Nauka

Kopalnia (bez) DNA

Bioinformatyka - klucz do zrozumienia chorób

Komputerowy obraz sekwencji ludzkiego genomu. Komputerowy obraz sekwencji ludzkiego genomu. James King-Holmes/SPL / EAST NEWS
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.
Analiza bioinformatyczna umożliwi nie tylko poznanie mechanizmów odpowiedzialnych za powstawanie chorób. Pozwoli też projektować tzw. celowe leki.Wavebreakmedia Itd/PantherMedia Analiza bioinformatyczna umożliwi nie tylko poznanie mechanizmów odpowiedzialnych za powstawanie chorób. Pozwoli też projektować tzw. celowe leki.

Artykuł w wersji audio

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 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

Dr Janusz Dutkowski, polski bioinformatyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, 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.

Terapie na miarę

Nowe interakcje między genami ujawnione przez NeXO trzeba oczywiście zweryfikować w badaniach laboratoryjnych. Po sprawdzeniu mogą się okazać niezwykle przydatne m.in. do projektowania leków opartych na informacji genetycznej. NeXO ułatwia bowiem wyszukanie tych genów w liście danego pacjenta, których wspólne lub antagonistyczne działanie może z dużym prawdopodobieństwem być powodem np. choroby nowotworowej. Taka analiza będzie miała kapitalne znaczenie dla poznania procesów biologicznych związanych z nowotworzeniem, powstawaniem przerzutów lub zapobieganiem rozszerzania się nowotworu w organizmie. NeXO ma zatem szansę stać się jedną ze standardowych metod, dzięki którym pokonamy barierę związaną z przetwarzaniem ogromnej ilości danych genomicznych, zamieniając je w konkretną wiedzę biologiczną i medyczną.

Najciekawsza dla mnie w tej dziedzinie jest perspektywa ogromnej zmiany w biologii, medycynie i farmakologii – mówi dr Dutkowski. Nauki te dzięki bioinformatyce i nowym technologiom komputerowym mogą korzystać z naprawdę dużych i różnorodnych zbiorów danych. Właśnie dzięki temu będą się rozwijać jeszcze szybciej niż do tej pory. Bioinformatyka odgrywa już dziś kluczową rolę w biologii komórkowej, będącej podstawą medycyny genetycznej. Analiza bioinformatyczna danych tysięcy pacjentów umożliwia nie tylko poznanie skomplikowanych mechanizmów odpowiedzialnych za powstawanie chorób, ale pozwala także na tworzenie komputerowych modeli procesów komórkowych, pomagających w projektowaniu precyzyjniejszych niż do tej pory tzw. leków celowanych. – Właśnie takimi metodami chciałbym się zajmować we współpracy z biologami, lekarzami i firmami farmaceutycznymi – dodaje dr Dutkowski.

Jeśli postęp w tej dziedzinie będzie tak szybki, jak przewiduje polski naukowiec, to za kilka lub kilkanaście lat medycyna wykona niewyobrażalny skok jakościowy. Zasada „takie samo lekarstwo dla wszystkich” straci rację bytu. Powstaną terapie na miarę konkretnego pacjenta o poznanym genomie. Dostosowane będą do jego genetycznego podłoża, środowiska życia i innych czynników ważnych w wywoływaniu i przebiegu choroby. Co więcej, bioinformatyczna analiza całych populacji zapewne pozwoli na odkrycie zależności między podłożem genetycznym, środowiskiem i występowaniem chorób. W rezultacie umożliwi ona precyzyjne określenie prawdopodobieństwa wystąpienia choroby u danej osoby i dobrania odpowiedniej profilaktyki. To ciągle pieśń przyszłości, ale odkrycia, jak to opisane w „Nature Biotechnology”, dużymi krokami przybliżają ten moment.

Polityka 06.2013 (2894) z dnia 05.02.2013; Nauka; s. 58
Oryginalny tytuł tekstu: "Kopalnia (bez) DNA"
Więcej na ten temat
Reklama

Codzienny newsletter „Polityki”. Tylko ważne tematy

Na podany adres wysłaliśmy wiadomość potwierdzającą.
By dokończyć proces sprawdź swoją skrzynkę pocztową i kliknij zawarty w niej link.

Informacja o RODO

Polityka RODO

  • Informujemy, że administratorem danych osobowych jest Polityka Sp. z o.o. SKA z siedzibą w Warszawie 02-309, przy ul. Słupeckiej 6. Przetwarzamy Twoje dane w celu wysyłki newslettera (podstawa przetwarzania danych to konieczność przetwarzania danych w celu realizacji umowy).
  • Twoje dane będą przetwarzane do chwili ew. rezygnacji z otrzymywania newslettera, a po tym czasie mogą być przetwarzane przez okres przedawnienia ewentualnych roszczeń.
  • Podanie przez Ciebie danych jest dobrowolne, ale konieczne do tego, żeby zamówić nasz newsletter.
  • Masz prawo do żądania dostępu do swoich danych osobowych, ich sprostowania, usunięcia lub ograniczenia przetwarzania, a także prawo wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania, a także prawo do przenoszenia swoich danych oraz wniesienia skargi do organu nadzorczego.

Czytaj także

Kultura

Zapomniana historia Mietka Kosza

Film Macieja Pieprzycy „Ikar. Legenda Mietka Kosza” z brawurową rolą Dawida Ogrodnika przypomina wielką postać tytułowego niewidomego pianisty. To powód, by raz jeszcze zastanowić się nad wciąż nośnym mitem artysty straceńca.

Mirosław Pęczak
19.10.2019
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną