Микробы могут производить пищу, топливо и лекарства: математика делает их ещё полезнее

Человечество веками использовало силу микробов, например, применяя дрожжи для производства хлеба, пива, йогурта и вина с помощью ферментации. Эти живые организмы полезны, потому что в ходе своей жизнедеятельности они осуществляют химические реакции.

Сегодня микробы можно использовать для производства многих ценных химических соединений: биотоплива (включая метан и этанол) и медицинских продуктов (например, антибиотиков). Микроорганизмы также могут перерабатывать сточные воды, удаляя растворённое органическое вещество.

За последние два десятилетия учёные исследовали, как можно использовать новые биологические системы, не встречающиеся в природе. Например, бактерии можно генетически модифицировать, чтобы они действовали как «биосенсоры» и светились в присутствии определённых соединений, таких как нефть или даже патогены.

Также можно создать виды, которые будут работать с другими микробами, что может привести к появлению совершенно новых биологических систем с расширенными возможностями. За последние 10 лет использование таких микробных консорциумов (или со-популяций) стало более распространённым. Объединяя различные биоинженерные микробы, новое сообщество может выполнять разные задачи и даже превосходить возможности одного вида.

Например, если один из двух видов производит ацетат (который токсичен), потребляя глюкозу для выполнения определённой задачи (например, производства ценного соединения), можно ввести второй вид, «настроенный» на потребление ацетата, чтобы детоксифицировать среду.

Управление микробами с помощью математики

Эти усилия привлекли внимание не только биологов, но и специалистов по компьютерным и системным теориям, а также математиков.

Современные численные методы помогают понять и предсказать поведение биологических систем. Существует множество математических инструментов, которые позволяют, например, изучать поведение систем, описанных моделью, включая их стабильность и реакцию на внешние воздействия. Это даёт возможность задать микробам желаемое поведение и оптимизировать биологический процесс.

Например, бактерии любят глюкозу — чем больше глюкозы в среде, тем больше они растут. Поэтому учёные могут разрабатывать алгоритмы, регулирующие количество глюкозы для изменения концентрации или поведения этих бактерий в соответствии с потребностями биологов. Также можно стимулировать микробов с помощью света или определённых химических соединений.

Эти задачи не так просты, как может показаться. Биологические системы по своей природе неопределённы: множество факторов может изменить их поведение, и их нелегко идентифицировать.

Математические модели, используемые для управления биологическими системами, могут быть неточными или не описывать какое-либо поведение или взаимодействие клетки с окружающей средой. Чтобы справиться с этим, алгоритмы должны быть устойчивыми: они должны работать, даже если реальность немного отличается от модели.

Сложность возрастает при управлении сообществом с разными типами микробов. Например, они могут конкурировать за доступную пищу, что может привести к вымиранию одного из видов микробов.

Алгоритмы управления, направленные на регулирование такой со-популяции, должны учитывать отношения между видами, принимая решения, которые обеспечат их выживание и, как следствие, помогут работе биоинженеров.