επιστήμη

Οι βιομηχανικοί αναπτύσσουν αλγόριθμους για τη σύγκριση κυττάρων μεταξύ ειδών – με εντυπωσιακά αποτελέσματα

Οι ερευνητές δημιούργησαν έναν αλγόριθμο για τον εντοπισμό παρόμοιων τύπων κυττάρων από είδη – συμπεριλαμβανομένων ψαριών, ποντικών, σκουληκιών και σφουγγαριών – που έχουν απομονωθεί για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, βοηθώντας να καλύψουν τα κενά στην κατανόησή μας για την εξέλιξη.

Τα κύτταρα είναι τα δομικά στοιχεία της ζωής, τα οποία υπάρχουν σε κάθε ζωντανό οργανισμό. Αλλά πώς νομίζετε ότι τα κελιά σας μοιάζουν με ποντίκι; ένα ψάρι? Ενα σκουλήκι?

Η σύγκριση τύπων κυττάρων σε διαφορετικά είδη στο δέντρο της ζωής μπορεί να βοηθήσει τους βιολόγους να κατανοήσουν πώς προήλθαν οι τύποι των κυττάρων και πώς προσαρμόστηκαν στις λειτουργικές απαιτήσεις διαφορετικών μορφών ζωής. Αυτό έχει όλο και περισσότερο ενδιαφέρον για τους εξελικτικούς βιολόγους τα τελευταία χρόνια, καθώς η νέα τεχνολογία επιτρέπει τώρα σε όλα τα κύτταρα να αλληλουχηθούν και να ταυτοποιηθούν σε ολόκληρους οργανισμούς. Ο Μπο Γουάνγκ, επίκουρος καθηγητής βιομηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, εξήγησε, “Υπάρχει ουσιαστικά ένα κύμα στην επιστημονική κοινότητα για την ταξινόμηση όλων των τύπων κυττάρων σε μια μεγάλη ποικιλία διαφορετικών οργανισμών.”

Σε απάντηση αυτής της ευκαιρίας, το εργαστήριο του Wang ανέπτυξε έναν αλγόριθμο για το συνδυασμό τύπων κυττάρων παρόμοιων με τις εξελικτικές αποστάσεις. Η μέθοδος του περιγράφεται λεπτομερώς σε μια δημοσίευση που δημοσιεύθηκε στις 4 Μαΐου 2021. ΕΛΙΦ, Έχει σχεδιαστεί για να συγκρίνει τύπους κυττάρων σε διαφορετικά είδη.

Για την έρευνά τους, η ομάδα χρησιμοποίησε επτά είδη για να συγκρίνει 21 διαφορετικά ζεύγη και κατάφερε να εντοπίσει τύπους κυττάρων που υπάρχουν σε όλα τα είδη με τις ομοιότητες και τις διαφορές τους.

Σύγκριση τύπων κελιών

Σύμφωνα με τον Alexander Tarashansky, μεταπτυχιακό φοιτητή στη βιομηχανική που εργάζεται στο εργαστήριο του Wang, η ιδέα της δημιουργίας ενός αλγορίθμου ήρθε όταν ο Wang μπήκε στο εργαστήριο μια μέρα και τον ρώτησε αν μπορούσε να μελετήσει τον τύπο κυττάρων από δύο διαφορετικά σκουλήκια σε ένα εργαστήριο μελέτη Μπορεί να αναλύσει σύνολο δεδομένων. Την ίδια στιγμή.

READ  Τρεις ιδιώτες πολίτες πληρώνουν 55 εκατομμύρια δολάρια ο καθένας για ταξίδια στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό

«Έμεινα έκπληκτος με το πόσες διαφορές υπάρχουν μεταξύ τους», δήλωσε ο Ταρσάνσκι, ο οποίος ήταν ο κύριος συγγραφέας της εφημερίδας και ένας διεπιστημονικός συνεργάτης του Stanford Bio-X. «Σκεφτήκαμε ότι θα έπρεπε να έχουν παρόμοια είδη κυττάρων, αλλά όταν προσπαθούμε να τα αναλύσουμε χρησιμοποιώντας τυπικές τεχνικές, η μέθοδος δεν τα αναγνωρίζει ως πανομοιότυπα».

Αναρωτήθηκαν αν αυτό ήταν πρόβλημα με την τεχνική ή εάν οι τύποι κυττάρων ήταν πολύ διαφορετικοί για να ταιριάζουν μεταξύ των ειδών. Στη συνέχεια, ο Tarashansky άρχισε να εργάζεται πάνω σε αλγόριθμους για να ταιριάζει καλύτερα με τους τύπους κυττάρων μεταξύ των ειδών.

«Ας υποθέσουμε ότι θέλω να συγκρίνω ένα σφουγγάρι με έναν άνθρωπο», είπε ο Ταρασάνσκι. “Δεν είναι ξεκάθαρο ποιο γονίδιο σπόγγου ταιριάζει με το ανθρώπινο γονίδιο γιατί καθώς οι οργανισμοί εξελίσσονται, τα γονίδια αντιγράφονται, αλλάζουν, επαναλαμβάνονται ξανά. Και έτσι τώρα έχετε ένα γονίδιο στο σφουγγάρι που μπορεί να σχετίζεται με πολλά γονίδια στον άνθρωπο.”

Αντί να προσπαθεί να βρει ένα προς ένα γονίδιο που ταιριάζει, όπως οι προηγούμενες μέθοδοι για την αντιστοίχιση δεδομένων, η μέθοδος χαρτογράφησης των ερευνητών ταιριάζει με όλα τα πιθανά σχετικά ανθρώπινα γονίδια με ένα γονίδιο στο σφουγγάρι. Ο αλγόριθμος στη συνέχεια προχωρά για να ανακαλύψει ποιο είναι σωστό.

Ο Tarashansky λέει ότι υπάρχουν περιορισμένοι επιστήμονες που προσπαθούν να βρουν μόνο ζεύγη γονιδίων ένας προς έναν που ψάχνουν να χαρτογραφήσουν τύπους κυττάρων στο παρελθόν. “Νομίζω ότι η κύρια καινοτομία εδώ είναι ότι είμαστε υπεύθυνοι για τα χαρακτηριστικά που έχουν αλλάξει κατά τη διάρκεια εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών ανάπτυξης για συγκρίσεις μεγάλων αποστάσεων.”

“Πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τα συνεχώς εξελισσόμενα γονίδια για να αναγνωρίσουμε τους ίδιους τύπους κυττάρων που αλλάζουν συνεχώς σε διαφορετικά είδη;” Είπε ο Wang, ο οποίος είναι ο ανώτερος συγγραφέας της εφημερίδας. «Η εξέλιξη έχει γίνει κατανοητή χρησιμοποιώντας γονίδια και οργανικά χαρακτηριστικά, νομίζω ότι βρισκόμαστε τώρα σε μια συναρπαστική στροφή για να γεφυρώσουμε τις κλίμακες εξετάζοντας την ανάπτυξη των κυττάρων».

READ  Οι αστρονόμοι παρατηρούν για πρώτη φορά το θάνατο ενός μακρινού γαλαξία

Συμπληρώνοντας το δέντρο της ζωής

Χρησιμοποιώντας την προσέγγιση χαρτογράφησής τους, η ομάδα ανακάλυψε αρκετές οικογένειες γονιδίων και τύπων κυττάρων στο είδος.

Ο Tarashansky είπε ότι ένα από τα κυριότερα σημεία της έρευνας ήταν όταν συγκρίνουν τα βλαστικά κύτταρα μεταξύ δύο διαφορετικών επίπεδων σκουληκιών.

“Το γεγονός ότι έχουμε έναν αγώνα ένας προς έναν στον πληθυσμό των βλαστοκυττάρων τους ήταν πραγματικά συναρπαστικό”, είπε. “Νομίζω ότι βασικά ξεκλειδώθηκαν πολλές νέες και συναρπαστικές πληροφορίες σχετικά με το πώς φαίνονται τα βλαστικά κύτταρα μέσα σε ένα παρασιτικό επίπεδο σκουλήκι που μολύνει εκατοντάδες εκατομμύρια ανθρώπους σε όλο τον κόσμο.”

Τα αποτελέσματα της χαρτογράφησης της ομάδας υποδηλώνουν επίσης ότι υπάρχει ισχυρή προστασία των χαρακτηριστικών των νευρώνων και των μυϊκών κυττάρων από πιο πολύπλοκα θηλαστικά, όπως ένας πολύ απλός τύπος ζώου, όπως σφουγγάρια, ποντίκια και άνθρωποι.

“Στην πραγματικότητα υποδηλώνει τύπους κυττάρων που γεννήθηκαν πολύ πριν από την ανάπτυξη των ζώων”, δήλωσε ο Wang.

Τώρα που η ομάδα έχει δημιουργήσει το εργαλείο σύγκρισης κυττάρων, οι ερευνητές μπορούν να συνεχίσουν να συλλέγουν δεδομένα για διαφορετικούς τύπους ειδών για ανάλυση. Καθώς συλλέγονται και συγκρίνονται περισσότερα σύνολα δεδομένων από περισσότερα είδη, οι βιολόγοι θα είναι σε θέση να εντοπίσουν τις τροχιές των κυτταρικών τύπων σε διαφορετικούς οργανισμούς και να βελτιώσουν την ικανότητα αναγνώρισης νέων τύπων κυττάρων.

“Εάν έχετε μόνο σφουγγάρια και έπειτα έντομα και χάνετε τα πάντα ενδιάμεσα, είναι δύσκολο να μάθετε πώς εξελίχθηκαν οι τύποι των σφουγγαριών ή πώς οι πρόγονοί τους διαφοροποιήθηκαν σε σφουγγάρια και σκουλήκια”, δήλωσε ο Tarshansky. «Θέλουμε να γεμίζουμε όλο και περισσότερους κόμβους με το δέντρο της ζωής για να μπορούμε να διευκολύνουμε αυτόν τον τύπο εξελικτικής ανάλυσης και τη μεταφορά γνώσεων σε είδη.»

READ  Το CDC δηλώνει ότι περισσότεροι από 101 εκατομμύρια Αμερικανοί έχουν εμβολιαστεί πλήρως κατά του COVID-19

Παραπομπές: «Η χαρτογράφηση ενός άτλαντα ενός κυττάρου στα μεταζώα εκθέτει την εξέλιξη του τύπου των κυττάρων» από τους Alexander J. Tarshansky, Jacob M. Musser, Margarita Kharitan, Pengyang Li, Detlev Arendt, Stephen R. Quake και Bo Wang, 4 Μαΐου 2021, ΕΛΙΦ.
DOI: 10.7554 / eLife.66747

Πρόσθετοι συν-συγγραφείς του Στάνφορντ περιλαμβάνουν μεταπτυχιακούς φοιτητές Μαργαρίτα Χαριτάν και Πενγκγιάνγκ Λι, και Στίβεν Κουκέ, Lee Otterson Καθηγητής Βιομηχανικής και Καθηγητής Εφαρμοσμένης Φυσικής, και συμπρόεδρος του Chan Zuckerberg Biohub. Άλλοι συν-συγγραφείς είναι από το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας και το Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης. Ο Wang είναι επίσης μέλος του Stanford Bio-X και του Wu Tsai Neurosciences Institute. Ο Quake είναι επίσης μέλος του Bio-X, του Stanford Cardiovascular Institute, του Stanford Cancer Institute και του Wu Tsai Neurosciences Institute.

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Stanford Bio-X, ένα βραβείο Beckman Young Investigator και τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας. Ο Wang και ο Quake θα βασιστούν σε αυτό το έργο ως μέρος της Πρωτοβουλίας Neuro-Omics που χρηματοδοτείται από το Ινστιτούτο Νευροεπιστημών Wu Tsai.

Related Articles

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Back to top button
Close
Close