استفاده از ریاضیات برای کنترل میکروب‌ها !

انسان‌ها قرن‌هاست که از قدرت میکروب‌ها استفاده می کنند، به عنوان مثال از مخمر برای تهیه نان و ماست استفاده می‌کنند. این موجودات زنده برای ما مفید هستند زیرا واکنش های شیمیایی را به عنوان بخشی از زندگی روزمره خود انجام می دهند.

امروزه می‌توانیم از میکروب‌ها برای تولید بسیاری از ترکیبات شیمیایی با ارزش مانند سوخت‌های زیستی (از جمله متان و اتانول) و محصولات پزشکی (مانند آنتی بیوتیک ها) استفاده کنیم. همچنین با از بین بردن مواد آلی محلول می‌توان از میکروارگانیسم ها برای بازیافت پساب استفاده کرد.

طی دو دهه گذشته، دانشمندان تحقیق کرده‌اند که چگونه انسان می‌تواند از سیستم‌های جدید زیستی استفاده کند سیستم‌هایی که در طبیعت وجود ندارد. به عنوان مثال، باکتری‌ها می‌توانند از نظر ژنتیکی اصلاح شوند تا به عنوان "حسگرهای زیستی" عمل کنند و در حضور برخی از ترکیبات مانند روغن یا حتی عوامل بیماری زا روشن شوند.

ما همچنین می توانیم این گونه‌ها را مهندسی کنیم تا با میکروب‌های دیگر کار کنند، که می تواند منجر به سیستم‌های کاملاً جدید زیستی با قابلیت‌های پیشرفته شود. طی 10 سال گذشته، استفاده از این کنسرسیوم های میکروبی (یا جمعیت‌های مشترک) رایج شده است. با پیوند دادن میکروب‌های مختلف مهندسی شده با یکدیگر، جامعه جدید شکل می‌گیرد که می‌تواند وظایف مختلفی را انجام دهد.

به عنوان مثال، اگر یکی از دو گونه در هنگام مصرف گلوکز برای انجام یک کار خاص (مانند تولید یک ماده با ارزش) استات تولید کند (که سمی است)، می توان یک نوع دوم ازمیکروب‌های مهندسی شده را "برای خوردن" استات به کار گرفت تا سم زدایی از محیط انجام شود.

پژوهشگران به دنبال کنترل میکروب ها با ریاضیات هستند. این تلاش ها نه تنها زیست شناسان، بلکه نظریه پردازان کامپیوتر و سیستم و همچنین ریاضیدانان را به خود جلب کرده است. ابزارهای عددی پیشرفته به ما کمک می کند تا رفتار سیستم های زیستی را درک و پیش بینی کنیم. بسیاری از ابزارهای ریاضی وجود دارند که به عنوان مثال، می‌توانیم رفتار سیستم های توصیف شده توسط یک مدل، از جمله پایداری و واکنش آنها به تأثیرات خارجی را مطالعه کنیم. با انجام این کار، می توان یک رفتار مطلوب را در میکروب ها اعمال کرد و بنابراین روند زیستی آنها را بهینه کرد.

به عنوان مثال ، باکتری‌ها عاشق گلوکز هستند هرچه مقدار گلوکز در محیط آنها بیشتر باشد، رشد آنها نیز بیشتر می‌شود. بنابراین، دانشمندان می توانند الگوریتم هایی را تنظیم کنند که مقدار گلوکز را برای تنظیم غلظت یا رفتار این باکتری ها متناسب با نیاز زیست شناسان تنظیم کند. همچنین تحریک میکروب ها با استفاده از ترکیبات شیمیایی سبک یا خاص امکان پذیر است.

این وظایف به همین آسانی که به نظر می رسد نیستند. سیستم های زیستی ذاتاً نامطمئن هستند: بسیاری از عوامل می‌توانند رفتار این سیستم ها را تغییر دهند و به راحتی نیز شناسایی نمی شوند.

بنابراین مدل های ریاضی مورد استفاده برای کنترل سیستم های زیستی می توانند نادرست باشند یا در توصیف رفتار یا کنش متقابل بین سلول و محیط آن ناکام باشند. برای کنار آمدن با این مسئله، الگوریتم های ما باید قوی باشند.

پیچیدگی هنگام کنترل جامعه ای با انواع مختلف میکروب ها افزایش می یابد. به عنوان مثال، آنها ممکن است برای غذای موجود رقابت کنند، که می تواند منجر به انقراض یکی از گونه های میکروب شود.