Hoy en día, de un billón de especies estimadas en la Tierra, el 99,999 por ciento se consideran microbianas: bacterias, arqueas, virus y eucariotas unicelulares. Durante gran parte de la historia de nuestro planeta, los microbios gobernaron la Tierra y fueron capaces de conducirse y prosperar en los entornos más extremos. En las últimas décadas, los investigadores tan pronto como han comenzado a reñir con la complejidad de microbios: se estima que menos del 1 por ciento de los genes conocidos tienen funciones validadas en laboratorio. Los enfoques computacionales ofrecen a los investigadores la oportunidad de analizar estratégicamente esta cantidad de información verdaderamente asombrosa.
Bacteriólogo ambiental e informático de formación, nuevo miembro de la aquiescencia del MIT Yunha Hwang está interesado en la nueva biología revelada por la forma de vida más diversa y prolífica de la Tierra. En un puesto docente compartido como profesor de avance profesional Samuel A. Goldblith en el Unidad de Biología, así como profesor asistente en la Unidad de Ingeniería Eléctrica e Informática y el Prerrogativa de Computación Schwarzman del MITHwang está explorando la intersección de la computación y la biología.
P: ¿Qué te atrajo a investigar microbios en ambientes extremos y cuáles son los desafíos al estudiarlos?
A: Los ambientes extremos son excelentes lugares para despabilarse biología interesante. Cuando era inmaduro quería ser cosmonauta y lo más parecido a la astrobiología es examinar entornos extremos en la Tierra. Y lo único que vive en esos ambientes extremos son los microbios. Durante una expedición de muestreo en la que participé frente a la costa de México, descubrimos una colorida esterilla microbiana a unos 2 kilómetros bajo el agua que floreció porque las bacterias respiraban azufre en extensión de oxígeno, pero ningún de los microbios que esperaba estudiar crecería en el laboratorio.
El maduro desafío al estudiar microbios es que la mayoría de ellos no se pueden cultivar, lo que significa que la única forma de estudiar su biología es mediante un método llamado metagenómica. Mi postrero trabajo es el modelado del idioma genómico. Esperamos desarrollar un sistema computacional para poder sondear el organismo tanto como sea posible «in silico», simplemente utilizando datos de secuencia. Un maniquí de idioma genómico es técnicamente un maniquí de idioma alto, excepto que el idioma es ADN en contraposición al idioma humano. Se entrena de modo similar, solo que en idioma biológico en extensión de inglés o francés. Si nuestro objetivo es formarse el idioma de la biología, deberíamos emplear la complejidad de genomas microbianos. Aunque tenemos muchos datos, e incluso a medida que hay más muestras disponibles, tan pronto como hemos arañado la superficie de la complejidad microbiana.
P: Dada la complejidad de los microbios y lo poco que sabemos sobre ellos, ¿cómo puede el estudio de los microbios in silico, utilizando modelos del idioma genómico, mejorar nuestra comprensión del genoma microbiano?
A: Un genoma son muchos millones de cultura. Un ser humano no puede posiblemente mirar eso y darle sentido. Sin confiscación, podemos programar una máquina para segmentar datos en partes que sean enseres. Así es como funciona la bioinformática con un solo genoma. Pero si nos fijamos en un gramo de suelo, que puede contener miles de genomas únicos, son demasiados datos con los que trabajar: se necesitan un ser humano y una computadora juntos para poder reñir con esos datos.
Durante mi doctorado y mi habilidad, tan pronto como estábamos descubriendo nuevos genomas y nuevos linajes que eran muy diferentes de cualquier cosa que se hubiera caracterizado o cultivado en el laboratorio. Eran cosas que acabamos de convocar «materia oscura microbiana». Cuando hay muchas cosas no caracterizadas, ahí es donde el enseñanza forzoso puede ser en realidad útil, porque solo buscamos patrones, pero ese no es el objetivo final. Lo que esperamos hacer es mapear estos patrones en las relaciones evolutivas entre cada genoma, cada microbio y cada instancia de vida.
Anteriormente, habíamos pensado en las proteínas como una entidad independiente, lo que nos proporciona un nivel limpio de información porque las proteínas están relacionadas por homología y, por lo tanto, cosas que están relacionadas evolutivamente podrían tener una función similar.
Lo que se sabe sobre microbiología es que las proteínas están codificadas en genomas, y el contexto en el que se une esa proteína (qué regiones vienen antaño y posteriormente) se conserva evolutivamente, especialmente si hay un ensamble sencillo. Esto tiene mucho sentido porque cuando tienes tres proteínas que deben expresarse juntas porque forman una mecanismo, es posible que quieras ubicarlas una al costado de la otra.
Lo que quiero hacer es incorporar más de ese contexto genómico en la forma en que buscamos y anotamos proteínas y entendemos la función de las proteínas, de modo que podamos ir más allá de la secuencia o la similitud estructural para amplificar información contextual a cómo entendemos las proteínas y formular hipótesis sobre sus funciones.
P: ¿Cómo se puede aplicar su investigación para emplear el potencial sencillo de los microbios?
A: Los microbios son posiblemente los mejores químicos del mundo. Servirse el transformación microbiano y la bioquímica conducirá a métodos más sostenibles y eficientes para producir nuevos materiales, nuevas terapias y nuevos tipos de polímeros.
Pero no se comercio sólo de eficiencia: los microbios realizan una química en la que ni siquiera sabemos cómo pensar. Comprender cómo funcionan los microbios y ser capaz de comprender su composición genómica y su capacidad sencillo todavía será muy importante al pensar en cómo están cambiando nuestro mundo y nuestro clima. La maduro parte del secuestro de carbono y del ciclo de nutrientes lo realizan los microbios; Si no entendemos cómo un microbio determinado es capaz de fijar ázoe o carbono, tendremos dificultades para modelar los flujos de nutrientes de la Tierra.
Desde el punto de paisaje más terapéutico, las enfermedades infecciosas son una amenaza efectivo y creciente. Comprender cómo se comportan los microbios en diversos entornos en relación con el resto de nuestro microbioma es en realidad importante cuando pensamos en el futuro y en la lucha contra los patógenos microbianos.