Στάνφορντ, Καλιφόρνια
Το διάσημο πια ινστιτούτο του γενετιστή Κρεγκ Βέντερ, στο οποίο
δημιουργήθηκε το 2010 ο πρώτος οργανισμός με συνθετικό γονιδίωμα, συνεργάστηκε
με το Πανεπιστήμιο Στάνφορντ σε ένα εξίσου εντυπωσιακό επίτευγμα: δημιούργησε
το πρώτο υπολογιστικό μοντέλο που προσομοιώνει έναν ολόκληρο οργανισμό, ένα
βακτήριο που παρασιτεί στα ανθρώπινα γεννητικά όργανα.
Το λογισμικό τρέχει σε μια συστοιχία 128 ισχυρών υπολογιστών και προσομοιώνει σε πραγματικό χρόνο τη ζωή του Mycoplasma genitalium, ενός βακτηρίου που επιλέχθηκε για τη μελέτη επειδή αρκείται στο μικρότερο γονιδίωμα του κόσμου, αποτελούμενο από μόλις 525 γονίδια (ορισμένοι ιοί περιέχουν ακόμα λιγότερα γονίδια, δεν θεωρούνται όμως ζωντανοί οργανισμοί επειδή χρειάζονται για την αναπαραγωγή τους τους μοριακούς μηχανισμούς των κυττάρων που προσβάλλουν).
Παρόλο που το M.genitalium είναι ένας εξαιρετικά απλός οργανισμός, η προσομοίωσή του φέρνει τη σημερινή τεχνολογία στα όριά της, επισημαίνουν οι ερευνητές.
Ένα διαφορετικό είδος του γένους Mycoplasma αποτέλεσε εξάλλου τη βάση για τη «Σύνθια», τον πρώτο οργανισμό με γονιδίωμα εργαστηρίου.
Εικονικό κύτταρο
Η νέα έρευνα, η οποία δημοσιεύεται στην έγκριτη επιθεώρηση Cell, ανοίγει το δρόμο για τη δημιουργία ακόμα πιο περίπλοκων εικονικών μορφών ζωής, οι οποίες θα επιτρέψουν στους μοριακούς βιολόγους και τους γιατρούς να κατανοήσουν βασικές κυτταρικές διεργασίες που σχετίζονται με περίπλοκες ασθένειες όπως ο καρκίνος. Θα επιτρέψουν επίσης στις φαρμακοβιομηχανίες να σχεδιάζουν φάρμακα παρακάμπτοντας τις τεχνικά απαιτητικές και δαπανηρές εργαστηριακές δοκιμές.
Μέχρι σήμερα, ο σχετικά νέος ερευνητικός κλάδος της υπολογιστικής βιολογίας είχε καταφέρει να δημιουργήσει προσομοιώσεις μεμονωμένων μεταβολικών διαδικασιών, όπως η παραγωγή πρωτεϊνών με βάση την πληροφορία που κωδικοποιεί ένας μικρός αριθμός γονιδίων.
Το νέο επίτευγμα το μη κερδοσκοπικού Ινστιτούτου J. Craig Venter και του Στάνφορντ προχωρά τώρα ένα γιγάντιο άλμα μπροστά: το λογισμικό προσομοιώνει όλες τις αντιδράσεις ανάμεσα σε 28 κατηγορίες βιομορίων, συμπεριλαμβανομένου του DNA, του RNA και μικρών μορίων που ονομάζονται μεταβολίτες και παράγονται από τις κυτταρικές διεργασίες.
Για τη δημιουργία του εικονικού βακτηρίου, οι ερευνητές αξιοποίησαν τις πληροφορίες από 900 και πλέον επιστημονικές δημοσιεύσεις.
Από τον προγραμματισμό στη βιολογία
Η δημιουργία του υπολογιστικού μοντέλου βασίστηκε σε μια προσέγγιση που ονομάζεται «αντικειμενοστρεφής προγραμματισμός» και χρησιμοποιείται στην ανάπτυξη συστημάτων λογισμικού. Το τελικό πρόγραμμα αποτελείται από υπομονάδες που λειτουργούν ανεξάρτητα αλλά συνεργάζονται μεταξύ τους.
«Η βασική ιδέα μοντελοποίησης που είχαμε πριν μερικά χρόνια ήταν να μοιράσουμε τη λειτουργικότητα του κυττάρου σε υπομονάδες, τις οποίες μπορούσαμε να μοντελοποιήσουμε ανεξάρτητα, την καθεμία με δικά της μαθηματικά, και στη συνέχεια να ενσωματώσουμε αυτά τα υπομοντέλα σε ένα τελικό σύνολο» εξηγεί ο Μάρκους Κόβερτ, καθηγητής Εμβιομηχανικής στο Στάνφορντ και επικεφαλής της μελέτης.
Στην τελική μορφή του, το λογισμικό χρειάζεται 9 με 10 ώρες για να προσομοιώσει μία κυτταρική διαίρεση -περίπου όσο χρειάζεται το βακτήριο για να ολοκληρώσει μια διαίρεση στο φυσικό του περιβάλλον.
«Το ερώτημα που μας απασχολεί τώρα είναι τι θα συνέβαινε αν εφαρμόζαμε την ίδια προσέγγιση σε έναν μεγαλύτερο οργανισμό όπως η Escherichia coli [το καλύτερα μελετημένο βακτήριο] ή ακόμα και σε ένα ανθρώπινο κύτταρο» σχολιάζει ο Δρ Κόβερτ.
Όπως επισημαίνει, κάθε κύτταρο της E.coli φέρει 4.288 γονίδια, διπλασιάζεται σε μόλις 20 με 30 λεπτά και βασίζεται σε πολύ περισσότερες μοριακές αλληλεπιδράσεις. Θα ήταν άραγε δυνατό να προσομοιωθεί αυτό το περίπλοκο βακτήριο σε πραγματικό χρόνο;
«Θα έχω την απάντηση σε ένα-δύο χρόνια» υποστηρίζει ο Δρ Κόβερτ.
Το λογισμικό τρέχει σε μια συστοιχία 128 ισχυρών υπολογιστών και προσομοιώνει σε πραγματικό χρόνο τη ζωή του Mycoplasma genitalium, ενός βακτηρίου που επιλέχθηκε για τη μελέτη επειδή αρκείται στο μικρότερο γονιδίωμα του κόσμου, αποτελούμενο από μόλις 525 γονίδια (ορισμένοι ιοί περιέχουν ακόμα λιγότερα γονίδια, δεν θεωρούνται όμως ζωντανοί οργανισμοί επειδή χρειάζονται για την αναπαραγωγή τους τους μοριακούς μηχανισμούς των κυττάρων που προσβάλλουν).
Παρόλο που το M.genitalium είναι ένας εξαιρετικά απλός οργανισμός, η προσομοίωσή του φέρνει τη σημερινή τεχνολογία στα όριά της, επισημαίνουν οι ερευνητές.
Ένα διαφορετικό είδος του γένους Mycoplasma αποτέλεσε εξάλλου τη βάση για τη «Σύνθια», τον πρώτο οργανισμό με γονιδίωμα εργαστηρίου.
Εικονικό κύτταρο
Η νέα έρευνα, η οποία δημοσιεύεται στην έγκριτη επιθεώρηση Cell, ανοίγει το δρόμο για τη δημιουργία ακόμα πιο περίπλοκων εικονικών μορφών ζωής, οι οποίες θα επιτρέψουν στους μοριακούς βιολόγους και τους γιατρούς να κατανοήσουν βασικές κυτταρικές διεργασίες που σχετίζονται με περίπλοκες ασθένειες όπως ο καρκίνος. Θα επιτρέψουν επίσης στις φαρμακοβιομηχανίες να σχεδιάζουν φάρμακα παρακάμπτοντας τις τεχνικά απαιτητικές και δαπανηρές εργαστηριακές δοκιμές.
Μέχρι σήμερα, ο σχετικά νέος ερευνητικός κλάδος της υπολογιστικής βιολογίας είχε καταφέρει να δημιουργήσει προσομοιώσεις μεμονωμένων μεταβολικών διαδικασιών, όπως η παραγωγή πρωτεϊνών με βάση την πληροφορία που κωδικοποιεί ένας μικρός αριθμός γονιδίων.
Το νέο επίτευγμα το μη κερδοσκοπικού Ινστιτούτου J. Craig Venter και του Στάνφορντ προχωρά τώρα ένα γιγάντιο άλμα μπροστά: το λογισμικό προσομοιώνει όλες τις αντιδράσεις ανάμεσα σε 28 κατηγορίες βιομορίων, συμπεριλαμβανομένου του DNA, του RNA και μικρών μορίων που ονομάζονται μεταβολίτες και παράγονται από τις κυτταρικές διεργασίες.
Για τη δημιουργία του εικονικού βακτηρίου, οι ερευνητές αξιοποίησαν τις πληροφορίες από 900 και πλέον επιστημονικές δημοσιεύσεις.
Από τον προγραμματισμό στη βιολογία
Η δημιουργία του υπολογιστικού μοντέλου βασίστηκε σε μια προσέγγιση που ονομάζεται «αντικειμενοστρεφής προγραμματισμός» και χρησιμοποιείται στην ανάπτυξη συστημάτων λογισμικού. Το τελικό πρόγραμμα αποτελείται από υπομονάδες που λειτουργούν ανεξάρτητα αλλά συνεργάζονται μεταξύ τους.
«Η βασική ιδέα μοντελοποίησης που είχαμε πριν μερικά χρόνια ήταν να μοιράσουμε τη λειτουργικότητα του κυττάρου σε υπομονάδες, τις οποίες μπορούσαμε να μοντελοποιήσουμε ανεξάρτητα, την καθεμία με δικά της μαθηματικά, και στη συνέχεια να ενσωματώσουμε αυτά τα υπομοντέλα σε ένα τελικό σύνολο» εξηγεί ο Μάρκους Κόβερτ, καθηγητής Εμβιομηχανικής στο Στάνφορντ και επικεφαλής της μελέτης.
Στην τελική μορφή του, το λογισμικό χρειάζεται 9 με 10 ώρες για να προσομοιώσει μία κυτταρική διαίρεση -περίπου όσο χρειάζεται το βακτήριο για να ολοκληρώσει μια διαίρεση στο φυσικό του περιβάλλον.
«Το ερώτημα που μας απασχολεί τώρα είναι τι θα συνέβαινε αν εφαρμόζαμε την ίδια προσέγγιση σε έναν μεγαλύτερο οργανισμό όπως η Escherichia coli [το καλύτερα μελετημένο βακτήριο] ή ακόμα και σε ένα ανθρώπινο κύτταρο» σχολιάζει ο Δρ Κόβερτ.
Όπως επισημαίνει, κάθε κύτταρο της E.coli φέρει 4.288 γονίδια, διπλασιάζεται σε μόλις 20 με 30 λεπτά και βασίζεται σε πολύ περισσότερες μοριακές αλληλεπιδράσεις. Θα ήταν άραγε δυνατό να προσομοιωθεί αυτό το περίπλοκο βακτήριο σε πραγματικό χρόνο;
«Θα έχω την απάντηση σε ένα-δύο χρόνια» υποστηρίζει ο Δρ Κόβερτ.
Newsroom ΔΟΛ
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου