2014-01-18
Autor: nTimes

Bioinformatyka – kopalnia (bez) DNA. Będą precyzyjne leki

Bio-Genom

Zbadanie genetycznego podłoża chorób czy podatności na nie wymaga analizy niezwykle skomplikowanych zbiorów danych. Zajmuje się tym bioinformatyka. Polski naukowiec pracujący w USA dokonał przełomu w tej dziedzinie.

W 2003 r. pierwszy raz zsekwencjonowano ludzki genom, czyli odczytano kolejność ponad 3 mld nukleotydów tworzących nici DNA człowieka. Wydawało się wówczas, że jesteśmy o krok od poznania największych sekretów naszego życia, związanych z długowiecznością, wyglądem czy cechami charakteru. Sądzono również, że szybko uda się zidentyfikować geny odpowiedzialne za predyspozycje do wielu chorób. Wyłączając lub zmieniając ich ekspresję, można by oddalać lub wręcz likwidować widmo pojawienia się choroby.

Okazało się to jednak bardziej skomplikowane. Rzadko spotyka się bowiem proste zależności między genem a daną chorobą. Przykładowo, pacjentka może mieć mutację, czyli wadę genu, związaną z powstawaniem raka piersi, ale to nie oznacza, że zachoruje na raka. Dlaczego? Geny tworzą niezwykle złożone sieci powiązań. To sieci, a nie pojedyncze geny czy ich mutacje, decydują o tak złożonych procesach biologicznych jak powstawanie nowotworów. Interakcje między genami mogą wywołać wzmożenie aktywności jednych i wyciszanie innych, zastąpienie funkcji pewnych genów przez inne lub całkowitą zmianę ich funkcji. Innymi słowy – mutacja w jednym genie zwykle nie powoduje choroby. Trzeba też liczyć się z wpływem środowiska, stylem życia, dietą i wieloma czynnikami modyfikującymi aktywność i powiązania sieci genów. Tysiące naukowców na całym świecie pracuje dziś nad zbieraniem i analizą tych danych.

Początkowo główną barierą postępu medycyny opartej na genetyce był koszt sekwencjonowania genomu. Zakończony w 2003 r. proces poznania ludzkiego genomu (Human Genome Project, HUGO Project) kosztował około miliarda dolarów. W ciągu jednej dekady koszt ten spadł do 5 tys. dol. i wciąż maleje. Dzięki coraz lepszej i tańszej technologii uzyskujemy coraz więcej danych dotyczących DNA, a także RNA – przekaźnika w produkcji białek, samych białek, jak i ich licznych modyfikacji, zmieniających w sposób gwałtowny ich funkcje. Dziś barierą dla poznania funkcji białek nie jest samo uzyskiwanie informacji genetycznej, ale jej gromadzenie, odczytywanie i przetwarzanie – tak, by z bezmiaru danych wydobyć przydatną wiedzę.

Klasyczne podejście biologa, badającego jedno białko czy gen, już nie wystarcza. Potrzebne jest spojrzenie kompleksowe, uwzględniające współdziałanie wielu genów i białek, jak i wzajemnych wpływów. To zaś jest niezwykle skomplikowane. I nie tylko dlatego, że owych sieci nie da się uwidocznić. Bo nawet gdyby to się udało, ciężko byłoby cokolwiek z plątaniny tysięcy szlaków, węzłów i rozgałęzień wyczytać. Dla ogarnięcia tej wiedzy i wyciągania z niej logicznych wniosków niezbędne są nowoczesne metody analityczne. Dlatego w ostatnich latach tak szybko rozwija się biologia obliczeniowa, czyli bioinformatyka. Wprowadza ona do biologii myślenie systemowe, oparte na zaawansowanych metodach matematycznych i informatycznych.

Biblioteka genów

Janusz-Dutkowski-thumbDr Janusz Dutkowski, polski bioinformatyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego (e-mail: janusz@ucsd.edu), we współpracy z prof. Treyem Idekerem i innymi naukowcami z tegoż uniwersytetu, Uniwersytetu Stanforda oraz z Instytutu Maxa Plancka w Dreźnie, dokonali w tej dziedzinie ważnego postępu. W styczniowym numerze prestiżowego „Nature Biotechnology” opisali nową metodę analizy sieci oddziaływań międzygenowych, która może radykalnie zmienić dotychczasowy system pozyskiwania i katalogowania informacji zawartych w DNA.

Jak naukowcy, którzy z setkami tysięcy danych o genach zmagają się na co dzień, radzili sobie do tej pory? – Cała dotychczasowa wiedza o genach i ich już potwierdzonych lub dopiero potwierdzanych funkcjach i procesach jest katalogowana w biologicznej bazie danych zwanej Ontologią Genów (GO) – wyjaśnia dr Dutkowski. Tę genetyczną bibliotekę tworzy wąska grupa biologów. Kolejne geny i informacje dodają oni do GO na podstawie literatury naukowej, co jest bardzo żmudne i długotrwałe. Praktycy, zajmujący się np. tworzeniem nowych leków na podstawie danych genetycznych, chcieliby ten proces przyspieszyć. Poza tym przy decyzjach o włączaniu informacji do GO nie brakuje elementów „naukowej polityki”. Choć GO jest ciągle obowiązującym genetycznym standardem, ogranicza się do wiedzy już opublikowanej i skażona jest autorytarnymi poglądami ekspertów. Informacje o pewnych genach po prostu do GO nie weszły, ograniczając postęp w poznawaniu DNA.

Metoda zaproponowana przez dr. Dutkowskiego, nosząca nazwę NeXO (Network-eXtracted Ontology) – jak mówią w komentarzu w „Nature Biotechnology” jedni z pierwszych twórców GO – może proces tworzenia tego genetycznego almanachu znacznie ulepszyć. Zaawansowane algorytmy z NeXO przerabiają zbiory danych genetycznych, złożone z tysięcy pomiarów, na gotową do odczytania informację. Okazuje się, że automatycznie stworzona mapa interakcji genów pokazuje większą liczbę elementów i zależności biologicznych niż GO. Co więcej, do jej tworzenia nie trzeba godzin pracy ekspertów. Wystarczy program komputerowy.

– W przeciwieństwie do GO, nasza metoda ma bardzo ciekawą cechę: nie przedstawia tylko tego, co dotychczas opisano w literaturze naukowej, a więc co już znamy. Nowy system dzięki inteligentnym algorytmom bioinformatycznym wskazuje na dotychczas niezbadane, a potencjalnie ważne połączenia między genami – mówi dr Dutkowski. NeXO tworzy więc nie tylko mapę znanych interakcji, ale również system drogowskazów, wskazujący badaczom elementy DNA, którymi powinni się zająć, szukając przyczyn chorób lub innych zależności w genomie. Te zalety zadecydowały, że uczeni pracujący nad GO zaczęli używać NeXO do analizy funkcji genów i białek. Każdy nowy zbiór danych genomowych będzie mógł być teraz automatycznie przeanalizowany i włączony do ontologii, uzupełniając brakującą wiedzę.

Human-Genome

12

SKOMENTUJ

Zaloguj się i napisz komentarz.

Poznaj Chiny

Artykuły w Kategoriach:

Ziemia Nocą

Teleskop Hubble'a