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Rompere i modelli tradizionali: perché l'analisi del bilancio di flusso rappresenta un punto di svolta nella bioingegneria?
Nel campo della bioingegneria moderna, l'analisi del bilancio di flusso (FBA) sta rapidamente cambiando la nostra comprensione del metabolismo microbico grazie alla sua efficienza e precisione computazionali uniche. L'FBA è un modello matematico in grado di simulare i processi metabolici delle cellule utilizzando la ricostruzione della rete metabolica dell'intero genoma. Attraverso la FBA possiamo prevedere in modo efficace il flusso metabolico delle cellule in diverse condizioni, il che è di grande importanza in molti campi come quello dei biocarburanti e dello sviluppo di nuovi farmaci.
Il punto di forza di FBA è la sua efficienza, che consente il calcolo del flusso metabolico allo stato stazionario in modelli di grandi dimensioni con oltre 10.000 reazioni in pochi secondi.
Il nucleo dell'FBA si basa sull'interazione tra i metaboliti, identificando i metaboliti coinvolti in varie reazioni nelle cellule, e i geni che codificano per gli enzimi che catalizzano queste reazioni. Questa ricostruzione dell’intero genoma fornisce una comprensione completa di come i microrganismi utilizzano i nutrienti e li convertono in prodotti target come prodotti chimici industriali come l’etanolo e l’acido succinico.
Molti modelli metabolici tradizionali richiedono grandi quantità di dati di input, il che rende più difficile costruirli con la precisione desiderata. L'FBA, d'altro canto, riduce significativamente la necessità di immissione dei dati minimizzando o massimizzando il flusso di ciascuna reazione, rendendo così le simulazioni più semplici e altamente utilizzabili.
Inoltre, l'FBA può essere ampiamente utilizzato anche nell'ingegneria dei bioprocessi per ottimizzare la rete metabolica dei microrganismi e aumentare la resa dei prodotti target durante la fermentazione. Ha inoltre dimostrato il suo potenziale nell'identificazione di potenziali bersagli farmacologici nel cancro e nei patogeni e può facilitare la progettazione razionale dei terreni di coltura e lo studio delle interazioni ospite-patogeno.
I risultati dell'FBA possono essere visualizzati utilizzando diagrammi di flusso, che illustrano chiaramente il flusso stazionario trasportato da ciascuna reazione durante la glicolisi.
Guardando indietro alla storia della FBA, già negli anni '80, Papoutsakis aveva dimostrato la possibilità di costruire equazioni di bilancio del flusso attraverso mappe metaboliche. Successivamente, Watson introdusse i concetti di programmazione lineare e di funzioni obiettivo per risolvere il flusso nelle vie metaboliche. Sono stati questi primi studi a gettare le basi per lo sviluppo dell’FBA, rendendolo uno strumento essenziale nella bioingegneria odierna.
Quando si simulano le reti metaboliche, l'FBA spesso comporta l'eliminazione di reazioni e la modifica dei vincoli di flusso. Tra questi, l'eliminazione di reazioni singole e l'eliminazione di reazioni accoppiate sono metodi comunemente utilizzati, che possono aiutare i ricercatori a identificare le reazioni critiche per la produzione di biomassa o a studiare potenziali bersagli farmacologici. Tuttavia, il successo di questo approccio dipende anche dalla costruzione di una matrice di risposta gene-proteina (GPR) completa e accurata in modo che l’impatto dei difetti genetici su un organismo possa essere valutato con precisione.
Sopprimere la reazione anziché rimuoverla completamente, simulandola restringendo il flusso che la attraversa, può aiutare a comprendere gli effetti dell'inibizione della reazione.
Con l'espansione dell'ambito delle applicazioni FBA, dall'ottimizzazione dei terreni di crescita all'analisi delle interazioni ospite-patogeno, la popolarità di questo metodo è aumentata in modo significativo. Numerosi miglioramenti in termini di vitalità e usabilità rendono le applicazioni supportate da FBA sempre più importanti, sia nelle scienze di base che in quelle applicate.
Grazie ad una ricerca approfondita sul metabolismo microbico, il potenziale di sviluppo futuro dell'FBA non si limita solo alle sue applicazioni industriali e mediche, ma potrebbe anche ridefinire il modo in cui interagiamo con gli organismi. Tuttavia, sei ansioso di scoprire quali nuove scoperte e possibili sfide porterà la combinazione di FBA e altre tecnologie?
