الشبكة العصبية «خيميرا» تكشف البنية ثلاثية الأبعاد للجينوم لدى الحيوانات والنباتات

ابتكر علماء معلوماتية حيوية روس شبكة عصبية باسم «خيميرا»، لا تكتفي بالتنبؤ بالبنية ثلاثية الأبعاد للجينوم، بل تكشف أيضًا القوانين التي تحكم تنظيمه المكاني لدى مختلف الكائنات الحية، من الخمائر البسيطة والطحالب إلى الإنسان.

كيف تعمل البنية ثلاثية الأبعاد للحمض النووي

لا يتوزع الحمض النووي داخل الخلية بشكل عشوائي، بل ينتظم في بنية معقدة ثلاثية الأبعاد. فالسلسلة الجزيئية تلتف وتنطوي وتتفاعل مع نفسها، لتشكّل ما يشبه جغرافيا كاملة داخل النواة. ويؤثر هذا التنظيم مباشرة في تحديد الجينات المفعّلة والجينات المعطّلة. وتتفاعل مقاطع الحمض النووي القريبة من بعضها في الفضاء، وهذا ما يحدد نشاط الجينات.

لم تتعلم الشبكة العصبية «خيميرا» تصوير هذه البنية فحسب، بل تعلمت أيضًا التنبؤ بتأثير التغيرات في تسلسل الحمض النووي في موضعه ثلاثي الأبعاد. ويمنح ذلك العلماء أداة لفهم سبب إمكانية أن تؤدي الطفرة نفسها إلى عواقب مختلفة بحسب موقعها في الجينوم.

• التنبؤ بالبنية ثلاثية الأبعاد انطلاقًا من تسلسل الحمض النووي
• الكشف عن أنماط تنظيم الجينوم لدى مختلف الأنواع
• توقّع تأثير الطفرات في التكوين المكاني للكروموسومات
• إمكانية التطبيق على كائنات تمتد من البكتيريا إلى الثدييات
• سرعة حساب تبلغ آلاف الجينومات يوميًا بدلًا من أشهر من العمل اليدوي

عمومية تشمل جميع الكائنات الحية

الميزة الرئيسية لـ«خيميرا» هي عموميتها. فنموذج واحد مدرَّب قادر على التنبؤ ببنية الجينوم لدى الخمائر والطحالب والنباتات والإنسان. ويعود ذلك إلى أن المبادئ الأساسية للتنظيم ثلاثي الأبعاد للحمض النووي متشابهة لدى جميع الكائنات الحية، إذ حافظ التطور على الآليات الجوهرية لتعبئة المادة الوراثية.

كان تدريب نموذج منفصل لكل نوع من الكائنات أمرًا معتادًا في السابق، وكان يستهلك موارد حسابية كبيرة. وأظهر الباحثون الروس أنه يمكن العثور على مبادئ مشتركة تعمل عبر الأنواع. ويفتح ذلك الطريق أمام تحليل أسرع وأقل كلفة لجينومات الأنواع الجديدة من الكائنات.

لماذا نحتاج إلى هذه التقنية

فهم البنية ثلاثية الأبعاد للجينوم بالغ الأهمية في عدة مجالات. ففي الطب، يساعد على تفسير كيف تؤدي الطفرات الجينية إلى الأمراض؛ فقد تكون الطفرة نفسها خطيرة أحيانًا وغير مؤثرة أحيانًا أخرى بحسب تأثيرها في التشكّل ثلاثي الأبعاد للحمض النووي. وفي الهندسة الوراثية، يساعد على تحرير الجينومات بدقة أكبر عبر التنبؤ بالآثار الجانبية. وفي تطوير الأدوية، يتيح فهم تفاعل المواد الكيميائية مع الحمض النووي بسرعة أكبر.

«الأمر أشبه بتعلّم قراءة جغرافيا المدينة، لا مجرد عناوين المنازل»،

هكذا وصف أحد المؤلفين جوهر هذا الابتكار.

ماذا يعني ذلك

يمثل ما أنجزه العلماء الروس إسهامًا جادًّا في مجال المعلوماتية الحيوية على المستوى العالمي. فالنموذج القادر على العمل بكفاءة متساوية مع أنواع مختلفة من الكائنات يوفّر الوقت والموارد الحسابية في الأبحاث. وقد يسرّع ذلك تطوير أدوية جديدة، ويحسّن فهم الأمراض الوراثية، ويفتح آفاقًا جديدة في علم الأحياء التركيبي.