Ensimmäinen täydellinen tietokonemalli eliöstä

Stanfordin yliopiston tutkijat ovat onnistuneet tuottamaan ensimmäisen täydellisen tietokonemallin elävästä organismista. 

Biosuunnittelun (bioengineering) apulaisprofessorin Markus Covertin johtama työryhmä käytti lähteenään yli 900 tutkimusraporttia selvittäessään Mycoplasma genitalium-bakteerin kaikki molekyylitoiminnot. M. genitalium on maailman pienin bakteeri.

Uusi tietokonemalli auttaa tutkijoita selvittämään ongelmia, joita olisi muutoin vaikea tutkia. Se toimii myös ponnahduslautana tietokoneohjatulle suunnittelulle biologian ja lääketieteen alalla.

"Kattavat tietokonemallit elävistä soluista auttavat meitä ymmärtämään solun toimintoja sekä ne tarjoavat uuden näkökulman sairauksien diagnoosiin ja hoitoon." kertoo johtaja James M. Anderson USA:n valtiollisesta terveysvirastosta.


Informaatiosta ymmärrykseen

Valtaosa kokeellisesta biologian tutkimuksesta on lähtökohdiltaan reduktionista: biologit sammuttavat eliöstä yhden geenin ja katsovat mitä tapahtuu. "Monet meitä kiinnostavat asiat eivät kuitenkaan ole vain yhdestä geenistä riippuvaisia, vaan ne johtuvat useiden geenien monimutkaisesta yhteistoiminnasta", sanoo Covert.
Näin tapahtuva biologinen tutkimus on tuottanut valtavasti informaatiota, mutta kukaan ei oikein tiedä miten tästä tietomäärästä saisi aikaiseksi ymmärrettävän kokonaisuuden. Kattavat tietokonemallit auttavat tämän suuren tietomäärän järjestämisessä ja käsittelyssä, joka muutoin olisi ihmiselle mahdotonta. "Et voi ymmärtää miten joku toimii, ennekuin olet valmistanut sellaisen itse", sanoo tutkimusryhmän jäsen Jayodita Sanghvi.


Pieni on kaunista

M. genitalium on vaatimaton bakteeri, jota tavataan ihmisen virtsa- ja hengitysteissä. Sillä on pienin tunnettu genomi - vain 525 geeniä eli huomattavasti vähemmän kuin perinteisellä laboratoriobakteerilla, E. colilla, jolla on 4288 geeniä. Lajin genomin pienuus on tehnyt tästä seksikontaktien välityksellä leviävästä bakteerista  houkuttelevan tutkimuskohteen. Esimerkiksi J. Craig Venter käytti sitä valmistaessaan ensimmäisen synteettisen genomin vuonna 2008. "Tämän tutkimuksen päämääränä ei ole vain ollut ymmärtää M. genitaliumia paremmin, vaan lisätä ymmärtämystämme biologista kokonaisuutena.", sanoo tutkimusryhmän jäsen Jonathan Karr.
Genomin pienestä koosta huolimatta Stanfordin yliopiston tutkijat joutuivat syöttämään valtavan määrän informaatiota virtuaaliseen solumalliinsa. Valmiissa mallissa on yli 1900 kokeellisesti määriteltyä parametria. Näiden erilaisten parametrien yhdistämiseksi yhdeksi koneistoksi, tutkijat jakoivat yksilölliset biologiset prosessit 28:aan erilliseen moduliin, joilla kaikilla on omat algoritminsa. Modulit säännöllisesti kommunikoivat toistensa kanssa muodostaen kokonaisuuden, joka läheisesti muistuttaa M. genitaliumin toimintaa.

Solun tietokonemalli tarjoaa tutkimusmahdollisuuksia, joita olisi vaikea toteuttaa elävillä soluilla, sekä mahdollistaa aikaisempien tutkimustulosten uudelleen arvioinnin. "Jos sinulla on olemassa malli, joka ohjaa kokeitasi, niin silloin löydät uudet asiat nopeammin. Me olemme osoittaneet tämän moneen kertaan." sanoo Covert.


Bio-CAD

Tietokoneavusteinen suunnittelu - CAD - on mullistanut suunnittelutyön tehokkuuden ja tuottavuuden monilla eri aloilla. Mutta biologisten järjestelmien vähäinen ymmärtämisemme on estänyt tämän teknologian käytön biosuunnittelussa. Solujen tietokonemallit, kuten tämä M. genitaliumin malli, voi tuoda älykkään suunnittelun myös biologiaan, mahdollistaen jopa uusien mikro-organismien luomisen. Kysymykseen voisi tulla erityisesti suunnitellut bakteerit tai hiivat lääkeaineiden tuotantoon, Karr visioi.
Bio-CAD voisi joskus tulevaisuudessa tuottaa myös henkilökohtaisesti räätälöityjä lääkkeitä. "Tässä olisi potentiaalia myös uudeksi Ihmisgenomi-projektiksi", Karr sanoo. "Ihmisen tietokonemallin tuottaminen vaatisi todella laajaa yhteistyötä."


Mielenkiintoista. Tutkijat ovat vuosien ponnistelujen jälkeen tulleet siihen tulokseen, että eläviä organismeja voidaan tuottaa älykkään suunnittelun keinoin. Sciencedailyn artikkelissa oli intelligent-sana kuitenkin korvattu sanalla rational. Ehkäpä siksi, että intelligent sana olisi viitannut ID:hen eli älykkääseen suunnitteluun, joka ei tiedeyhteisön mielestä ole tiedettä, eikä Sciencedaily haluaa mitenkään tukea älykkään suunnittelun teoriaa. Jos biologit suunnittelevat kokonaan uusia organismeja, niin eikö se ole tiedettä? Entä voisimmeko me siinä tapauksessa etsiä älykkään suunnittelun merkkejä näistä tuotteista? Olisiko meillä mahdollisuus jollain keinolla tunnistaa biosuunnittelun tuottama organismi älykkään suunnittelun tuotteeksi, vaikka emme tietäisi sitä etukäteen? Ts. emme tietäisi onko organismi ns. alkuperäinen maapallon asukas vai uusi luomus. Ja jos voisimme, niin mitä nämä keinot olisivat? Entä miten me erottaisimme älykkäästi suunnitellut organismit evoluution tuotteista, koska niissä olisi väistämättä hyvin samankaltaisia ominaisuuksia?
 
Mielenkiintoista on myös, että artikkelissa ei viitattu missään vaiheessa evoluutioon, vaikka biologiassa minkään ei pitäisi käydä järkeen muutoin, kuin evoluution valossa, joka yhä kirkkaana loistaa tässä pimeässä maailmassa.



Lähde:

http://www.sciencedaily.com/releases/2012/07/120721091451.htm