Περιγράφοντας ένα επίτευγμα που αποτελεί ορόσημο για την υπολογιστική βιολογία, επιστήμονες από το αμερικανικό πανεπιστήμιο του Stanford και το Ινστιτούτο J. Craig Venter ανακοίνωσαν με άρθρο τους στο περιοδικό Cell πως δημιούργησαν στον υπολογιστή το πρώτο λειτουργικό μοντέλο ενός ολόκληρου μικροοργανισμού. Με επικεφαλής τον Markus Covert, καθηγητή εμβιομηχανικής στο πανεπιστήμιο, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα λογισμικό που προσομοιώνει όλες τις βιοχημικές διεργασίες που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής του Mycoplasma genitalium, ενός βακτηρίου που συνήθως προσβάλλει τα γεννητικά όργανα. Αν και το γονιδίωμα του M. genitalium είναι το μικρότερο μεταξύ των έμβιων οργανισμών, για να τα καταφέρουν οι επιστήμονες χρειάστηκε να συνδυάσουν δεδομένα από 900 και πλέον εργασίες.
Υπολογιστική βιολογία
Αναπαράγοντας το σύνολο των λειτουργιών ενός μικροοργανισμού σε ψηφιακό περιβάλλον, η ομάδα από το Stanford εκπλήρωσε ένα στόχο που είχε θέσει εδώ και αρκετά χρόνια η υπολογιστική βιολογία. Αλλωστε, παρόλο που το μοντέλο αναπαράγει τη συμπεριφορά του συγκεκριμένου βακτηρίου, «θα μας επιτρέψει να διαλευκάνουμε στοιχεία που απασχολούν γενικά τη βιολογία», σημειώνει ο Covert σε συνέντευξή του στο σάιτ του πανεπιστημίου. Ετσι, το λογισμικό υπόσχεται να βοηθήσει τους επιστήμονες να εξετάσουν ερωτήματα που δεν μπορούν να απαντήσουν αλλιώς, φέρνοντας στο φως νέα στοιχεία σχετικά με τις κυτταρικές λειτουργίες. Και ανοίγει τον δρόμο για τη μοντελοποίηση και άλλων κυττάρων, για παράδειγμα ευκαρυωτικών, τα οποία θα δώσουν την ευκαιρία στους βιολόγους να δοκιμάζουν γρήγορα και με μικρό κόστος τους «εικονικούς» κλώνους νέων υποψήφιων φαρμάκων.
Το λογισμικό του πανεπιστημίου του Stanford έρχεται σε μία εποχή όπου, έπειτα από δύο περίπου δεκαετίες ερευνών και πειραμάτων, η βιολογία έχει συσσωρεύσει έναν τεράστιο όγκο πληροφοριών για τις λειτουργίες των κυττάρων. Ετσι, πλέον το πρόβλημα για τους ερευνητές δεν είναι κυρίως το πώς θα ανακαλύψουν καινούργια δεδομένα, αλλά το πώς θα συνδυάσουν όσα γνωρίζουν ήδη. Για παράδειγμα, ένα μεγάλο ποσοστό των πειραμάτων αφορά τη λειτουργία μεμονωμένων γονιδίων, συνήθως δημιουργώντας μικροοργανισμούς από τους οποίος απουσιάζει το συγκεκριμένο γονίδιο, και παρατηρώντας τις ιδιότητές τους.
«Πολλά από τα θέματα και τις ασθένειες όμως που ερευνούμε δεν ανάγονται στη λειτουργία ενός συγκεκριμένου τμήματος του DNA, αλλά είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης εκατοντάδων ή και χιλιάδων γονιδίων», προσθέτει ο Covert στην ίδια συνέντευξη. Ετσι, η μόνη λύση είναι να συνδυαστούν όλα τα σχετικά δεδομένα στο ίδιο κύτταρο – κάτι που μπορεί να γίνει πολύ εύκολα σε ένα «ψηφιακό αντίγραφό» του. «Μόνο αν αναπαράγεις κάτι, μπορείς να καταλάβεις πώς πραγματικά λειτουργεί», σημειώνει χαρακτηριστικά.
525 γονίδια
Το Mycoplasma genitalium, το οποίο προσβάλλει επίσης τους πνεύμονες προκαλώντας λοιμώξεις, έχει εξαιρετικά μικρό γονιδίωμα – το οποίο αποτελείται από μόλις 525 γονίδια, συγκριτικά με τα 4.288 γονίδια του E. coli, ενός βακτηρίου που χρησιμοποιείται ακόμη συχνότερα σε έρευνες. Παρ’ όλα αυτά, η μοντελοποίησή του μόνο εύκολη δεν ήταν, καθώς στο λογισμικό έπρεπε να ενσωματωθούν πάρα πολλά δεδομένα. Είναι χαρακτηριστικό ότι στο μοντέλο αναπαράγονται περισσότερες από 1.900 διαφορετικές παράμετροι που αφορούν τη λειτουργία του μικροοργανισμού και οι οποίες έχουν προσδιοριστεί πειραματικά.
Γι’ αυτό τον σκοπό, οι ερευνητές χώρισαν τα βιομόρια που υπάρχουν στο βακτήριο σε 28 ανεξάρτητες κατηγορίες, αναπτύσσοντας για κάθε μία από αυτές και έναν ξεχωριστό αλγόριθμο. Επειτα από το τέλος οποιασδήποτε διεργασίας, οι επιμέρους αλγοριθμικές κατηγορίες μπορούν να «αλληλεπιδρούν» μεταξύ τους, έτσι ώστε στο σύνολό τους να αντιγράφουν εξαιρετικά πιστά τη συμπεριφορά του «πραγματικού» βακτηρίου. Το λογισμικό «τρέχει» σε 128 υπολογιστές και ο κλώνος του M. genitalium χρειάζεται περίπου 10 ώρες για να διπλασιαστεί, όσο και το πραγματικό βακτήριο.