इतने वर्षों तक यह सीखने के बाद कि रोगाणु कैसे काम करते हैं, शोधकर्ता अब विभिन्न चुनौतियों से निपटने के लिए अपनी आंतरिक कार्यप्रणाली को डिजिटल रूप से पुनः निर्मित कर रहे हैं। जलवायु परिवर्तन को अंतरिक्ष उपनिवेशीकरण.
मेरे काम में एक कम्प्यूटेशनल जीवविज्ञानीमैं ईंधन और बायोप्लास्टिक्स जैसे अधिक उपयोगी रसायनों का उत्पादन करने के लिए रोगाणुओं को प्राप्त करने के तरीकों पर शोध करता हूं, जिनका उपयोग ऊर्जा, कृषि या दवा उद्योगों में किया जा सकता है। परंपरागत रूप से, रोगाणुओं को उच्च मात्रा में रसायनों का उत्पादन करने के लिए आवश्यक इष्टतम स्थितियों को निर्धारित करने के लिए शोधकर्ताओं को पेट्री डिश पर कई परीक्षण-और-त्रुटि प्रयोग करने पड़ते हैं।
इसके बजाय, मैं डिजिटल ब्लूप्रिंट के माध्यम से कंप्यूटर स्क्रीन के पीछे से इन सभी प्रयोगों का अनुकरण करने में सक्षम हूं जो रोगाणुओं के अंदर की नकल करते हैं। बुलाया जीनोम-स्केल चयापचय मॉडल, या जीईएमये आभासी प्रयोगशालाएँ यह पता लगाने में लगने वाले समय और लागत को काफी कम कर देती हैं कि शोधकर्ताओं को वह चीज़ पाने के लिए क्या करने की आवश्यकता है जो वे खोज रहे हैं। जीईएम के साथ, शोधकर्ता न केवल चयापचय मार्गों के जटिल नेटवर्क का पता लगा सकते हैं जो जीवित जीवों को कार्य करने की अनुमति देते हैं, बल्कि अन्य ग्रहों सहित विभिन्न वातावरणों में सूक्ष्म जीव कैसे व्यवहार करेंगे, इसका परीक्षण, परीक्षण और भविष्यवाणी भी करते हैं।
जैसे-जैसे जीईएम प्रौद्योगिकी का विकास जारी है, मेरा मानना है कि ये मॉडल जैव प्रौद्योगिकी, चिकित्सा और अंतरिक्ष अन्वेषण के भविष्य को आकार देने में तेजी से महत्वपूर्ण भूमिका निभाएंगे।
जीनोम-स्केल मेटाबोलिक मॉडल क्या हैं?
जीनोम-स्केल चयापचय मॉडल कोशिकाओं में होने वाली सभी ज्ञात रासायनिक प्रतिक्रियाओं के डिजिटल मानचित्र हैं – अर्थात कोशिका के चयापचय. ये प्रतिक्रियाएँ भोजन को ऊर्जा में परिवर्तित करने, सेलुलर संरचनाओं के निर्माण और हानिकारक पदार्थों को विषहरण करने के लिए महत्वपूर्ण हैं।
जीईएम बनाने के लिए, मैं एक जीव के जीनोम का विश्लेषण करके शुरुआत करता हूं, जिसमें आनुवंशिक निर्देश होते हैं जिनका उपयोग कोशिकाएं प्रोटीन का उत्पादन करने के लिए करती हैं। जीनोम में कोडित एक प्रकार का प्रोटीन बुलाया एंजाइमों चयापचय के सक्रिय घोड़े हैं – वे पोषक तत्वों को ऊर्जा में बदलने और कोशिकाओं के लिए निर्माण खंडों की सुविधा प्रदान करते हैं।
उन जीनों को जोड़कर जो एंजाइमों को उन रासायनिक प्रतिक्रियाओं से जोड़ते हैं जो उन्हें होने में मदद करते हैं, मैं एक व्यापक मॉडल बना सकता हूं जो जीन, प्रतिक्रिया और मेटाबोलाइट्स के बीच कनेक्शन को मैप करता है।
(क्रेडिट: चकाज़ुल/विकिमीडिया कॉमन्स) यह मानचित्र कोशिकाओं में कुछ प्रमुख चयापचय मार्गों को दिखाता है।
एक बार जब मैं एक जीईएम बना लेता हूं, तो मैं इसे जीवित कोशिका या सूक्ष्म जीव की तरह काम करने के लिए कुछ उन्नत कम्प्यूटेशनल सिमुलेशन का उपयोग करता हूं। इन सिमुलेशन को करने के लिए शोधकर्ताओं द्वारा उपयोग किए जाने वाले सबसे आम एल्गोरिदम में से एक को कहा जाता है प्रवाह संतुलन विश्लेषण. यह गणितीय एल्गोरिदम चयापचय के बारे में उपलब्ध डेटा का विश्लेषण करता है और फिर भविष्यवाणी करता है कि विभिन्न रासायनिक प्रतिक्रियाएं और मेटाबोलाइट्स विशिष्ट परिस्थितियों में कैसे कार्य करेंगे।
यह GEM को यह समझने के लिए विशेष रूप से उपयोगी बनाता है कि जीव आनुवंशिक परिवर्तनों और पर्यावरणीय तनावों पर कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। उदाहरण के लिए, मैं इस पद्धति का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए कर सकता हूं कि किसी विशिष्ट जीन के नष्ट होने पर कोई जीव कैसे प्रतिक्रिया करेगा। मैं इसका उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए भी कर सकता हूं कि यह अपने वातावरण में विभिन्न रसायनों की उपस्थिति या भोजन की कमी के प्रति कैसे अनुकूल हो सकता है।
ऊर्जा और जलवायु चुनौतियों का समाधान
कृषि, फार्मास्यूटिकल्स और ईंधन में अधिकांश रसायनों का उपयोग किया जाता है जीवाश्म ईंधन से प्राप्त किया जाता है. हालाँकि, जीवाश्म ईंधन एक सीमित संसाधन हैं और महत्वपूर्ण योगदान देते हैंजलवायु परिवर्तन के लिए.
जीवाश्म ईंधन से ऊर्जा निकालने के बजाय, मेरी टीम ग्रेट लेक्स बायोएनर्जी रिसर्च सेंटर विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय पौधों के कचरे से टिकाऊ जैव ईंधन और जैव उत्पाद विकसित करने पर केंद्रित है। इसमें बालियों की कटाई के बाद मकई का डंठल और गैर-खाद्य पौधे जैसे घास और शैवाल शामिल हैं। हम अध्ययन करते हैं कि किन फसलों के अपशिष्टों का उपयोग बायोएनर्जी के लिए किया जा सकता है, उन्हें ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए रोगाणुओं का उपयोग कैसे किया जाए, और उस भूमि का स्थायी प्रबंधन कैसे किया जाए जिस पर वे फसलें उगाई जाती हैं।
मैं इसके लिए एक जीनोम-स्केल मेटाबोलिक मॉडल बना रहा हूं नोवोस्फिंगोबियम एरोमेटिकिवोरन्सबैक्टीरिया की एक प्रजाति जो कर सकती है बहुत जटिल रसायनों को परिवर्तित करें संयंत्र अपशिष्ट में रसायन जो लोगों के लिए मूल्यवान हैंजैसे कि बायोप्लास्टिक्स, फार्मास्यूटिकल्स और ईंधन बनाने के लिए उपयोग किया जाता है। इस रूपांतरण प्रक्रिया की स्पष्ट समझ के साथ, मैं इन रसायनों की अधिक मात्रा को संश्लेषित करने के लिए आवश्यक स्थितियों को अधिक सटीक रूप से अनुकरण करने के लिए मॉडल में सुधार कर सकता हूं।
इसके बाद शोधकर्ता इन स्थितियों को वास्तविक जीवन में दोहराकर ऐसी सामग्री तैयार कर सकते हैं जो जीवाश्म ईंधन से बनी सामग्रियों की तुलना में सस्ती और अधिक सुलभ हो।
जैव सूचना विज्ञान जीवित जीवों के बारे में सवालों के जवाब देने के लिए जैविक डेटा का विश्लेषण करता है।
चरम सूक्ष्मजीव और अंतरिक्ष उपनिवेशीकरण
पृथ्वी पर ऐसे सूक्ष्म जीव हैं जो ऐसा कर सकते हैं अत्यंत कठोर वातावरण में जीवित रहें. उदाहरण के लिए, क्रोमोहेलोबैक्टर कैनाडेंसिस अत्यधिक नमकीन परिस्थितियों में रह सकते हैं। इसी प्रकार, एलिसिक्लोबैसिलस टॉलरेंस बहुत अम्लीय वातावरण में पनप सकता है।
चूँकि अन्य ग्रहों की जलवायु आमतौर पर समान रूप से कठोर होती है, इसलिए ये सूक्ष्मजीव न केवल इन ग्रहों पर पनपने और प्रजनन करने में सक्षम हो सकते हैं, बल्कि संभावित रूप से पर्यावरण को बदल सकते हैं ताकि मनुष्य भी वहां रह सकें।
GEM को मशीन लर्निंग के साथ जोड़कर, मैंने वह देखा सी. कैनाडेन्सिस और ए सहनशील कर सकना रासायनिक परिवर्तन से गुजरना जो उन्हें विषम परिस्थितियों में जीवित रहने में मदद करते हैं। उनकी कोशिका दीवारों में विशेष प्रोटीन होते हैं जो उनके बाहरी वातावरण में रसायनों के साथ उनके आंतरिक वातावरण में रसायनों को संतुलित करने के लिए एंजाइमों के साथ काम करते हैं।
जीईएम के साथ, वैज्ञानिक यह अध्ययन करने के लिए अन्य ग्रहों के वातावरण का अनुकरण कर सकते हैं कि सूक्ष्मजीव उन ग्रहों पर जाने की आवश्यकता के बिना कैसे जीवित रहते हैं।
रत्नों का भविष्य
हर दिन, शोधकर्ता माइक्रोबियल चयापचय के बारे में बड़ी मात्रा में डेटा तैयार कर रहे हैं। जैसे-जैसे GEM प्रौद्योगिकी आगे बढ़ती है, यह चिकित्सा, ऊर्जा, अंतरिक्ष और अन्य क्षेत्रों में रोमांचक नई संभावनाओं के द्वार खोलती है।
सिंथेटिक जीवविज्ञानी जीईएम का उपयोग पूरी तरह से नए जीवों या चयापचय मार्गों को शुरू से डिजाइन करने के लिए किया जा सकता है। यह क्षेत्र ऐसे जीवों के निर्माण को सक्षम करके बायोमैन्युफैक्चरिंग को आगे बढ़ा सकता है जो कुशलतापूर्वक नई सामग्री, दवाओं या यहां तक कि भोजन का उत्पादन करते हैं।
संपूर्ण मानव शरीर में GEM भी एक के रूप में काम कर सकते हैं जटिल रोगों के चयापचय के लिए एटलस. वे यह पता लगाने में मदद कर सकते हैं कि मोटापे या मधुमेह के साथ शरीर का रासायनिक वातावरण कैसे बदलता है।
चाहे जैव ईंधन का उत्पादन हो या नए जीवों की इंजीनियरिंग, जीईएम बुनियादी अनुसंधान और औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करते हैं। जैसे-जैसे कम्प्यूटेशनल जीवविज्ञान और जीईएम आगे बढ़ते हैं, ये प्रौद्योगिकियां वैज्ञानिकों के जीवित जीवों के चयापचय को समझने और उसमें हेरफेर करने के तरीके को बदलना जारी रखेंगी।
ब्लेज़ मंगा एनुह विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय में माइक्रोबियल जीनोमिक्स और सिस्टम बायोलॉजी में पोस्टडॉक्टोरल रिसर्च एसोसिएट हैं।. यह आलेख से पुनः प्रकाशित किया गया है बातचीत एक के तहत क्रिएटिव कामन्स लाइसेंस. को पढ़िए मूल लेख.
