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Rompendo os modelos tradicionais: Por que a análise de equilíbrio de fluxo é uma virada de jogo na bioengenharia?
No campo da bioengenharia moderna, a Análise de Balanço de Fluxo (FBA) está mudando rapidamente nossa compreensão do metabolismo microbiano com sua eficiência e precisão computacional únicas. FBA é um modelo matemático que pode simular os processos metabólicos das células usando a reconstrução da rede metabólica em todo o genoma. Através da FBA, podemos prever com eficácia o fluxo metabólico das células sob diferentes condições, o que é de grande importância em muitos campos, como biocombustíveis e desenvolvimento de novos medicamentos.
O ponto forte do FBA é sua eficiência, permitindo o cálculo do fluxo metabólico em estado estacionário em grandes modelos com mais de 10.000 reações em apenas alguns segundos.
O núcleo do FBA é baseado na interação entre metabólitos, identificando os metabólitos envolvidos em diversas reações nas células e os genes que codificam enzimas que catalisam essas reações. Esta reconstrução de todo o genoma fornece uma compreensão abrangente de como os microrganismos utilizam nutrientes e os convertem em produtos alvo, como produtos químicos industriais, como etanol e ácido succínico.
Muitos modelos metabólicos tradicionais requerem grandes quantidades de dados de entrada, tornando mais difícil construí-los com a precisão desejada. A FBA, por outro lado, reduz significativamente a necessidade de entrada de dados, minimizando ou maximizando o fluxo de cada reação, tornando assim as simulações mais fáceis e altamente operáveis.
Além disso, o FBA também pode ser amplamente utilizado na engenharia de bioprocessos para otimizar a rede metabólica de microrganismos e aumentar o rendimento dos produtos alvo durante a fermentação. Também demonstrou seu potencial na identificação de potenciais alvos de medicamentos em câncer e patógenos e pode facilitar o projeto racional de meios de cultura e o estudo das interações patógeno-hospedeiro.
Os resultados da FBA podem ser visualizados usando diagramas de fluxo, que ilustram claramente o fluxo em estado estacionário transportado por cada reação durante a glicólise.
Relembrando a história da FBA, já na década de 1980, Papoutsakis demonstrou a possibilidade de construir equações de equilíbrio de fluxo através de mapas metabólicos. Posteriormente, Watson introduziu os conceitos de programação linear e funções objetivo para resolver o fluxo nas vias metabólicas. Foram esses primeiros estudos que lançaram as bases para o desenvolvimento da FBA, tornando-a hoje uma ferramenta essencial na bioengenharia.
Ao simular redes metabólicas, a FBA geralmente envolve a exclusão de reações e a alteração das restrições de fluxo. Entre eles, a deleção de reação única e a deleção de reação pareada são métodos comumente usados, que podem ajudar os pesquisadores a identificar reações que são críticas para a produção de biomassa ou estudar potenciais alvos de medicamentos. No entanto, o sucesso desta abordagem também depende da construção de uma matriz completa e precisa de resposta genética-proteína (GPR), para que o impacto dos defeitos genéticos num organismo possa ser avaliado com precisão.
Suprimir a reação em vez de removê-la completamente, simulando-a restringindo o fluxo através dela, pode ajudar a compreender os efeitos da inibição da reação.
À medida que o escopo das aplicações FBA se expande, desde a otimização dos meios de crescimento até a dissecação das interações patógeno-hospedeiro, a popularidade desse método aumentou significativamente. Múltiplas melhorias na Viabilidade e Usabilidade tornam as aplicações apoiadas pela FBA cada vez mais importantes, tanto nas ciências básicas como nas aplicadas.
Com pesquisas aprofundadas sobre o metabolismo microbiano, o potencial de desenvolvimento futuro da FBA não se limita apenas às suas aplicações industriais e médicas, mas também pode redefinir a forma como interagimos com os organismos. No entanto, você também espera saber quais novos avanços e possíveis desafios a combinação da FBA e outras tecnologias trará?
