微生物世界的基因组规模代谢模型（GEMs）真是令人惊叹。在多年研究微生物工作原理的基础上，研究人员现在正在数字上重建其内部运作，以应对从气候变化到太空殖民等一系列挑战。
作为计算生物学家，我的研究旨在找到让微生物产生更多有用化学物质的方法，如燃料和生物塑料，这些化学物质可以在能源、农业或制药行业中使用。传统上，研究人员需要在培养皿上进行多次试错实验，以确定微生物产生大量化学物质所需的最优条件。
相反，我可以通过计算机屏幕上的数字蓝图来模拟这些实验，这些数字蓝图复制了微生物的内部结构，称为基因组规模代谢模型（GEMs）。这些虚拟实验室大大减少了研究人员弄清楚所需操作的时间和成本。通过GEMs，研究人员不仅可以探索允许生物体功能的复杂代谢网络，还可以调整、测试和预测微生物在不同环境中的行为，包括其他星球。
随着GEM技术的不断发展，我相信这些模型将在塑造生物技术、医学和太空探索的未来中发挥越来越重要的作用。
什么是基因组规模代谢模型？
基因组规模代谢模型是细胞内所有已知化学反应的数字地图——即细胞的新陈代谢。这些反应对于将食物转化为能量、构建细胞结构和解毒有害物质至关重要。
要创建一个GEM，我首先分析一个生物体的基因组，其中包含了细胞用来产生蛋白质的遗传指令。一种由基因编码的酶是新陈代谢的工作主力——它们促进营养物质转化为能量和细胞构件的转换。
通过将编码酶的基因与其帮助发生的化学反应联系起来，我可以建立一个全面的模型，该模型绘制出基因、反应和代谢物之间的连接关系。
一旦我建立了GEM，我就会使用一些高级计算模拟使其像活细胞或微生物一样工作。研究人员最常用的算法之一是通量平衡分析。这种数学算法分析有关新陈代谢的可用数据，然后预测在特定条件下不同的化学反应和代谢物会如何表现。
这使得GEMs在理解生物体如何响应基因变化和环境压力方面特别有用。例如，我可以使用这种方法预测当某个特定基因被敲除时生物体会如何反应。我也可以用它来预测生物体如何适应环境中不同化学物质的存在或缺乏食物的情况。
解决能源和气候挑战
农业、制药和燃料行业使用的大多数化学品都来自化石燃料。然而，化石燃料是一种有限资源，并且对气候变化有显著贡献。
代替从化石燃料中提取能量，我在威斯康星大学麦迪逊分校的五大湖生物能源研究中心的团队专注于从植物废物中开发可持续的生物燃料和生物产品。这包括玉米收获后剩下的秸秆和不可食用的植物，如草和藻类。我们研究哪些作物废物可以用作生物能源，如何利用微生物将其转化为能量，以及如何可持续管理这些作物生长的土地。
我正在为一种名为Novosphingobium aromaticivorans的细菌建立基因组规模代谢模型，这种细菌可以将植物废物中的非常复杂的化学物质转化为对人们有价值的化学物质，如用于制造生物塑料、药物和燃料的化学物质。通过对这一转化过程有更清晰的理解，我可以改进模型，更准确地模拟合成这些化学物质所需的条件。
研究人员随后可以在现实生活中复制这些条件，以生成比化石燃料制成的材料更便宜、更容易获得的材料。
极端微生物和太空殖民
地球上有一些微生物可以在极其恶劣的环境中生存。例如，Chromohalobacter canadensis可以在极咸的条件下生存。同样，Alicyclobacillus tolerans可以在非常酸性的环境中茁壮成长。
由于其他行星通常具有类似的恶劣气候，这些微生物不仅可能在这些行星上生存和繁殖，还可能改变环境，使人类能够在这些行星上生活。
结合GEM和机器学习，我发现C. canadensis和A. tolerans可以发生化学变化，帮助它们在极端条件下生存。它们的细胞壁中有特殊的蛋白质，这些蛋白质与酶合作，平衡其内部环境与外部环境中的化学物质。
通过GEMs，科学家可以模拟其他行星的环境，以研究微生物如何在不必亲自前往这些行星的情况下生存。
GEMs的未来
每天，研究人员都在生成大量关于微生物代谢的数据。随着GEM技术的进步，它为医学、能源、太空等领域的激动人心的新可能性打开了大门。
合成生物学家可以使用GEMs从头设计全新的生物体或代谢途径。这一领域可以通过创建能够高效生产新材料、药物甚至食品的生物体来推动生物制造的发展。
整个人体的GEMs也可以作为复杂疾病代谢的图谱。它们可以帮助绘制肥胖或糖尿病等情况下体内化学环境的变化。
无论是生产生物燃料还是工程新生物体，GEMs都为基础研究和工业应用提供了强大的工具。随着计算生物学和GEMs的进步，这些技术将继续改变科学家理解和操控生物体新陈代谢的方式。
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