Представлена новая математическая модель для изучения метаболических процессов у микроорганизмов
Новая публикация ученого Texas A&M AgriLife Research и его команды показывает, что микробы теряют эффективность при увеличении скорости метаболизма. Способность микроорганизмов эффективно использовать энергию в различных условиях окружающей среды имеет последствия для глобального климата и углеродного цикла.
Работа "Энергетическое масштабирование в микробном росте", опубликованная в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, предоставляет ученым новую математическую модель для изучения этих метаболических процессов у микроорганизмов.
Ведущий исследователь Сальваторе Калабрезе, доктор философии, доцент кафедры биологической и сельскохозяйственной инженерии Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни Техасского университета A&M, Брайан-Колледж-Стейшн, сказал, что это открытие является фундаментальным шагом к более глубокому пониманию энергетических принципов, управляющих всеми живыми системами.
Опираясь на обширные лабораторные данные, Калабрезе и его коллеги из Стокгольмского университета (Швеция) и Университета Ватерлоо (Канада) сосредоточились на соединении биохимии и термодинамики для расчета метаболической активности, например, энергии, необходимой для роста, и, в конечном итоге, термодинамической эффективности микроорганизмов. Используя статистические методы, они обнаружили, что энергетическую эффективность можно предсказать на основе хорошо известных микробных параметров, обычно измеряемых в лаборатории, таких как скорость роста микроорганизмов.
"Мы знали, что можем рассматривать микробы как крошечные термодинамические машины", - сказал он. "Благодаря детальному анализу их энергетики, мы обнаружили, что их эффективность предсказуема. И эта предсказуемость и эта математическая формулировка позволит другим ученым понять, как микробы реагируют на изменение условий окружающей среды".
Это открытие, которое открывает нам понимание того, как эти важные организмы растут в изменяющихся условиях окружающей среды, имеет центральное значение не только для прогнозирования влияния изменений климата и землепользования на почвы и экосистемы, но и для того, как почвы, благодаря связыванию углерода, могут помочь смягчить глобальное потепление.
"Почвенные микроорганизмы играют важную роль в преобразовании органических веществ в формы, которые могут быть стабилизированы и сохранены в почве", - сказал соавтор исследования Стефано Манзони, доктор философии, доцент Стокгольмского университета, Стокгольм, Швеция. "Более эффективные микроорганизмы могут помочь сохранить больше углерода в почве - вот почему наши результаты важны для исследований изменения климата"
Калабрезе был рад обнаружить, что может применить свои инженерные знания, чтобы связать эти реакции в микроорганизмах с количественно измеримыми и предсказуемыми результатами. По его словам, термодинамика микроорганизмов похожа на работу автомобильного двигателя. Автомобильный двигатель сжигает топливо для получения энергии, в то время как микроорганизмы в почве питаются органическим углеродом для получения энергии.
Подобно тому, как можно предсказать, что автомобиль, движущийся со скоростью 70 миль в час, потеряет эффективность из-за таких факторов, как сопротивление ветра, и сожжет больше топлива за то же расстояние, чем при движении со скоростью 55 миль в час, команда Калабрезе нашла способ предсказать, как микробы теряют эффективность при увеличении скорости метаболизма.
После почти двух лет интенсивных исследований Калабрезе и его сотрудники разработали простой способ последовательной оценки микробной энергетики. Теперь Калабрезе и его коллеги работают над ответами на вопросы, касающиеся условных реакций микроорганизмов на такие факторы, как азот и органическое вещество.
"Мы надеемся, что это даст толчок научным открытиям в рамках общих термодинамических теорий, распространяющихся на все виды биологических и, в конечном итоге, экологических систем и на то, как они все связаны", - сказал он. "Микробы являются фундаментальной основой для всего живого, и это открытие является отправной точкой для таких исследований"
