Targeted ortholog search in unannotated genome assemblies with fDOG-Assembly

إن الحياة على كوكب الأرض مكتوبة بشفرة توجد داخل خلايا كل كائن حي، وهي عبارة عن مجموعة من التعليمات التي تخبر الكائن الحي بكيفية بناء نفسه والقيام بوظائفه. لقد أصبح العلماء بارعين جداً في قراءة الحروف الخام لهذه الشفرة، أي الحمض النووي (DNA)، من أنواع لا حصر لها، من أصغر الحشرات إلى أكبر الثدييات. يمكنهم أخذ عينة من الأنسجة، وتحديد تسلسل الحمض النووي، ثم حياكة تلك القطع الصغيرة معاً لتكوين جينوم كامل، وهو في الأساس المكتبة الكاملة للتعليمات الجينية لذلك النوع. ومع ذلك، فإن امتلاك المكتبة يمثل نصف المعركة فقط؛ فلفهم ماهية النوع وكيف تطور حقاً، يحتاج العلماء إلى معرفة أي أجزاء من تلك المكتبة هي الفصول العاملة الفعلية — أي الجينات التي تبني البروتينات وتدير العمليات الحيوية. وبالنسبة للكثير من آلاف الجينومات الجديدة الموجودة في قواعد البيانات العامة، لم يتم تصنيف أو تحديد هذه الفصول بعد. وبدون هذه الملصقات، تظل البيانات بمثابة كتاب مغلق، يصعب استخدامه لفهم كيفية ارتباط الأنواع المختلفة ببعضها أو كيفية عملها، مما يترك قدراً هائلاً من الإمكانات البيولوجية غير مستغل.

لقد طور فريق من الباحثين طريقة جديدة لفتح هذه المكتبات الجينية غير المصنفة دون الحاجة إلى قراءة كل صفحة أولاً. فقد ابتكروا أداة تسمى "fDOG-Assembly"، وهي مصممة للبحث عن أنماط جينية محددة ومألوفة مباشرة داخل تسلسلات الحمض النووي الخام غير المشروحة. تقليدياً، كان العثور على هذه الأنماط يتطلب عملية مضنية تتمثل أولاً في تحديد كل جين في الجينوم، وهي خطوة بطيئة وغالباً ما تفشل مع الكائنات المعقدة. هذا النهج الجديد يتخطى تلك الخطوة الوسطى تماماً؛ فبدلاً من محاولة رسم خريطة للمكتبة بأكملها، تبحث الأداة عن تسلسلات محددة ومعروفة تعمل مثل بصمات الأصابع الفريدة. وقد اختبر الباحثون أداتهم مقابل الطرق الموجودة ووجدوا أنها تعمل بنفس كفاءة الطرق التقليدية في العثور على هذه العلامات الجينية القياسية، ولكن مع ميزة حاسمة: فهي ليست مقتصرة على قائمة صغيرة وثابتة من الجينات الشائعة لدى جميع أشكال الحياة، بل يمكنها البحث عن أي جين محدد يهتم به العالم، حتى في الجينومات التي لم يتم رسم خرائطها بالكامل بعد.

ولإثبات فعالية الأداة، استخدمها الباحثون للبحث عن خمسة آلاف جين بشري في جينومات الجرذان ونسيب من شقائق النعمان البحرية، وهو نوع من الكائنات الشبيهة بقنديل البحر. كانت النتة مذهلة؛ فقد وجدت الطريقة الجديدة الجينات بمعدل نجاح يطابق أفضل الأدوات التقليدية التي تعتمد على قوائم بروتينية مصنفة بالكامل. والأهم من ذلك، أنها وجدت جينات فاتتها الطرق القديمة لأن خرائط الجينات الأصلية كانت غير مكتملة. ومن خلال ملء هذه القطع المفقودة، تساعد الأداة العلماء على بناء صورة أكثر اكتمالاً لكيفية تشارك الجينات عبر شجرة الحياة. ثم وضع الباحثون هذه القدرة قيد التنفيذ في لغز واقعي يتعلق بكائنات تعيش في التربة؛ حيث قاموا بمسح المكتبات الجينية لـ 176 نوعاً مختلفاً من اللافقاريات الموجودة في التربة، وبالتحديد البحث عن الجينات المسؤولة عن صنع مضادات "بيتا-لاكتام" الحيوية، وهي فئة قوية من الأدوية المستخدمة لمحاربة العدوى البكتيرية.

كشف البحث عن اكتشاف مفاجئ؛ فالحاجة إلى الجينات اللازمة لصنع هذه المضادات الحيوية ليست نادرة أو معزولة، بل هي منتشرة بين "الكروايات" (springtails)، وهي نوع شائع من مفصليات الأرجل الصغيرة في التربة. وفي بعض الأنواع الفردية، وجد الباحثون ما يقرب من المجموعة الكاملة من التعليمات المطلوبة لإنتاج "السيفامي own" (cephamycin)، وهو نوع محدد من مضادات "بيتا-لاكتام". وهذا يشير إلى أن هذه المخلوقات الصغيرة، التي غالباً ما يتم تجاهلها، قد تكون مصانع طبيعية لهذه المركبات المنقذة للحياة، وهي حقيقة كانت مخفية سابقاً لأن جينوماتها تفتقر إلى التصنيفات المناسبة. ولا تدعي الدراسة أنها أثبتت أن هذه الحيوانات تنتج العقاقير حالياً بكميات كبيرة، إلا أن وجود الآلية الجينية الكاملة يشير بقوة إلى قدرتها على القيام بذلك. ومن خلال السماح للعلماء بالبحث مباشرة في البيانات الجينية الخام، تفتح هذه الأداة الجديدة الباب للعثور على الكنوز البيولوجية المخفية في المجموعات الشاسعة وغير المستكشفة من بيانات الجينوم التي ظلت قابعة على الرفوف لسنوات، محولةً الكتب غير المقروءة إلى موارد نشطة للاكتشاف.