W internecie jest wszystko [caption id=“attachment_90” align=“alignright” width=“300”] Wzrost ilości danych w NCBI jest wykładniczy (źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Class/MLACourse/Original8Hour/Intro/index.html)[/caption] Nie wiem, jak to jest w innych dziedzinach nauki. Ale we współczesnej biologii każdy, kto ma komputer i dostęp do internetu może zostać biologiem. Po pierwsze, dzięki publicznym bazom danych i istnieniu czasopism naukowych typu Open Access dostępność do wyników prac innych uczonych jest zupełnie bezprecedensowa. Interesuje Cię genom pana Watsona (tego od DNA)? O, tu można go pobrać. Chcesz mieć kod genetyczny mamuta albo neandertalczyka? Chcesz się dowiedzieć czegoś o ewolucji człowieka bezpośrednio z prac naukowych, a nie z popularnonaukowych książek? Wszystko jest.

Bioinformatyka dla każdego

Ale to jeszcze nie wszystko. Otóż w ostatnich latach doszło do eksplozji technik pozwalających na szybkie zbieranie znacznych ilości danych. Teraz jest ich więcej, niż naukowcy są w stanie przetworzyć i zrozumieć. Oto szansa dla prawie każdego: wszystko, czego potrzeba do profesjonalnych badań naukowych można ściągnąć z internetu. W biologii naukowców pracujących głównie przy komputerze nazywa się bioinformatykami, ale to nazwa bardzo myląca: w większości są to biolodzy, którzy lubią komputery, albo matematycy i fizycy, którzy lubią biologię. Poza tym pod tą nazwą kryje się multum różnych technik, które można zastosować do prawie każdej dziedziny biologii. Tak, jak współczesny ekolog lub neurobiolog rutynowo korzystają z technik biologii molekularnej, tak wykorzystują też różne podejścia bioinformatyczne. Żeby coś odkryć, nie trzeba nawet wstawać od komputera.

Malaria i komputery [caption id=“attachment_95” align=“alignleft” width=“287”] Zarodziec malarii infekuje czerwone krwinki[/caption] Każdy wie, jak olbrzymim problemem jest malaria – co rok umiera na nią prawie milion ludzi, w większości dzieci. Problemy z leczeniem malarii są dwa. Po pierwsze, malarię wywołuje organizm eukariotyczny – czyli ewolucyjnie znacznie bliżej spokrewniony nam, ludziom, niż bakterie. Antybiotyki, które działają na bakterie, mogą niszczyć najbardziej podstawowe funkcje komórek bakteryjnych i jednocześnie nie mieć wpływu na komórki naszego organizmu. Ale komórka zarodźca malarii (Plasmodium falciparum) znacznie bardziej przypomina ludzką - np. zawiera bardzo podobne enzymy do syntezy DNA czy białek, i leki antymalaryczne rzadko są obojętne dla organizmu człowieka.

Po drugie, jak każdy żywy organizm, zarodźce malarii ewoluują – i nabywają oporności() na leki. Chlorochinon, do niedawna jeden z najskuteczniejszych (i tanich) leków przeciw malarii, w tej chwili jest niemal bezużyteczny. Dlatego ciągle trzeba szukać nowych leków – a nowe leki są drogie, zbyt drogie dla Afryki.
[() Oporność to nie to samo co odporność. To drugie dotyczy nabytej odporności organizmów posiadających swoisty układ immunologiczny. Bakterie i inne mikroorganizmy nabywają oporność (resistance) drogą doboru naturalnego.]

W roku 1999 w Science ukazał się bardzo elegancki artykuł (Jomaa et al.) pokazujący, jak niewiele trzeba, by odkryć nowy lek na malarię. Wszystkich kluczowych odkryć dokonano przy komputerze, z wykorzystaniem narzędzi dostępnych każdemu.

Fosmidomycyna

Każdy słyszał o sterydach i cholesterolu. Produkcja tych substancji związana jest silnie z izoprenoidami – substancjami powszechnie występującymi u bakterii, zwierząt i roślin. Aby organizm mógł syntetyzować te związki, potrzebny jest szlak metaboliczny – w uproszczeniu, coś w rodzaju taśmy produkcyjnej w fabryce: pewna liczba enzymów, które stopniowo katalizują reakcje chemiczne tak, by w końcu osiągnąć docelowy produkt. Często możliwe są alternatywne sposoby syntezy różnych związków. Tak jest w przypadku izoprenoidów: organizmy eukariotyczne korzystają z jednego szlaku (mewalonowego), a bakterie i organelle takie jak chloroplasty – z innego (szlak DOXP). Gdy pod koniec lat 90 udostępniono znaczną część genomu malarii, uczeni na próżno szukali enzymów charakterystycznych dla szlaku mewalonowego. Jomaa et al. wpadli jednak na pomysł, by poszukać sekwencji charakterystycznych dla enzymów z bakteryjnego szlaku DOXP – i udało się! Przy pomocy narzędzi bioinformatycznych pokazano, że zarodziec malarii syntetyzuje izoprenoidy tak, jak bakterie – a nie tak, jak człowiek.

Reszta była już prosta: od lat znano antybiotyk, fosmidomycynę, który blokuje u bakterii dokładnie ten szlak, a jednocześnie jest prawie neutralny dla organizmu człowieka – bo człowiek nie posiada enzymów ze szlaku DOXP, syntetyzuje izoprenoidy wykorzystując enzymy ze szlaku mewalonowego. W międzyczasie zakończono już testy kliniczne i fosmidomycynę stosuje się w leczeniu chorych na malarię.

Zbyt piękne, żeby było prawdziwe

Oczywiście, podałem przykład dość podstępny. Z jednej strony odkrycia fosmidomycyny jako leku na malarię mógł dokonać każdy z nas. Wszystkie potrzebne bazy danych i programy są ogólnie dostępne w sieci (w Linuksie stworzenie cutting-edge środowiska do pracy bioinformatyka to jedno polecenie). Tym niemniej jednak coś o tej biologii trzeba wiedzieć (chociażby co to jest szlak mewalonowy) i śledzić literaturę (by wiedzieć, że zarodziec malarii tego szlaku nie ma). Ale w tej chwili jedno i drugie jest dostępne prawie każdemu. Można prowadzić własne badania, a można też po prostu patrzeć uczonym na ręce. To nie LHC – można mieć laboratorium na swoim laptopie.

Post scriptum (sierpień 2014)

W międzyczasie fosmidomycyna jest w trzeciej fazie testów klinicznych. Niestety, okazało się, że mutacja w bliżej nieznanym białku pasożyta wywołuje odporność na ten antybiotyk. Otóż okazuje się, że owe białko robi dokładnie to, co fosmidomycyna – spowalnia syntezę izoprenoidów. Jeśli podawany jest antybiotyk, to mutanci z niefunkcjonalnym “hamulcem” będą nadal syntetyzować dostateczną ilość isoprenoidów – nawet w obecności antybiotyku. Szczegóły:

http://www.news-medical.net/news/20140724/Researchers-uncover-how-malaria-parasite-becomes-resistant-to-fosmidomycin-drug.aspx

Komentarze

Original post