GEM, para peneliti tidak hanya mengeksplorasi jaringan kompleks jalur metabolisme yang memungkinkan organisme hidup berfungsi tetapi juga mengubah, menguji, dan memprediksi bagaimana perilaku mikroba di lingkungan berbeda, termasuk di planet lain.
Seiring dengan terus berkembangnya teknologi GEM, saya yakin model-model ini akan memainkan peran yang semakin penting dalam membentuk masa depan bioteknologi, kedokteran, dan eksplorasi ruang angkasa.
Apa model metabolisme skala genom?
Model metabolisme skala genom adalah peta digital dari semua reaksi kimia yang diketahui terjadi di dalam sel – yaitu metabolisme sel. Reaksi-reaksi ini sangat penting untuk mengubah makanan menjadi energi, membangun struktur sel, dan mendetoksifikasi zat berbahaya.
Untuk membuat GEM, saya mulai dengan menganalisis genom suatu organisme, yang berisi instruksi genetik yang digunakan sel untuk menghasilkan protein. Suatu jenis protein yang dikodekan dalam genom yang disebut enzim adalah alat kerja metabolisme – mereka memfasilitasi konversi nutrisi menjadi energi dan bahan pembangun sel.
Dengan menghubungkan gen yang mengkode enzim dengan reaksi kimia yang dibantunya, saya dapat membangun model komprehensif yang memetakan hubungan antara gen, reaksi, dan metabolit.
Setelah saya membuat GEM, saya menggunakan beberapa simulasi komputasi tingkat lanjut untuk membuatnya berfungsi seperti sel hidup atau mikroba. Salah satu algoritma yang paling umum digunakan peneliti untuk melakukan simulasi ini disebut analisis keseimbangan fluks. Algoritme matematika ini menganalisis data yang tersedia tentang metabolisme dan kemudian membuat prediksi tentang bagaimana berbagai reaksi kimia dan metabolit akan bertindak dalam kondisi tertentu.
Hal ini membuat GEM sangat berguna untuk memahami bagaimana organisme merespons perubahan genetik dan tekanan lingkungan. Misalnya, saya dapat menggunakan metode ini untuk memprediksi bagaimana suatu organisme akan bereaksi ketika gen tertentu dihilangkan. Saya juga dapat menggunakannya untuk memprediksi bagaimana ia beradaptasi terhadap keberadaan berbagai bahan kimia di lingkungannya atau kekurangan makanan.
Mengatasi tantangan energi dan iklim
Sebagian besar bahan kimia yang digunakan dalam pertanian, farmasi, dan bahan bakar diperoleh dari bahan bakar fosil. Namun, bahan bakar fosil merupakan sumber daya yang terbatas dan berkontribusi signifikan terhadap perubahan iklim.
Daripada mengekstraksi energi dari bahan bakar fosil, tim saya di Pusat Penelitian Bioenergi Great Lakes di Universitas Wisconsin-Madison berfokus pada pengembangan biofuel dan bioproduk berkelanjutan dari limbah tanaman. Ini termasuk batang jagung setelah tongkolnya dipanen dan tanaman yang tidak dapat dimakan seperti rumput dan alga. Kami mempelajari limbah tanaman mana yang dapat digunakan untuk bioenergi, cara menggunakan mikroba untuk mengubahnya menjadi energi, dan cara mengelola lahan secara berkelanjutan di mana tanaman tersebut ditanam.
Saya sedang membangun model metabolisme skala genom Novosphingobium aromatikivoransspesies bakteri yang dapat mengubah bahan kimia yang sangat kompleks dalam limbah tanaman menjadi bahan kimia yang bermanfaat bagi manusia, seperti yang digunakan untuk membuat bioplastik, obat-obatan, dan bahan bakar. Dengan pemahaman yang lebih jelas tentang proses konversi ini, saya dapat menyempurnakan model agar dapat mensimulasikan kondisi yang diperlukan untuk mensintesis bahan kimia dalam jumlah yang lebih besar secara lebih akurat.
Para peneliti kemudian dapat meniru kondisi ini dalam kehidupan nyata untuk menghasilkan bahan yang lebih murah dan lebih mudah diakses dibandingkan bahan bakar fosil.
Mikroba ekstrim dan kolonisasi ruang angkasa
Ada mikroba di Bumi yang dapat bertahan hidup di lingkungan yang sangat keras. Misalnya, Chromohalobacter canadensis dapat hidup dalam kondisi yang sangat asin. Demikian pula, Alicyclobacillus tolerans dapat tumbuh subur di lingkungan yang sangat asam.
Karena planet-planet lain biasanya memiliki iklim yang sama kerasnya, mikroba-mikroba ini mungkin tidak hanya dapat berkembang dan berkembang biak di planet-planet ini, namun juga berpotensi mengubah lingkungan sehingga manusia dapat hidup di sana.
Menggabungkan GEM dengan pembelajaran mesin, saya melihatnya C.canadensis Dan A. toleran dapat mengalami perubahan kimia yang membantu mereka bertahan hidup dalam kondisi ekstrim. Mereka memiliki protein khusus di dinding selnya yang bekerja dengan enzim untuk menyeimbangkan bahan kimia di lingkungan internalnya dengan bahan kimia di lingkungan eksternalnya.
Dengan GEM, para ilmuwan dapat melakukan simulasi lingkungan di planet lain untuk mempelajari bagaimana mikroba bertahan hidup tanpa harus pergi ke planet tersebut sendiri.
Masa depan PERMATA
Setiap hari, para peneliti menghasilkan sejumlah besar data tentang metabolisme mikroba. Seiring kemajuan teknologi GEM, hal ini membuka pintu terhadap kemungkinan-kemungkinan baru yang menarik di bidang kedokteran, energi, ruang angkasa, dan bidang lainnya.
Ahli biologi sintetik dapat menggunakan PERMATA untuk merancang organisme atau jalur metabolisme yang benar-benar baru dari awal. Bidang ini dapat memajukan biomanufaktur dengan memungkinkan terciptanya organisme yang secara efisien menghasilkan bahan baru, obat-obatan, atau bahkan makanan.
PERMATA seluruh tubuh manusia juga dapat berfungsi sebagai atlas metabolisme penyakit kompleks. Mereka dapat membantu memetakan bagaimana lingkungan kimiawi tubuh berubah akibat obesitas atau diabetes.
Baik itu memproduksi biofuel atau merekayasa organisme baru, GEM menyediakan alat yang ampuh baik untuk penelitian dasar maupun aplikasi industri. Seiring dengan kemajuan biologi komputasi dan PERMATA, teknologi ini akan terus mengubah cara para ilmuwan memahami dan memanipulasi metabolisme organisme hidup.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation oleh Blaise Manga Enuh di Universitas Wisconsin-Madison. Baca artikel aslinya di sini.