Использование компьютеров для улучшения производства биотоплива
Нефть - самый используемый источник энергии в мире. Однако, как вы, вероятно, знаете, нефть - это ископаемое топливо, которое очень вредно для окружающей среды, к тому же оно не возобновляемо. Биотопливо - это вид топлива, производимый из растительного сырья. Биотопливо считается отличным альтернативным источником энергии, поскольку оно меньше загрязняет окружающую среду, чем ископаемое топливо. Однако производство биотоплива обходится дорого. Поэтому ученые разрабатывают множество стратегий по снижению стоимости биотоплива, в частности с помощью компьютеров открывают новые биотехнологические продукты или улучшают существующие, чтобы производить больше биотоплива с меньшими затратами. В этой статье мы расскажем вам, как можно использовать компьютеры для улучшения производства биотоплива.
Биотопливо: Экологически чистая альтернатива
Продукты на основе нефти широко используются для питания наших автомобилей, отопления наших домов, выработки электроэнергии и производства пластмасс. Ископаемые виды топлива, такие как нефть, залегают глубоко в недрах Земли. Их образование занимает миллионы лет и зависит от высокого давления и мертвых организмов, таких как растения, водоросли, бактерии и животные (включая динозавров). При сжигании ископаемое топливо выделяет углекислый газ. Поэтому чем больше нефти сжигается, тем больше углекислого газа выбрасывается в атмосферу, способствуя глобальному потеплению [ 1 ].
Биотопливо может стать лучшим источником энергии. Биотопливо можно производить из растений, таких как кукуруза, сахарный тростник и соя. Поскольку они производятся из растений, которые мы можем продолжать выращивать, биотопливо считается возобновляемым и устойчивым, что означает, что мы можем производить этот вид энергии постоянно [ 2 ]. Однако производство биотоплива требует больших затрат. Для создания биотоплива из растительной биомассы требуется множество сложных процессов. Поэтому многие люди по-прежнему считают, что нефть - более выгодный выбор, но при этом игнорируют долгосрочные экологические проблемы.
На протяжении многих лет ученые работают над совершенствованием производства биотоплива. Например, для производства биотоплива из сахарного тростника сахар извлекается из тростникового сока и используется для производства биоэтанола (разновидности топлива) в процессе, называемом ферментацией. Однако после процесса экстракции остается много отходов биомассы и сахара. Недавнее исследование, проведенное в Бразилии, показало, что если извлечь остатки сахара, то производство биотоплива можно удвоить [ 3 ]! Биотопливо, произведенное из биомассы сахарного тростника, называется биотопливом второго поколения.
Производство биотоплива второго поколения включает в себя множество этапов (рис. 1). Важнейшим этапом является осахаривание: ферменты используются для расщепления оставшейся биомассы сахарного тростника. Ферменты - это белки, и, как и все белки, они состоят из цепочек субъединиц, называемых аминокислотами (которые состоят из атомов). Ферменты ускоряют химические реакции, например, расщепление других веществ. Отходы сахарного тростника и ферменты смешиваются в большом резервуаре, где ферменты расщепляют отходы и выделяют сахар. Различные ферменты обладают разной способностью выделять сахар из отходов сахарного тростника [ 5 ]. Улучшение менее эффективных ферментов может стать хорошей стратегией для совершенствования этого этапа производства биотоплива. Компьютеры могут быть использованы для определения наиболее важных характеристик эффективных ферментов, а затем эти характеристики помогут ученым разработать ферменты, которые будут более эффективными.
Как компьютеры меняют ситуацию?
Ученые могут использовать генную инженерию для создания ферментов, которые более эффективно помогают химическим реакциям протекать быстрее. Генная инженерия - сложный процесс. Она включает в себя изменение структуры фермента и изучение того, как мутации влияют на его работу. Существуют миллионы возможных мутаций и их комбинаций - например, фермент с 400 аминокислотами может получить 19 400 аминокислотных мутаций! Ученый не сможет создать и протестировать все эти мутации! Вместо этого можно использовать компьютеры для моделирования мутаций, выделяя наиболее перспективные из них для проверки в лабораторных экспериментах. Специальные компьютерные программы могут моделировать структуры молекул, например ферментов, на основе последовательностей их ДНК. Некоторые программы даже используют графические карты (традиционно используемые для запуска игр), чтобы показать функции мутантных ферментов в виде фильма [ 4 ]!
Алгоритм: Сложное слово для обозначения простой вещи
Компьютеры мощны, но и у них есть ограничения. Если мы хотим, чтобы компьютер что-то сделал, необходимо создать пошаговую процедуру. Эта процедура называется алгоритмом. Например, чтобы создать лучший фермент, мы должны сначала понять структуру исходного фермента. Каждый фермент имеет уникальную подпись, почти как отпечаток пальца, основанную на типах атомов, которые он содержит. Ферменты состоят из нескольких атомов, связанных между собой химическими взаимодействиями. Атомы - это очень маленькие частицы, и расстояния между ними также крошечные. Типы и расположение атомов в ферменте определяют его форму, функции и эффективность производства биотоплива. Таким образом, мы создали алгоритм, анализирующий каждый атом и его соседей, чтобы получить сигнатуру фермента. С помощью компьютеров мы можем представить сигнатурные схемы ферментов математически, используя список чисел [ 6 ]. Затем, используя простые уравнения, мы можем рассчитать расстояние между числами, чтобы определить, насколько похожи ферменты друг на друга. Похожие ферменты будут иметь схожие сигнатуры и, возможно, выполнять схожие функции.
Затем мы предложили возможные мутации для неэффективных ферментов, чтобы сделать их сигнатуры более похожими на сигнатуры эффективных ферментов. Для этого мы рассчитали расстояния между сигнатурами ферментов. Это может показаться немного запутанным. Посмотрите на рисунок 2, чтобы лучше понять. Помните: похожие ферменты будут иметь похожие сигнатуры. Кроме того, ферменты с похожими подписями будут ближе, чем ферменты с разными подписями. Поэтому мы можем использовать расстояния для сравнения эффективных и неэффективных ферментов. Например, представьте, что синий фермент - это известный эффективный фермент для производства биотоплива (не волнуйтесь, многие другие ученые уже исследовали этот вопрос). Кроме того, розовый и зеленый ферменты - это два мутанта, полученные с помощью генной инженерии (к сожалению, у нас нет дополнительной информации о них). Основываясь на нашем алгоритме, можно предположить, что розовый фермент - самый эффективный мутант для производства биотоплива, поскольку его сигнатурная точка находится ближе к сигнатурной точке синего фермента (эффективного), чем к точке зеленого (другого мутанта).
Как компьютеры сравнивают ферменты-мутанты?
Предположим, что сигнатура каждого фермента подобна звезде на небе. Звезды можно объединить в созвездия. Как мы узнаем, какие звезды принадлежат к одному созвездию? Они будут ближе, а их расположение и выравнивание образуют некоторые (слегка) узнаваемые формы. Мы можем использовать формы и расстояния между звездами, чтобы определить, к каким созвездиям они принадлежат. Если вы знаете созвездия, то сможете легко увидеть их, взглянув на ночное небо. Но ваш мозг уже знает формы созвездий. Компьютер их не знает, поэтому его нужно учить. Усвоив основы, компьютер просто должен повторить математику. А компьютеры особенно хороши в вычислениях! Предположим, вы можете обнаружить созвездие за 1 с. В этом случае компьютер с хорошим алгоритмом сможет обнаружить миллиарды созвездий менее чем за секунду.
Представьте, что мы смотрим на сияющую звезду в прекрасную ночь и видим, что она принадлежит созвездию Козерога. А теперь представьте, что у нас есть волшебная сила, позволяющая перемещать звезды - толкать их в произвольных направлениях. Предположим, мы хотим переместить нашу звезду в созвездие Стрельца. Поэтому, используя свою силу, мы несколько раз перемещаем нашу звезду, пока она не остановится ближе к Стрельцу (рис. 3).
Аналогию можно провести и для компьютерного моделирования мутаций ферментов. Каждая звезда представляет собой фермент, используемый в производстве биотоплива. Созвездие Козерога представляет набор ферментов, которые неэффективны для производства биотоплива. Стрелец представляет эффективные ферменты. Магическая сила" движущихся звезд представляет собой способность компьютера моделировать мутации. Мутации могут происходить естественным путем, но этот процесс зависит от многих факторов и может занимать миллионы лет. Генная инженерия позволяет ученым быстро вносить мутации в структуру молекулы, что позволяет повысить ее активность (или понизить).
Мы моделируем мутации, изменяя случайные части фермента. Затем мы наблюдаем, будет ли мутировавший фермент иметь сигнатуру, более близкую к известным эффективным или неэффективным ферментам. Если мутация делает сигнатуру фермента более похожей на сигнатуру эффективных ферментов, мы можем предположить, что мутантный фермент будет иметь характеристики, схожие с эффективными. Затем ученые могут создать и протестировать эту мутацию в лаборатории, чтобы проверить, действительно ли мутировавший фермент более эффективен в производстве биотоплива.
Заключение
За последние несколько лет было проведено множество исследований, направленных на улучшение ферментов для производства биотоплива. Однако лабораторные тесты стоят дорого и занимают много времени. Используя компьютерное моделирование, мы можем проводить миллионы тестов за считанные секунды. Хотя они не так точны, как лабораторные тесты, компьютерные результаты могут помочь ученым определить, какие лабораторные тесты, скорее всего, дадут положительный результат. Разработка алгоритмов для биологических целей не является чрезвычайно сложной задачей, если вы хорошо понимаете суть биологической проблемы и знаете язык программирования (мы рекомендуем Python).
Компьютеры - одно из самых удивительных технологических достижений человечества. Благодаря им произошла революция в науках о жизни, ученые смогли усовершенствовать биотехнологические продукты, такие как биотопливо, хлеб, вино, сыр, йогурт и многие другие продукты питания, а также открыть новые важные вакцины и лекарства. Чтобы продолжить этот путь, нам нужны профессионалы, хорошо разбирающиеся как в компьютерах, так и в биологии. Похоже на вас? Если да, то однажды вы сможете внести свой вклад в научные открытия, которые могут изменить мир. Так что присоединяйтесь к нам!
