Przepis na życie

Rozszyfrowanie informacji zawartych w ludzkim genomie jest największym wyzwaniem nauki i techniki przełomu wieków. Gdy poznamy "przepis na żywy organizm" zapisany w sekwencji nukleotydów w tworzącym geny DNA, powstaną lekarstwa "szyte na miarę", skuteczne dla każdego. To będzie rewolucja bez porównania w dziejach świata, której los w znacznym stopniu zależy od mocy obliczeniowej komputerów.

Rozszyfrowanie informacji zawartych w ludzkim genomie jest największym wyzwaniem nauki i techniki przełomu wieków. Gdy poznamy "przepis na żywy organizm" zapisany w sekwencji nukleotydów w tworzącym geny DNA, powstaną lekarstwa "szyte na miarę", skuteczne dla każdego. To będzie rewolucja bez porównania w dziejach świata, której los w znacznym stopniu zależy od mocy obliczeniowej komputerów.

Powiększ

Kiedy 10 stycznia 2000 r. amerykańska firma biotechnologiczna Celera ogłosiła, że prawdopodobnie za kilka miesięcy zakończy, prowadzony z innymi prywatnymi firmami i międzynarodowym konsorcjum naukowym o nazwie Human Genome Project, wyścig, którego celem jest pełne rozszyfrowanie ludzkiej informacji genetycznej, niewiele osób zdawało sobie sprawę, iż o ostatecznym wyniku tej rywalizacji rozstrzygnie komputer. Komputery stały się podstawowym narzędziem genetyki, która jest przecież jedną z nauk "informatycznych". Badacze ludzkiego genomu, ale także genomów innych organizmów, stawiają sobie za najważniejszy cel odczytanie "przepisu na żywy organizm", zapisanego w sekwencji nukleotydów (A, C, T i G) w tworzącym geny DNA. I nie mówiąc już o tym, że w przypadku człowieka ten kompletny przepis składa się z ok. 3 mld liter i jedynym praktycznym sposobem na jego przechowanie jest umieszczenie go w komputerowym banku danych - sam proces "czytania" jest w dużym stopniu zautomatyzowany i skomputeryzowany.

Metodę, jaką zdecydował się zastosować szef Celery dr Craig Venter, można w skrócie opisać w następujący sposób. Cały zawarty w ludzkim genomie materiał genetyczny "szatkuje się" chaotycznie na stosunkowo krótkie odcinki o długości ok. 500 nukleotydów każdy. Odcinki te, po powieleniu, umieszcza się w specjalnych maszynach służących do automatycznego sekwencjonowania DNA, zwanych ABI 377 i ABI 3700 - w efekcie otrzymuje się odczyty milionów krótkich sekwencji A, C, G i T bez żadnej, rzec można, interpunkcji. Na pierwszy rzut oka nie wiadomo, który pochodzi z jakiego genu i nie wiadomo, gdzie jeden gen się kończy, a drugi zaczyna.

Venter zdecydował się użyć specjalnie napisanego programu, który dopasowuje do siebie poszczególne kawałki, porównując ich wspólne części i segregując na geny. Aby program mógł skutecznie wykonać swe zadanie, rozszyfrowane fragmenty muszą, po pierwsze, być rzeczywiście wytworzone przez chaotyczny podział po to, by w dostatecznym stopniu nawzajem na siebie zachodziły, zaś po drugie, przed ostateczną próbą ich poukładania we właściwej kolejności trzeba mieć znaczny "nadmiar" danych.

W praktyce sekwencja kompletnego genomu musi być odcyfrowana kilkakrotnie i punktem wyjścia w końcowej fazie ustalania kolejności ok. 3 mld nukleotydów są - w przypadku Celery - dane zawierające 5 mld zachodzących na siebie sekwencji. Może się to okazać za mało.

Już powodzenie pierwszego etapu sekwencjonowania - przy użyciu 240 komputerów ABI 3700, które Venter nabył dla Celery za ok. 80 mln USD - zależy od kontrolującego ich właściwe funkcjonowanie programu o nazwie Phred. Łatwo więc zrozumieć, że "czytanie genomów" jest w coraz większej mierze zadaniem raczej informatyków niż biologów. Venter ma doktorat w dziedzinie fizjologii i farmakologii, lecz jego "prawą ręką" w Celerze jest informatyk Eugene W. Myers, uchodzący za światowy autorytet w dziedzinie "biologii obliczeniowej" (computational biology). To on jest autorem programu "zszywającego" zsekwencjonowane fragmenty genomu w całość. Pewne wyobrażenie o tym, jak niezwykle skomplikowane jest to zadanie, daje fakt, że choć Celera jest w posiadaniu najszybszego komputera kiedykolwiek użytego w cywilnych badaniach, będzie on wiele miesięcy nieprzerwanie pracować nad rozwiązaniem tego problemu.

Infarmacja

Kiedy przed 10 laty formowało się międzynarodowe konsorcjum laboratoriów badawczych, które korzystając ze społecznych pieniędzy i dla dobra "czystej nauki" podjęło gigantyczne zadanie rozszyfrowania informacji zapisanych w ludzkim genomie, nikt nie mógł przewidzieć, że tak szybko ta dziedzina badań stanie się dla wielu przedsiębiorczych kapitalistów domeną niezwykle obiecujących inwestycji. W ostatnich latach bardzo szybko zaczęły powstawać nowe firmy, które swą specjalność określają słowami: genomika bądź bioinformatyka. Z wieloma słynnymi internetowymi kompaniami, takimi jak amazon.com, łączy je to, że na razie przynoszą na ogół wyłącznie straty i jeszcze przez wiele lat zamierzają pracować z "planowanym deficytem." Czym więc uzasadniona jest nadzieja zachłannych kapitalistów na odzyskanie z nawiązką zainwestowanych w genomikę i bioinformatykę pieniędzy?

Odpowiedzi na to pytanie łatwiej udzielić w jęz. angielskim - brzmi ona: targeted drug discovery. W jęz. polskim oznacza to wyeliminowanie przypadku z procesu odkrywania nowych lekarstw i całkowite odwrócenie kolejności jego etapów. Dotychczas kompanie farmakologiczne badały fizjologiczne efekty dziesiątek czy setek tysięcy rozmaitych substancji i gdy któreś z nich zdawały się mieć leczniczy efekt, usiłowały wykryć mechanizm jej biochemicznego oddziaływania na żywy organizm. Dzięki postępowi genomiki i bioinformatyki będziemy w przyszłości najpierw wiedzieć, jakie oddziaływanie chcemy uzyskać, a następnie będziemy projektować chemiczną cząsteczkę najlepiej spełniającą to zadanie.

Rewolucja w farmakologii medycznej, jaką może przynieść pełne odczytanie ludzkiego genomu, jest dziś trudna nawet do wyobrażenia. Trudny też do wyobrażenia jest ogrom pozostającej do wykonania pracy. Konkretny genom, nad którego rozszyfrowaniem pracuje Celera, jest genomem anonimowego dawcy (nie zdziwiłbym się specjalnie, gdyby był nim Venter - jest to też sposób na osiągnięcie nieśmiertelności). Na całym świecie nie ma jednak dwóch identycznych ludzi, ponieważ wiele genów, w szczególności geny "zawiadujące" naszym układem immunologicznym, występuje w wielu alternatywnych odmianach zwanych allelami. Niektóre z tych alleli różnią się między sobą pojedynczymi literami genetycznego kodu (nukleotydami) w jednej tylko pozycji w łańcuchu DNA. Jest to tak zwany jednonukleotydowy polimorfizm, znany pod angielskim skrótem SNP (Single-Nucleotide Polymorphism). Nasza indywidualna tożsamość - te tysiące drobnych szczegółów, w jakich różnimy się od, na przykład, anonimowego dawcy DNA badanego przez Celerę - zdefiniowana jest właśnie tymi pojedynczymi "literówkami". Od nich jednak, jak przypuszczają badacze, zależy także to, w jakiej mierze jesteśmy podatni na rozmaite choroby - niekoniecznie dziedziczne - a także to, jaka jest nasza indywidualna reakcja na poszczególne leki. Aby wyeliminować ich niekorzystne efekty uboczne, farmaceuci będą mogli w przyszłości, jak się przewiduje, produkować leki "szyte na indywidualną miarę", które będą na nasz organizm oddziaływać dokładnie w taki sposób, jak sobie tego życzymy.

Branża IT zwietrzyła interes

Tym właśnie tłumaczy się dlaczego - jak doniosła prasa w końcu stycznia - IBM, firma znana dotychczas raczej z zastosowań biurowych niż farmaceutycznych czy badań genetycznych, przyłączyła się do konsorcjum kompanii farmakologicznych o nazwie SNP Consortium, wnosząc wiano w wysokości 50 mln USD. Nie jest ona zresztą pierwszą informatyczną firmą, która zdecydowała się włączyć w badania nad ludzkim polimorfizmem. Już przed IBM znalazła się tam Motorola. Słynny komputer Deep Blue, który w meczu szachowym pokonał ongiś Garego Kasparowa, nie gra już zresztą w szachy, tylko pomaga w produkcji leków. Tymczasem IBM buduje kolejny superkomputer, nazwany "Błękitnym Genem" (Blue Gene), który będzie tysiąckrotnie szybszy od Deep Blue i będzie miał jedno zasadnicze zadanie - będzie sprawdzał, w jaki sposób zwija się w cząsteczkę białka łańcuch aminokwasów o określonej sekwencji. Problem tzw. trzeciorzędowej struktury cząsteczki białkowej, czyli jej dokładnego kształtu przestrzennego, jest jednym z najtrudniejszych problemów współczesnej biologii. Białka, które działają jako enzymy kontrolujące kierunek i szybkość wszelkich zachodzących w naszym organizmie procesów chemicznych, są wysoko specyficznymi chemicznymi katalizatorami, których działanie zależy właśnie od precyzyjnej konformacji ich cząsteczek.

Kto wie, może już w nie tak dalekiej przyszłości opiekę medyczną będzie nad nami roztaczać nasz medyczny komputer (medkom), w którego pamięci będzie przechowywany cyfrowy zapis całego naszego genomu. Kiedy się źle poczujemy, zanim jeszcze dotrze to do naszej świadomości, wszczepione w nasze tkanki czujniki przekażą medkomowi odpowiednie sygnały i uruchomi on zdalnie produkcję stosownych leków w scalonej fabryczce farmakologicznej, umieszczonej tuż nad naszą wątrobą. Psychoanalizą zajmować się będą oczywiście inne wyspecjalizowane komputery...

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200