Naukowcy ze Stanford University (USA) stworzyli pierwszy na świecie kompletny komputerowy model żywego organizmu. Zastosowanie tego typu technologii usprawni analizowanie danych eksperymentalnych oraz pozwoli na przeprowadzanie doświadczeń uwzględniających wiele różnych, lecz oddziałujących na siebie parametrów.
Przez ostatnie dziesięciolecia biologia zmieniła znacznie swoje oblicze. W obecnych czasach brak danych nie jest już dłużej głównym czynnikiem limitującym postęp. Prawdziwym problemem staje się natomiast odpowiednie uporządkowanie ogromu zdobytych informacji.
Uzyskanie pełnego obrazu działania systemów biologicznych jest bardzo trudne i dlatego większość badań bazuje nadal na tzw. podejściu redukcjonistycznym, które zakłada, że właściwości każdego złożonego układu można wyjaśnić analizując zachowanie się poszczególnych jego części.
Przykładowo role poszczególnych sekwencji DNA sprawdza się blokując ich aktywność i obserwując w jaki sposób zmiana ta wpływa na funkcjonowanie całego organizm. Tego typu metody, stanowią jednak często zbyt duże uproszczenie.
“Wiele interesujących nas kwestii nie jest problemami dotyczącymi pojedynczych genów. Są one złożonym wynikiem setek, a nawet tysięcy interakcji genowych.” - mówi Markus Covert za Stanford University, którego zespół stworzył ostatnio pierwszy na świecie pełny komputerowy model żywego organizmu.
W swoim projekcie naukowcy wykorzystali bakterię Mycoplasma genitalium, czyli pasożyta żyjącego w drogach moczowo-płciowych i oddechowych naczelnych. Ich wybór wynikał z faktu, że mikroorganizm ten posiada najmniejszy spośród poznanych do tej pory genomów. Zawiera on w sobie zaledwie 525 genów, czyli ponad osiem razy mniej niż DNA Pałeczki okrężnicy Escherichia coli.
Mimo tak wielkiego ułatwienia, do zaprojektowania wirtualnej komórki potrzeba było uwzględnić aż 1900 różnych parametrów. Aby połączyć je ze sobą, naukowcy stworzyli 28 osobnych modułów, z których każdy był regulowany za pomocą oddzielnych algorytmów. Dzięki temu, że komunikowały się one ze sobą w regularnych odstępach czasu, tworzyły razem jednolity model przypominający prawdziwą bakterię.
Projekt ten jest więc zbiorem ogromnej ilości danych, których rozmiar przerastałby zdolności poznawcze człowieka. Jego wykorzystanie pozwala na prowadzenie doświadczeń uwzględniających wiele różnych czynników, niemożliwych do przeanalizowania w tradycyjny sposób.
Przykładem może być zagadnienie związane z długością cyklu komórkowego bakterii, który choć jest stały, to czas trwania poszczególnych jego stadiów różni się pomiędzy pojedynczymi komórkami. Wykorzystując model komputerowy naukowcy odkryli, że procesy te mogą być regulowane na drodze negatywnego sprzężenia zwrotnego. Bakterie u których replikacja DNA trwa dłużej niż zazwyczaj, mają więcej czasu na gromadzenie wolnych nukleotydów używanych podczas następnego etapu, czyli formowania się nowych nici DNA. Komórki, które pierwsze stadium przechodziły znacznie szybciej, nie posiadały nadwyżki nukleotydów stanowiących czynnik limitujący tempo replikacji.
Dokonane w ten sposób odkrycia pozostają jedynie hipotezami i muszą być udowadniane za pomocą eksperymentów przeprowadzanych w realnym świecie. Zastosowanie wirtualnych modeli pozwali jednak ograniczyć ilość wykonywanych prób i dzięki temu przyspieszy znacznie prowadzenie badań naukowych, m.in. w takich dziedzinach jak medycyna i bioinżynieria zajmująca się prowadzeniem procesów biotechnologicznych na skalę przemysłową.
Modelowanie komputerowe umożliwi również na „hurtową” produkcję mikroorganizmów, takich jak np. drożdże wykorzystywane podczas pozyskiwania biofarmaceutyków. Są to jednak niestety zaledwie odległe plany, od których realizacji dzieli nas jeszcze długa droga.
Anna Kurcek
źródło: Stanford researchers produce first complete computer model of an organism
KOMENTARZE