Apollo 3: Multi-Species Genome Curation

تحمل كل كائن حي دليلاً تعليمياً بيولوجياً مكتوباً بشفرة مكونة من أربعة أحرف كيميائية. هذه الشفرة، المعروفة باسم الجينوم، هي التي تملي على الكائن الحي كيفية بناء نفسه، بدءاً من شكل الورقة وصولاً إلى طريقة انقسام الخلية. ومع ذلك، فإن العثور على الجمل والفقرات المحددة داخل هذا النص الضخم ليس مهمة بسيطة تتمثل في القراءة من البداية إلى النهاية؛ فالجينوم عبارة عن مشهد كثيف من الإشارات، بعضها عبارة عن جينات تصنع البروتينات، والعديد غيرها مجرد ضوضاء أو مفاتيح تنظيمية. ولفهم كائن حي ما، يجب على العلماء القيام بالعمل الشاق المتمثل في "التوسيم" (annotation): أي تحديد أين يبدأ كل جين وأين ينتهي بالضبط، وتحديد وظيفته. وبينما تستطيع الحواسيب مسح هذه التسلسلات وتقديم تخمينات مدروسة، إلا أنها غالباً ما تغفل عن الفروق الدقيقة والدقيقة للحياة. لذا، لا تزال أدق خرائط الجينوم تتطلب العين البشرية المتأنية لعالم الأحياء لمراجعة عمل الحاسوب، وتصحيح أخطائه، وملء الفجوات.

لعقود من الزمن، اعتمد العلماء على برمجيات متخصصة للقيام بهذه المراجعة اليدوية، لكن هذه الأدوات كانت غالباً صعبة الاستخدام، أو مقتصرة على أجهزة كمبيوتر فردية، أو غير قادرة على إظهار كيفية مقارنة الأنواع المختلفة ببعضها البعض. وقد تم تطوير أداة جديدة تسمى "أبولو 3" (Apollo 3) لحل هذه المشكلات. وهي منصة حديثة تعتمد على الويب تسمح للباحثين بتعديل توسيمات الجينوم مباشرة داخل المتصفح، مما يجمع بين قوة العمل الجماعي التعاوني والقدرة على عرض أنواع متعددة جنباً إلى جنب. ومن خلال دمج ميزات التصوير المتقدمة، يساعد "أبولو 3" علماء الأحياء على رؤية الروابط بين الكائنات المختلفة، مما يسهل رصد الجينات المفقودة أو تصحيح الأخطاء عبر مقارنة جينوم جديد بجينوم آخر مفهوم جيداً بالفعل.

كان الدافع وراء تطوير "أبولو 3" هو الحاجة إلى التغلب على قيود البرمجيات القديمة. فقد كانت الأدوات السابقة غالباً ما تكون حبيسة جهاز كمبيوتر مكتبي واحد، مما يجعل من الصعب على الفرق العمل معاً في الوقت الفلي، أو كانت تفتقر إلى القدرة على إظهار كيفية محاذاة الجينات عبر الأنواع المختلفة. ويغير "أبولو 3" ذلك من خلال العمل بالكامل عبر متصفح الويب، مستخدماً نظاماً مرناً يسمح لعدة مستخدمين بتعديل نفس الجين في آن واحد. وهو يتصل بخادم مركزي يخزن جميع التغييرات فوراً، بحيث إذا قام عالم بتعديل حدود جين ما، يرى زميله التحديث على الفور. هذا النظام مبني على تقنية قواعد بيانات حديثة تتعامل مع كميات هائلة من البيانات بكفاءة، مما يسمح للباحثين بالتكبير (zoom in) على أجزاء صغيرة جداً من الجينوم دون انتظار تحميل الكروموسوم بأكمله.

تعد القدرة على تصور "الترتيب المتماثل" (synteny) واحدة من أقوى ميزات هذه الأداة الجديدة، وهو الحفاظ على ترتيب الجينات عبر الأنواع المختلفة. تخيل أنك تنظر إلى كتابين مختلفين يرويان قصصاً متشابهة؛ حتى لو كانت الكلمات مختلفة قليلاً، فإن الفصول غالباً ما تظهر بنفس الترتيب. في علم الأحياء، غالباً ما تكون الجينات لدى الأنواع ذات الصلة مرتبة في أنماط متشابهة. ويسمح "أبولو 3" للعلماء بمشاهدة هذه الأنماط جنباً إلى جنب. فإذا كان هناك جين مفقود في أحد الأنواع ولكنه موجود في نوع آخر ذي صلة، فإن الأداة تسلط الضوء على المساحة الفارغة، مما يوجه الباحث للبحث عن دليل على وجوب وجود ذلك الجين هناك. وتعتبر هذه الرؤية المقارنة حاسمة للعثور على الجينات التي قد تغفل عنها البرامج الآلية، مما يحول عملية التوسيم إلى لعبة تحقيق تعتمد على مطابقة القطع عبر شجرة الحياة.

وقد أثبت الباحثون قدرات الأداة باستخدامها لتحسين خريطة جينوم دودة طفيلية تسمى Trichuris trichiura. وقاموا بمقارنة هذه الدودة بنوعين مرتبطين بها، وهما T. suis و T. muris، اللذان تمت دراستهما بالتفصيل سابقاً. ومن خلال النظر في محاذاة الجينومات الثلاثة، لاحظوا وجود فجوة في خريطة T. trichiura حيث ينبغي أن يوجد جين، بناءً على وجوده في الدودتين الأخريين. وباستخدام الأداة الجديدة، فحصوا البيانات الجينية الخام ووجدوا أدلة داعمة من تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA sequencing)، والتي أظهرت أن الخلية كانت تقرأ بالفعل ذلك الجزء من الحمض النووي. ثم قاموا يدوياً بإنشاء نموذج جيني جديد في البرنامج، موسعين حدوده ليشمل نقطة بداية فاتتها الحواسب. وقد تطابق تسلسل البروتين الناتج مع الجينات من النوعين الآخرين بدرجة عالية من التشابه، مما أكد نجاحهم في العثور على قطعة مفقودة من اللغز.

لا يقتصر "أبولو 3" على مقارنة الأنواع المختلفة فحسب، بل يتفوق أيضاً في مساعدة الفرق على العمل معاً على جينوم واحد. وفي اختبار تضمن جينات بشرية، استخدم فريق من المنسقين الأداة لتعديل التوسيمات المرجعية لمشروع "جين كود" (GENCODE). وقد سمح لهم البرنامج برؤية تغييرات بعضهم البعض في الوقت الفعلي، مما منع حدوث تضاربات حيث قد يحاول شخصان تعديل نفس الجين في وقت واحد. كما تدعم الأداة مجموعة متنوعة من مسارات الأدلة، حيث تعرض بيانات من تجارب مختلفة مثل تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA sequencing) وتوصيف الريبوسومات (ribosome profiling). وتعمل هذه المسارات كطبقات من الأدلة يمكن للمنسقين تشغيلها وإيقافها، مما يساعدهم في تحديد ما إذا كان الجين حقيقياً وكيف ينبغي هيكلته. والنظام مرن بما يكفي ليستخدمه شخص واحد يعمل بمفرده على جهازه الخاص، أو فريق كبير يتعاون عبر العالم.

لقد جعل مبتكرو "أبولو 3" البرنامج متاحاً مجاناً للمجتمع العلمي، لضمان مشاركة فوائد هذا النهج الجديد على نطاق واسع. كما وضعوا خططاً مستقبلية لجعل الأداة أكثر ذكاءً، بما في ذلك إمكانية استخدام الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بما قد يرغب الباحث في القيام به، ولنقل نماذج الجينات تلقائياً من نوع إلى آخر بناءً على علاقاتهما التطورية. ومن خلال الجمع بين دقة الخبرة البشرية وسرعة الحوسبة الحديثة ووضوح المقارنة البصرية، يمثل "أبولو 3" خطوة كبيرة للأمام في كيفية رسم خرائط وفهم المخططات الجينية للحياة. فهو يحول المهمة المعقدة لتوسيم الجينوم إلى عملية أكثر سهولة وتعاوناً وفعالية، مما يضمن قراءة الأدلة التعليمية للحياة بأكبر قدر ممكن من الدقة.