Исследователи изучают перспективный подход к опреснению
Опреснение — удаление соли, минералов и других загрязнителей из почвы и воды — стало глобальной задачей из-за роста населения, нехватки пресной воды в засушливых регионах и необходимости очистки окружающей среды.
Исследователи из Университета Райса (Хьюстон, Техас) вычислительными методами изучают способы «перепрограммирования» одного из самых полезных инструментов для очистки среды — бактерий.
Бактерии как компьютеры
Ученые рассматривают бактерии как компьютеры с целью перепрограммировать их для выполнения конкретных задач. Основа работы — модификация белков, отвечающих за реакцию бактерий на внешние стимулы, чтобы заставить их предсказуемо «принимать решения» и действовать в целевых условиях окружающей среды.
Исследование «Молекулярные основы принятия решений у бактерий» — часть программы INSPIRE Национального научного фонда (NSF), финансирующей междисциплинарные проекты с высоким риском и потенциально высокой отдачей.
Двухкомпонентные сигнальные системы
Ключ к перепрограммированию — двухкомпонентные сигнальные системы (TCS), основной механизм, с помощью которого бактерии ощущают среду (тепло, свет, токсины, кислород) и реагируют на нее. Эти системы также регулируют вирулентность, усвоение питательных веществ и способность производить вторичные органические соединения.
В статье в Proceedings of the National Academy of Sciences исследователи представили метрику оценки, основанную на данных о коэволюции TCS-белков. Эта метрика позволяет интерпретировать, как белки TCS взаимодействуют друг с другом, и предсказывать, как модификации сигналов могут повлиять на системы TCS.
«Многие белки эволюционировали, чтобы производить специфическое поведение при дополнительном условии — физическом связывании с другим белком», — говорит Фарук Моркос, научный сотрудник Райса. Методы статистической физики позволяют извлечь статистические связи, связанные с коэволюцией аминокислот между семействами взаимодействующих белков, и определить, какие белки могут успешно сигнализировать друг другу для получения заданных результатов.
Практическое применение в опреснении
Исследователи планируют использовать разработанную основу для создания новых, предсказуемых моделей поведения у модельной бактерии Bacillus subtilis.
Потенциальное применение в санитарной инженерии многочисленно и значительно. Например, в технологии мембранного опреснения ключевой проблемой является обрастание мембран (biofouling) — снижение фильтрующей способности из-за засорения пор биопленками.
Исследователи полагают, что могут помочь уменьшить образование биопленок в оборудовании для опреснения. Эксперименты показали, что образование складок в биопленках B. subtilis является результатом локализованной гибели клеток, которая регулируется TCS и родственными сигнальными системами.
«Существует потенциал для контроля морфологии и механических свойств биопленок», — говорит Райан Ченг, научный сотрудник Райса. Это, возможно, удастся сделать, внедряя в существующие биопленки инженерные бактерии, которые могут механически ослаблять их посредством запрограммированной гибели клеток.
Будущие вызовы
«Значительной задачей будет распространить эту работу на прогнозирование in vivo», — говорит Герберт Левин. Расширение методологии на сложные системы, содержащие множество потенциально конкурирующих белковых взаимодействий (например, живые системы), станет серьезным испытанием. Цель — научиться предсказуемо понимать, как конкретная сайт-направленная мутация влияет на характеристики организма.