Computação para estudar os melhores químicos unicelulares do mundo

Estima-se que existam cerca de um trilhão de espécies na Terra, sendo 99,999% microbianas (bactérias, arqueias, vírus e eucariotos unicelulares).
Ao longo da história, micro-organismos dominaram o planeta; hoje acredita-se que menos de 1% dos genes conhecidos têm funções validadas em laboratório.
Yunha Hwang, nova professora do MIT, atua na interseção entre computação e biologia, em posição compartilhada entre biologia e engenharia elétrica e ciência da computação.
Muitos micro-organismos não podem ser cultivados em laboratório, então a pesquisa usa metagenômica e modelos de linguagem genômica para entender seus genes a partir de sequências.
O objetivo é incorporar o contexto genômico para entender a função de proteínas, com aplicações potenciais em materiais, terapêuticos, polímeros e no mapeamento de ciclagem de carbono e nitrogênio e no combate a patógenos.

O avanço da microbiologia envolve entender a maioria dos seres vivos do planeta, os micróbios. Entre 1 trilhão de espécies estimadas, 99,999% são microbianas, incluindo bactérias, arqueias, vírus e eucariotos unicelulares. A pesquisa recente aponta que menos de 1% dos genes conhecidos tem funções validadas em laboratório.

Em MIT, Yunha Hwang, nova professora, atua na interseção entre computação e biologia. Em cargo compartilhado, é Goldblith Career Development Professor no Departamento de Biologia e assistente no DECS e no MIT Schwarzman College of Computing. Explora como a computação pode revelar a biologia.

Durante a carreira, Hwang destacou o interesse por ambientes extremos como berço de biologia única. Ela relatou que micróbios são os únicos organismos capazes de prosperar nesses cenários, lembrando a busca por biosferas fora da Terra. Em uma expedição no litoral do México, houve a descoberta de um leito microbiano a 2 km de profundidade, que respira enxofre. Entretanto, nenhum micróbio estudado pôde ser cultivado em laboratório.

Um dos maiores desafios é que a maioria dos micróbios não pode ser cultivada, tornando a metagenômica essencial para entender sua biologia. O foco atual de Hwang envolve linguagem genômica, um modelo computacional treinado com dados de DNA para interpretar o reino microbiano. Ao tratar o genoma como idioma, pretende extrair significados a partir de sequências.

Foco metodológico

A ideia é usar modelos de linguagem genética para explorar a diversidade de genomas microbianos, aproveitando o volume ainda inexplorado de dados. Mesmo com avanços, grande parte da diversidade microbiana continua em aberto, com bilhões de letras de DNA para interpretar.

Hwang explicou que a biologia não se resume a proteínas isoladas. O contexto genômico — regiões vizinhas a uma proteína — é conservado evolutivamente, especialmente quando proteínas operam em conjunto. A proposta é incorporar esse contexto na busca e na anotação de funções proteicas.

Aplicações da pesquisa

Segundo a pesquisadora, micróbios podem atuar como grandes químicos naturais. A biotecnologia baseada em metabolismo microbiano pode levar a materiais, terapêuticos e polímeros mais sustentáveis. Também aumenta a compreensão sobre mudanças climáticas e ciclos biogeoquímicos.

Além disso, entender como micróbios funcionam em diferentes ambientes é crucial para prever fluxos de carbono, nitrogênio e outros nutrientes. No campo da saúde, o estudo de micróbios em relação ao microbioma humano é relevante para o enfrentamento de patógenos.