Tempo di lettura: 3 minutiNegli ultimi anni, il campo della biologia computazionale ha aperto nuove strade per affrontare sfide globali come il cambiamento climatico e l’esplorazione spaziale. Attraverso i modelli metabolici in scala genomica (GSMM), i ricercatori stanno digitalizzando i processi interni dei microbi per ottimizzarne l’uso in settori chiave come l’energia, la medicina e l’agricoltura.
Cosa sono i modelli metabolici su scala genomica
I GSMM (Genome-scale metabolic models – GEMs), modelli metabolici in scala genomica e metagenomica, permettono di predire gli scambi metabolici. Questi modelli sono mappe digitali che riproducono tutte le reazioni chimiche conosciute che avvengono nelle cellule. Queste reazioni sono alla base del metabolismo, il processo che permette alle cellule di convertire i nutrienti in energia, costruire strutture cellulari e neutralizzare sostanze tossiche.
Per costruire un GEMs, i ricercatori partono dall’analisi del genoma di un organismo. Il genoma contiene le istruzioni genetiche che permettono alle cellule di produrre proteine, incluse le enzimi. Questi enzimi sono fondamentali per trasformare i nutrienti in energia e in elementi costitutivi per la cellula. Collegando i geni che codificano gli enzimi alle reazioni chimiche che facilitano, è possibile creare un modello dettagliato del metabolismo dell’organismo.
Con l’ausilio di algoritmi come il “flux balance analysis”, i ricercatori possono simulare in modo accurato il comportamento delle cellule in condizioni specifiche, prevedendo come rispondono a cambiamenti genetici o ambientali.
Soluzioni a sfide energetiche e climatiche
Gran parte delle sostanze chimiche utilizzate in agricoltura, farmaceutica e combustibili derivano da risorse fossili. Tuttavia, i combustibili fossili sono limitati e sono tra i responsabili del cambiamento climatico.
Al Great Lakes Bioenergy Research Center dell’Università del Wisconsin-Madison si sta lavorando per sviluppare biocarburanti e bioprodotti sostenibili, come racconta uno degli autori dello studio, Blaise Manga Enuh, su the conversation. Utilizzando materiali di scarto agricoli, come steli di mais, piante non commestibili e alghe, i ricercatori stanno cercando di sfruttare i microbi per convertire questi rifiuti in energia.
Un esempio concreto è il lavoro sul batterio Novosphingobium aromaticivorans, capace di trasformare complesse sostanze chimiche presenti nei residui vegetali in composti utili per bioplastiche, farmaci e carburanti. Attraverso i GEMs, è possibile simulare le condizioni ottimali per massimizzare questa conversione, riducendo i costi e rendendo i materiali più accessibili.
Microbi estremofili e colonizzazione dello spazio
Alcuni microbi terrestri riescono a sopravvivere in condizioni estreme. Ad esempio, il Chromohalobacter canadensis vive in ambienti altamente salini, mentre Alicyclobacillus tolerans si adatta a contesti molto acidi.
Poiché altri pianeti presentano climi altrettanto ostili, questi microbi potrebbero non solo sopravvivere, ma anche modificare l’ambiente in modo tale da renderlo abitabile per gli esseri umani.
Grazie ai GEMs, è possibile simulare in laboratorio le condizioni presenti su altri pianeti, studiando come i microbi rispondano senza dover necessariamente inviare missioni spaziali. I GEMs, combinati con tecnologie come il machine learning, possono anche analizzare i cambiamenti chimici che permettono ai microbi di adattarsi agli ambienti estremi.
Un metodo per studiare le interazioni nutrizionali nel microbiota intestinale umano
Uno studio del 2024, pubblicato su Nature, ha introdotto un metodo che integra i dati metagenomici al fine di valutare come il microbioma intestinale, e le interazioni metaboliche, possano influire sui meccanismi biologici coinvolti nello sviluppo e nella progressione delle malattie.
Il lavoro ha introdotto un Punteggio di Scambio Metabolico per evidenziare metaboliti e pathways metabolici impattanti nella funzionalità del microbioma intestinale di pazienti che presentavano 10 diversi fenotipi patologici, tra cui cancro al colon-retto, artrite reumatoide e malattia di Crohn.
La classificazione delle interazioni nutrizionali nei microbiomi intestinali, tramite modelli metabolici che integrano dati metagenomici, apre all’identificazione di potenziali microrganismi o metaboliti target utili in strategie terapeutiche costo-efficaci e durature.
Il futuro della biologia computazionale
Ogni giorno, i ricercatori generano enormi quantità di dati sul metabolismo microbico. Con il progresso della tecnologia GEMs, si aprono nuove possibilità in campi come la medicina, l’energia e l’esplorazione spaziale.
I biologi possono progettare nuovi organismi sintetici o percorsi metabolici da zero, migliorando la produzione di materiali, farmaci e persino alimenti. Inoltre, i GEMs su scala umana potrebbero diventare strumenti fondamentali per mappare le alterazioni metaboliche legate a malattie complesse come obesità e diabete.
Dalla produzione di biocarburanti alla creazione di nuovi organismi, i GEMs rappresentano uno strumento potente per la ricerca di base e le applicazioni industriali. Man mano che la biologia computazionale avanza, queste tecnologie trasformeranno il modo in cui gli scienziati comprendono e manipolano i metabolismi degli organismi viventi.