معلومة

10.3: طرق الجينوم الكامل والتطبيقات الصناعية - علم الأحياء


المهارات اللازمة للتطوير

  • اشرح استخدامات التحليلات المقارنة على مستوى الجينوم
  • لخص مزايا المنتجات الصيدلانية المعدلة وراثيا

أدى التقدم في علم الأحياء الجزيئي إلى إنشاء مجالات علمية جديدة تمامًا. في هذا القسم ، سوف نقدم نظرة عامة موجزة عن مجالات الجينوم الكامل لعلم الجينوم ، وعلم النسخ ، والبروتيوميات.

علم الجينوم وعلم النسخ والبروتيوميات

تسمى دراسة ومقارنة الجينومات بأكملها ، بما في ذلك المجموعة الكاملة من الجينات وتسلسل النوكليوتيدات وتنظيمها ، علم الجينوم. يتمتع هذا المجال بإمكانيات كبيرة للتقدم الطبي في المستقبل من خلال دراسة الجينوم البشري وكذلك جينومات الكائنات المعدية. ساهم تحليل الجينوم الميكروبي في تطوير مضادات حيوية جديدة وأدوات تشخيص ولقاحات وعلاجات طبية وتقنيات تنظيف البيئة.

مجال علم النسخ هو علم المجموعة الكاملة لجزيئات الرنا المرسال التي تنتجها الخلايا. يقارن العلماء أنماط التعبير الجيني بين الخلايا المضيفة المصابة وغير المصابة ، ويكتسبون معلومات مهمة حول الاستجابات الخلوية للأمراض المعدية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام علم النسخ لمراقبة التعبير الجيني لعوامل الفوعة في الكائنات الحية الدقيقة ، مما يساعد العلماء في فهم العمليات المسببة للأمراض بشكل أفضل من وجهة النظر هذه.

عندما يتم تطبيق علم الجينوم والنسخة على مجتمعات ميكروبية بأكملها ، فإننا نستخدم المصطلحات metagenomics و metatranscriptomics ، على التوالي. تسمح الميتاجينوميات و metatranscriptomics للباحثين بدراسة الجينات والتعبير الجيني من مجموعة من الأنواع المتعددة ، والتي قد لا يمكن تربيتها أو استزراعها بسهولة على الإطلاق في المختبر. يمكن استخدام المصفوفة الدقيقة للحمض النووي (التي تمت مناقشتها في القسم السابق) في دراسات الميتاجينوميات.

هناك تطبيق سريري آخر قادم لعلم الجينوم وعلم النسخ هو علم الجينوميات الدوائية ، والذي يُطلق عليه أيضًا علم الجينوم السمي ، والذي يتضمن تقييم فعالية الأدوية وسلامتها على أساس المعلومات من التسلسل الجيني للفرد. يمكن دراسة الاستجابات الجينومية للأدوية باستخدام حيوانات التجارب (مثل فئران التجارب أو الفئران) أو الخلايا الحية في المختبر قبل الشروع في الدراسات مع البشر. يمكن أن تكون التغييرات في التعبير الجيني في وجود دواء في بعض الأحيان مؤشرًا مبكرًا على احتمالية حدوث تأثيرات سامة. قد تُستخدم معلومات تسلسل الجينوم الشخصي يومًا ما لوصف الأدوية الأكثر فعالية والأقل سمية على أساس التركيب الجيني للمريض الفردي.

تعد دراسة البروتينات امتدادًا لعلم الجينوم الذي يسمح للعلماء بدراسة مجموعة البروتينات الكاملة في الكائن الحي ، والتي تسمى البروتين. على الرغم من أن جميع خلايا الكائن الحي متعدد الخلايا لها نفس مجموعة الجينات ، فإن الخلايا الموجودة في الأنسجة المختلفة تنتج مجموعات مختلفة من البروتينات. وبالتالي ، فإن الجينوم ثابت ، لكن البروتين يختلف ويصبح ديناميكيًا داخل الكائن الحي. يمكن استخدام البروتيوميات لدراسة البروتينات التي يتم التعبير عنها في ظل ظروف مختلفة داخل نوع خلية واحدة أو لمقارنة أنماط التعبير البروتيني بين الكائنات الحية المختلفة.

يعتبر السرطان من أبرز الأمراض التي تتم دراستها باستخدام الأساليب البروتينية ، ولكن يتم أيضًا تطبيق هذا المجال من الدراسة على الأمراض المعدية. يجري البحث حاليًا لفحص جدوى استخدام الأساليب البروتينية لتشخيص أنواع مختلفة من التهاب الكبد والسل وعدوى فيروس نقص المناعة البشرية ، والتي يصعب تشخيصها باستخدام التقنيات المتاحة حاليًا.1

يعتمد تحليل بروتيني حديث ومتطور على تحديد البروتينات التي تسمى المؤشرات الحيوية ، والتي يتأثر تعبيرها بعملية المرض. تُستخدم المؤشرات الحيوية حاليًا للكشف عن أشكال مختلفة من السرطان وكذلك الالتهابات التي تسببها مسببات الأمراض مثل يرسينيا بيستيس و فيروس اللقاح.2

تشمل العلوم "الذرية" الأخرى المتعلقة بعلم الجينوم والبروتيوميات الأيض ، وعلم الجليكوميكس ، وعلم الدهون ، والتي تركز على المجموعة الكاملة من مستقلبات الجزيئات الصغيرة ، والسكريات ، والدهون ، على التوالي ، الموجودة داخل الخلية. من خلال هذه الأساليب العالمية المختلفة ، يواصل العلماء جمع وتصنيف وتحليل كميات كبيرة من المعلومات الجينية. يمكن استخدام هذا المجال الناشئ من المعلوماتية الحيوية ، من بين العديد من التطبيقات الأخرى ، للحصول على أدلة لعلاج الأمراض وفهم طريقة عمل الخلايا.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للباحثين استخدام علم الوراثة العكسي ، وهي تقنية مرتبطة بالتحليل الطفري الكلاسيكي ، لتحديد وظيفة جينات معينة. تضمنت الطرق الكلاسيكية لدراسة وظيفة الجينات البحث عن الجينات المسؤولة عن نمط ظاهري معين. يستخدم علم الوراثة العكسي النهج المعاكس ، بدءًا من تسلسل DNA محدد ومحاولة تحديد النمط الظاهري الذي ينتجه. بدلاً من ذلك ، يمكن للعلماء إرفاق جينات معروفة (تسمى جينات المراسل) التي تشفر الخصائص التي يمكن ملاحظتها بسهولة إلى الجينات ذات الأهمية ، ويمكن بسهولة مراقبة موقع التعبير عن هذه الجينات ذات الأهمية. يعطي هذا للباحث معلومات مهمة حول ما يمكن أن يفعله منتج الجين أو مكان وجوده في الكائن الحي. تشمل جينات المراسل الشائعة البكتيرية لاكز، الذي يشفر بيتا جالاكتوزيداز والذي يمكن مراقبة نشاطه من خلال التغيرات في لون المستعمرة في وجود X-gal كما هو موصوف سابقًا ، والجين الذي يشفر بروتين قنديل البحر البروتين الفلوري الأخضر (GFP) الذي يمكن تصور نشاطه في المستعمرات تحت الأشعة فوق البنفسجية التعرض للضوء (الشكل ( PageIndex {1} )).

الشكل ( PageIndex {1} ): (أ) الجين المشفر لبروتين التألق الأخضر هو جين مراسل شائع الاستخدام لرصد أنماط التعبير الجيني في الكائنات الحية. تحت الضوء فوق البنفسجي ، يتألق GFP. هنا ، اثنان من الفئران يعبران عن GFP ، في حين أن الماوس الأوسط ليس كذلك. (ب) يمكن استخدام GFP كجينة مراسل في البكتيريا أيضًا. هنا ، يتم عرض لوحة تحتوي على مستعمرات بكتيرية تعبر عن GFP. (ج) يتم إجراء الفحص باللونين الأزرق والأبيض في البكتيريا من خلال استخدام جين مراسل lacZ ، متبوعًا بطلاء البكتيريا على وسيط يحتوي على X-gal. ينتج عن انشقاق X-gal بواسطة إنزيم LacZ تكوين مستعمرات زرقاء. (الائتمان أ: تعديل العمل من قبل إنجريد موين ، شارلوت جيفني ، جيان وانغ ، كارل هينينج كالاند ، مارثا تشيكينيا ، لارس أكسلن ، ليندا سلير ، بير Ø إنجر ، رولف ك ريد ، آن إم أويان ، ليندا إي بي ستور ؛ الائتمان ب : تعديل العمل بواسطة "2.5JIGEN.com" / Flickr ؛ الائتمان ج: تعديل العمل من قبل الجمعية الأمريكية لعلم الأحياء الدقيقة)

تمرين ( PageIndex {1} )

  1. كيف يختلف علم الجينوم عن علم الوراثة التقليدي؟
  2. إذا كنت ترغب في دراسة كيفية استجابة خليتين مختلفتين في الجسم للعدوى ، فما هو المجال الطبي الذي ستطبقه؟
  3. ما هي المؤشرات الحيوية التي تم الكشف عنها في البروتينات المستخدمة؟

تكنولوجيا الحمض النووي المؤتلف والإنتاج الصيدلاني

قدمت الهندسة الوراثية طريقة لإنشاء منتجات صيدلانية جديدة تسمى أدوية الحمض النووي المؤتلف. تشمل هذه المنتجات المضادات الحيوية واللقاحات والهرمونات المستخدمة لعلاج الأمراض المختلفة. يسرد الجدول ( PageIndex {1} ) أمثلة على منتجات الحمض النووي المؤتلف واستخداماتها.

على سبيل المثال ، مسارات تخليق المضادات الحيوية التي تحدث بشكل طبيعي من مختلف ستربتوميسيس spp. ، المعروف منذ فترة طويلة بقدراته على إنتاج المضادات الحيوية ، يمكن تعديله لتحسين الغلة أو لإنشاء مضادات حيوية جديدة من خلال إدخال جينات تشفر إنزيمات إضافية. تم إنتاج أكثر من 200 مضاد حيوي جديد من خلال التعطيل المستهدف للجينات والمزيج الجديد من جينات تخليق المضادات الحيوية في إنتاج المضادات الحيوية ستربتوميسيس المضيفين.3

تُستخدم الهندسة الوراثية أيضًا لتصنيع لقاحات الوحدات الفرعية ، وهي أكثر أمانًا من اللقاحات الأخرى لأنها تحتوي على جزيء مستضد واحد فقط وتفتقر إلى أي جزء من جينوم العامل الممرض (انظر اللقاحات). على سبيل المثال ، يتم إنشاء لقاح التهاب الكبد B عن طريق إدخال جين يشفر بروتينًا سطحيًا لالتهاب الكبد B في خميرة ؛ تقوم الخميرة بعد ذلك بإنتاج هذا البروتين ، والذي يتعرف عليه جهاز المناعة البشري كمستضد. يتم تنقية مستضد التهاب الكبد B من مزارع الخميرة ويتم إعطاؤه للمرضى كلقاح. على الرغم من أن اللقاح لا يحتوي على فيروس التهاب الكبد B ، إلا أن وجود البروتين المستضدي يحفز جهاز المناعة على إنتاج الأجسام المضادة التي تحمي المريض من الفيروس في حالة التعرض.4 5

كانت الهندسة الوراثية مهمة أيضًا في إنتاج البروتينات العلاجية الأخرى ، مثل الأنسولين والإنترفيرون وهرمون النمو البشري ، لعلاج مجموعة متنوعة من الحالات الطبية البشرية. على سبيل المثال ، في وقت ما ، كان من الممكن علاج مرض السكري فقط عن طريق إعطاء المرضى أنسولين الخنازير ، مما تسبب في ردود فعل تحسسية بسبب الاختلافات الصغيرة بين البروتينات المعبر عنها في الأنسولين البشري والخنازير. ومع ذلك ، منذ عام 1978 ، تم استخدام تقنية الحمض النووي المؤتلف لإنتاج كميات كبيرة من الأنسولين البشري باستخدام بكتريا قولونية في عملية غير مكلفة نسبيًا ينتج عنها منتج صيدلاني أكثر فعالية باستمرار. كما قام العلماء أيضًا بالهندسة الوراثية بكتريا قولونية قادر على إنتاج هرمون النمو البشري (HGH) ، والذي يستخدم لعلاج اضطرابات النمو لدى الأطفال وبعض الاضطرابات الأخرى عند البالغين. تم استنساخ جين HGH من مكتبة (كدنا) وإدخاله في بكتريا قولونية الخلايا عن طريق استنساخها في ناقلات بكتيرية. في نهاية المطاف ، سيتم استخدام الهندسة الوراثية لإنتاج لقاحات الحمض النووي والعديد من العلاجات الجينية ، فضلاً عن الأدوية المخصصة لمكافحة السرطان والأمراض الأخرى.

الجدول ( PageIndex {1} ): بعض المنتجات والتطبيقات الصيدلانية المهندسة وراثيًا
منتج الحمض النووي المؤتلفتطبيق
الببتيد الأذيني المدر للصوديومعلاج أمراض القلب (مثل قصور القلب الاحتقاني) وأمراض الكلى وارتفاع ضغط الدم
الدنازعلاج إفرازات الرئة اللزجة في التليف الكيسي
إرثروبويتينعلاج فقر الدم الشديد المصحوب بتلف الكلى
العامل الثامنعلاج الهيموفيليا
لقاح التهاب الكبد بالوقاية من عدوى التهاب الكبد الوبائي ب
هرمون النمو البشريعلاج نقص هرمون النمو ، متلازمة تيرنر ، الحروق
الأنسولين البشريعلاج مرض السكري
الإنترفيرونعلاج التصلب المتعدد ، السرطانات المختلفة (مثل الورم الميلانيني) ، الالتهابات الفيروسية (مثل التهاب الكبد B و C)
تتراسينوميسينتستخدم كمضادات حيوية
منشط الأنسجة البلازمينوجينعلاج الانسداد الرئوي في السكتة الدماغية واحتشاء عضلة القلب

تمرين ( PageIndex {2} )

  1. ما هي البكتيريا المهندسة وراثيا لإنتاج الأنسولين البشري لعلاج مرض السكري؟
  2. اشرح كيف يمكن هندسة الكائنات الحية الدقيقة لإنتاج اللقاحات.

تقنية تداخل الحمض النووي الريبي

في هيكل ووظيفة الحمض النووي الريبي ، وصفنا وظيفة mRNA و rRNA و tRNA. بالإضافة إلى هذه الأنواع من الحمض النووي الريبي ، تنتج الخلايا أيضًا عدة أنواع من جزيئات الحمض النووي الريبي الصغيرة غير المشفرة التي تشارك في تنظيم التعبير الجيني. وتشمل هذه جزيئات الحمض النووي الريبي المضاد للتردد ، والتي تكون مكملة لمناطق جزيئات الرنا المرسال المحددة الموجودة في كل من بدائيات النوى والخلايا حقيقية النواة. تلعب جزيئات الحمض النووي الريبي غير المشفرة دورًا رئيسيًا في تداخل الحمض النووي الريبي (RNAi) ، وهي آلية تنظيمية طبيعية يتم من خلالها منع جزيئات الرنا المرسال من توجيه عملية تخليق البروتينات. ينتج تداخل الحمض النووي الريبي في جينات معينة من الاقتران الأساسي لجزيئات الحمض النووي الريبي قصيرة المدى أحادية الجديلة المضادة للحساسية إلى مناطق داخل جزيئات الرنا المرسال التكميلية ، مما يمنع تخليق البروتين. تستخدم الخلايا تداخل الحمض النووي الريبي لحماية نفسها من الغزو الفيروسي ، والذي قد يُدخل جزيئات الحمض النووي الريبي مزدوجة الشريطة كجزء من عملية تكاثر الفيروس (الشكل ( فهرس الصفحة {2} )).

الشكل ( PageIndex {2} ): عادة ما تصنع الخلايا مثل الخلية حقيقية النواة الموضحة في هذا الرسم البياني جزيئات RNA صغيرة مضادة للتردد مع تسلسلات مكملة لجزيئات mRNA معينة. عندما يرتبط جزيء الرنا المضاد للترتيب بجزيء الرنا المرسال ، لا يمكن استخدام الرنا المرسال لتوجيه تخليق البروتين. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة Robinson R)

يعمل الباحثون حاليًا على تطوير تقنيات لتقليد العملية الطبيعية لتداخل الحمض النووي الريبي (RNA) كطريقة لعلاج الالتهابات الفيروسية في الخلايا حقيقية النواة. تتضمن تقنية تداخل الحمض النووي الريبي استخدام رنا صغيرة متداخلة (siRNAs) أو جزيئات جزيئية (miRNAs) (الشكل ( PageIndex {3} )). تعتبر siRNAs مكملة تمامًا لنسخة mRNA لجين معين مهم بينما تكون miRNAs مكملة في الغالب. ترتبط هذه الحمض النووي الريبي مزدوج الشريطة بـ DICER ، وهو نوكلياز داخلي يشق الحمض النووي الريبي إلى جزيئات قصيرة (حوالي 20 نيوكليوتيدًا طويلًا). ثم يتم ربط الحمض النووي الريبي بمجمع الإسكات الناجم عن الحمض النووي الريبي (RISC) ، وهو بروتين نووي ريبي. يرتبط مركب siRNA-RISC بـ mRNA ويشقها. بالنسبة إلى miRNA ، يرتبط واحد فقط من الخيطين بـ RISC. ثم يرتبط مركب miRNA-RISC بـ mRNA ، مما يعيق الترجمة. إذا كانت ميرنا مكملة تمامًا للجين المستهدف ، فيمكن حينئذٍ شق الرنا المرسال. تُعرف هذه الآليات مجتمعة باسم إسكات الجينات.

الشكل ( PageIndex {3} ): يوضح هذا الرسم البياني عملية استخدام siRNA أو miRNA في خلية حقيقية النواة لإسكات الجينات المشاركة في التسبب في أمراض مختلفة. (الائتمان: تعديل العمل من قبل المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية)

المفاهيم الأساسية والملخص

  • علم علم الجينوم يسمح للباحثين بدراسة الكائنات الحية على مستوى شامل وله العديد من التطبيقات ذات الصلة الطبية.
  • ترانسكريبتوميكس و البروتينات تسمح للباحثين بمقارنة أنماط التعبير الجيني بين الخلايا المختلفة وتبدي وعدًا كبيرًا في فهم الاستجابات العالمية للظروف المختلفة بشكل أفضل.
  • تكمل تقنيات علم الأحياء المختلفة بعضها البعض وتقدم معًا صورة أكثر اكتمالاً عن المجتمع أو المجتمع الميكروبي (الميتاجينوميات) حالة.
  • التحليل المطلوب لمجموعات البيانات الكبيرة التي يتم إنتاجها من خلال علم الجينوم وعلم النسخ و البروتينات أدى إلى ظهور المعلوماتية الحيوية.
  • جينات المراسل تُستخدم ترميز الخصائص التي يمكن ملاحظتها بسهولة لتتبع أنماط التعبير الجيني للجينات ذات الوظيفة غير المعروفة.
  • أحدث استخدام تقنية الحمض النووي المؤتلف ثورة في صناعة المستحضرات الصيدلانية ، مما سمح بالإنتاج السريع للجودة العالية الأدوية الدنا المؤتلفة تستخدم لعلاج مجموعة متنوعة من الحالات البشرية.
  • تدخل الحمض النووي الريبي التكنولوجيا واعدة كطريقة لعلاج الالتهابات الفيروسية عن طريق إسكات التعبير عن جينات معينة

متعدد الخيارات

يُطلق على علم دراسة المجموعة الكاملة لجزيئات الرنا المرسال التي تنتجها الخلايا ، مما يسمح للعلماء بمراقبة الاختلافات في أنماط التعبير الجيني بين الخلايا ، ما يلي:

A. الجينوميات
ب. ترانسكريبتوميكس
C. البروتينات
د. علم الصيدلة الجيني

ب

يسمى علم دراسة الأجزاء الجينومية من المجتمعات الميكروبية ، مما يسمح للباحثين بدراسة الجينات من مجموعة من الأنواع المتعددة ، بما يلي:

أ. علم الصيدلة الجيني
ب. الميتاجينوميات
D. البروتينات

ج

الأنسولين الذي تنتجه تقنية الحمض النووي المؤتلف هو

ألف مزيج من بكتريا قولونية والأنسولين البشري.
ب.مطابقة للأنسولين البشري المنتج في البنكرياس.
C. أرخص ولكن أقل فعالية من أنسولين الخنازير لعلاج مرض السكري.
تم تصميم D. ليكون أكثر فعالية من الأنسولين البشري.

ب

املاء الفراغ

تطبيق علم الجينوم لتقييم فعالية وسلامة الأدوية على أساس المعلومات من التسلسل الجيني للفرد يسمى ____________.

علم الصيدلة الجيني أو علم الجينوميات السمية

يسمى الجين الذي يمكن تصور تعبيره بسهولة ومراقبته بـ ________.

الجين المراسل

خطأ صحيح

لا يؤثر تداخل الحمض النووي الريبي على تسلسل الحمض النووي الجيني.

حقيقية

اجابة قصيرة

إذا تم ترميز جميع البروتينات الخلوية بواسطة جينات الخلية ، فما هي المعلومات التي توفرها البروتينات والتي لا تستطيع الجينوميات تقديمها؟

التفكير النقدي

ما هي بعض مزايا استنساخ الجينات البشرية وتحويلها إلى بكتيريا لمعالجة الأمراض التي تصيب الإنسان بسبب نقص البروتين المحدد؟

الحواشي

  1. 1 E.O. ليست ، د. بيريمان ، وب. باور ، وإل ساكمان-سالا ، وإي جوسني ، وج. دينج ، وس. أوكادا ، وج. كوبشيك. "استخدام البروتينات لدراسة الأمراض المعدية." الاضطرابات المعدية - الاهداف الدوائية (سابقا أهداف الأدوية الحالية - الاضطرابات المعدية) 8 لا. 1 (2008): 31-45.
  2. 2 موهان ناتيسان ، وروبرت ج.أولريش. "مصفوفات البروتين الدقيقة والمؤشرات الحيوية للأمراض المعدية." المجلة الدولية للعلوم الجزيئية 11 لا. 12 (2010): 5165-5183.
  3. 3 خوسيه لويس أدريو وأرنولد إل ديمين. "الكائنات المؤتلفة لإنتاج المنتجات الصناعية." البق الهندسة الحيوية 1 لا. 2 (2010): 116-131.
  4. 4 وزارة الصحة والخدمات الإنسانية الأمريكية. "أنواع اللقاحات". 2013. http://www.vaccines.gov/more_info/types/#subunit. تم الوصول في 27 مايو 2016.
  5. 5 قائمة المخدرات على الإنترنت. ريكومبيفاكس. 2015. http://www.rxlist.com/recombivax-drug.htm. تم الوصول في 27 مايو 2016.

مساهم

  • نينا باركر (جامعة شيناندواه) ومارك شنيغورت (جامعة ولاية ويتشيتا) وآنه-هيو ثي تو (جامعة ولاية جورجيا الجنوبية الغربية) وفيليب ليستر (كلية وسط نيو مكسيكو المجتمعية) وبريان إم فورستر (جامعة سانت جوزيف) مع العديد المؤلفين المساهمين. المحتوى الأصلي عبر Openstax (CC BY 4.0 ؛ الوصول مجانًا على https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction)


تقييم منصات التسلسل من الجيل التالي لدراسات التسلسل المستهدفة للسكان

يتم حاليًا استخدام منصات تسلسل الجيل التالي (NGS) للتسلسل المستهدف للجينات المرشحة أو الفواصل الجينية لإجراء دراسات الارتباط القائمة على التسلسل. لتقييم هذه الأنظمة الأساسية لهذا التطبيق ، قمنا بتحليل التسلسل البشري الناتج عن تقنيات Roche 454 و Illumina GA و ABI SOLiD لنفس 260 كيلو بايت في أربعة أفراد.

نتائج

تساهم خصائص التسلسل المحلي في التباين المنهجي في تغطية التسلسل (& فرق أكبر بمقدار 100 ضعف في التغطية لكل قاعدة) ، مما ينتج عنه أنماط لكل تقنية NGS ترتبط ارتباطًا وثيقًا بين العينات. أظهرت مقارنة الاستدعاءات الأساسية بـ 88 كيلو بايت من تسلسل ABI 3730xL Sanger المتداخل الذي تم إنشاؤه لنفس العينات أن جميع منصات NGS تتمتع بحساسية عالية ، وتحدد 95 ٪ من المواقع المتغيرة. في التغطية العالية ، تكون أخطاء استدعاء قاعدة العمق منتظمة ، ناتجة عن سياقات التسلسل المحلي حيث يتم تقليل التغطية تحدث أخطاء إضافية في "أخذ العينات العشوائية" في الاتصال الأساسي.

الاستنتاجات

توفر دراستنا رؤى مهمة حول التحيزات المنهجية وتنوع البيانات التي يجب مراعاتها عند استخدام منصات NGS لدراسات التسلسل المستهدفة للسكان.


ملخص الفصل

يمكن عزل الأحماض النووية عن الخلايا لأغراض التحليل الإضافي عن طريق كسر الخلايا وتدمير جميع الجزيئات الرئيسية الأخرى بشكل إنزيمي. يمكن فصل الكروموسومات الكاملة أو المجزأة على أساس الحجم بواسطة الرحلان الكهربائي للهلام.يمكن تضخيم الامتدادات القصيرة للحمض النووي بواسطة تفاعل البوليميراز المتسلسل. يمكن قطع الحمض النووي (ومن ثم إعادة تقطيعه معًا) باستخدام إنزيمات التقييد. تسمح التقنيات الجزيئية والخلوية للتكنولوجيا الحيوية للباحثين بهندسة الكائنات الحية وراثيًا ، وتعديلها لتحقيق السمات المرغوبة.

قد يشمل الاستنساخ استنساخ أجزاء صغيرة من الحمض النووي (الاستنساخ الجزيئي) ، أو استنساخ كائنات كاملة (الاستنساخ التناسلي). في الاستنساخ الجزيئي للبكتيريا ، يتم إدخال جزء من الحمض النووي المطلوب في بلازميد بكتيري باستخدام إنزيمات تقييدية ، ويتم امتصاص البلازميد بواسطة بكتيريا ، والتي ستعبر بعد ذلك عن الحمض النووي الغريب. باستخدام تقنيات أخرى ، يمكن إدخال الجينات الأجنبية في الكائنات حقيقية النواة. في كل حالة ، تسمى الكائنات الحية الكائنات المعدلة وراثيا. في الاستنساخ التناسلي ، يتم وضع نواة المتبرع في خلية بويضة مستأصلة ، والتي يتم تحفيزها بعد ذلك على الانقسام والتطور إلى كائن حي.

في طرق الوراثة العكسية ، يتم تحور الجين أو إزالته بطريقة ما لتحديد تأثيره على النمط الظاهري للكائن الحي بأكمله كطريقة لتحديد وظيفته.

10.2 التكنولوجيا الحيوية في الطب والزراعة

يتم إجراء الاختبارات الجينية لتحديد الجينات المسببة للأمراض ، ويمكن استخدامها لإفادة الأفراد المصابين وأقاربهم الذين لم تظهر عليهم أعراض المرض بعد. العلاج الجيني - الذي يتم من خلاله دمج الجينات العاملة في جينومات الأفراد ذوي الجينات الطافرة غير العاملة - لديه القدرة على علاج الأمراض الوراثية. الكائنات المعدلة وراثيا تمتلك دنا من أنواع مختلفة ، وعادة ما تتولد عن طريق تقنيات الاستنساخ الجزيئي. اللقاحات والمضادات الحيوية والهرمونات هي أمثلة على المنتجات التي تم الحصول عليها عن طريق تقنية الحمض النووي المؤتلف. تم إنشاء الحيوانات المعدلة وراثيا لأغراض تجريبية ويستخدم بعضها لإنتاج بعض البروتينات البشرية.

يتم إدخال الجينات في النباتات باستخدام البلازميدات في البكتيريا أغروباكتريوم توميفاسيانزالذي يصيب النباتات. تم إنشاء نباتات معدلة وراثيًا لتحسين خصائص نباتات المحاصيل - على سبيل المثال ، من خلال منحها مقاومة الحشرات عن طريق إدخال جين للسم البكتيري.

10.3 علم الجينوم والبروتيوميات

يشبه رسم خرائط الجينوم حل لغز كبير ومعقد بقطع من المعلومات الواردة من المختبرات في جميع أنحاء العالم. توفر الخرائط الجينية مخططًا تفصيليًا لموقع الجينات داخل الجينوم ، وتقدير المسافة بين الجينات والعلامات الجينية على أساس تكرار إعادة التركيب أثناء الانقسام الاختزالي. توفر الخرائط المادية معلومات مفصلة حول المسافة المادية بين الجينات. تتوفر المعلومات الأكثر تفصيلاً من خلال تعيين التسلسل. يتم دمج المعلومات من جميع مصادر الخرائط والتسلسل لدراسة الجينوم بأكمله.

تسلسل الجينوم الكامل هو أحدث الموارد المتاحة لعلاج الأمراض الوراثية. يستخدم بعض الأطباء تسلسل الجينوم الكامل لإنقاذ الأرواح. علم الجينوميات له العديد من التطبيقات الصناعية ، بما في ذلك تطوير الوقود الحيوي ، والزراعة ، والمستحضرات الصيدلانية ، ومكافحة التلوث.

الخيال هو العائق الوحيد لتطبيق علم الجينوم. يتم تطبيق علم الجينوم في معظم مجالات علم الأحياء ، حيث يمكن استخدامه للطب الشخصي ، والتنبؤ بمخاطر المرض على المستوى الفردي ، ودراسة التفاعلات الدوائية قبل إجراء التجارب السريرية ، ودراسة الكائنات الحية الدقيقة في البيئة بدلاً من مختبر. كما يتم تطبيقه على توليد أنواع وقود حيوي جديدة ، وتقييم الأنساب باستخدام الميتوكوندريا ، والتقدم في علوم الطب الشرعي ، والتحسينات في الزراعة.

علم البروتينات هو دراسة مجموعة البروتينات الكاملة التي يتم التعبير عنها بواسطة نوع معين من الخلايا في ظل ظروف بيئية معينة. في الكائن متعدد الخلايا ، سيكون للأنواع المختلفة من الخلايا بروتينات مختلفة ، وسوف تختلف باختلاف التغيرات في البيئة. على عكس الجينوم ، يكون البروتين ديناميكيًا ويخضع لتدفق مستمر ، مما يجعله أكثر تعقيدًا وفائدة من معرفة الجينوم وحده.


نتائج

تجميع الجينوم وتقييمه

هنا ، جينوم الخميرة الحمراء الزيتية S. pararoseus تم تسلسل NGR باستخدام منصة Illumina Hiseq 2500. تم إنشاء ما مجموعه 8347 ميجا بايت من البيانات الأولية من مكتبتين للحمض النووي: مكتبة ثنائية الطرف بحجم إدراج 500 نقطة أساس (2631 ميجا بايت) ومكتبة زوجية بحجم إدراج 5 كيلو بايت (5716 ميجا بايت). بعد إزالة المحولات والقراءات منخفضة الجودة والقراءات الغامضة ، حصلنا على 6073 ميجا بايت من البيانات النظيفة (Q20 & gt 95٪ ، Q30 & gt 90٪) لتجميع الجينوم. لتقدير حجم الجينوم S. pararoseus NGR ، حسبنا المجموع 15 ك- الرقم الأصغر هو 705505006 و ك- العمق الأفقي 28.41. وفقًا لصيغة توزيع تردد العمق 15 مير ، فإن حجم الجينوم المقدر لـ S. pararoseus تم حساب NGR ليكون 24.44 ميجا بايت. يتكون تجميعنا النهائي من 54 سقالة ، وطول N50 يبلغ 2038.020 نقطة أساس ، وأطول سقالة يبلغ 4،025،647 نقطة أساس ، وأقصر سقالة يبلغ 513 نقطة أساس ، ومحتوى GC بنسبة 47.59 ٪ وحجم 20.9 ميجا بايت (85.52 ٪ من الجينوم المقدر. بحجم). حددنا 5963 جينًا في الجينوم بمتوسط ​​طول 1620 نقطة أساس ومتوسط ​​محتوى GC بنسبة 47.26٪ وشغل 55.07٪ من الجينوم. أظهرت نتائج محاذاة BUSCO أن تجميعنا النهائي يحتوي على 1273 BUSCOs كاملة (95.4٪) ، منها 1268 نسخة واحدة ، بينما تم تكرار 5 (ملف إضافي 1). بالنسبة لنتائج RNA-seq ، تم إنشاء إجمالي 2662 ميجا بايت من القراءات الأولية. باستخدام تقييم بيانات RNA-seq ، وجدنا 98.68٪ (5884) من الجينات المتوقعة في مناطق جينوم NGR وتم التعبير عن 767 جينًا جديدًا (ملف إضافي 2). بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت بيانات RNA-seq أن 74.07٪ من القراءات مطابقة لمناطق exon ، و 4.03٪ لمناطق intron ، و 21.9٪ لمناطق بين الجينات. تتم محاذاة هذه القراءات إلى منطقة intron ، ويرجع ذلك في الغالب إلى الاحتفاظ بالإنترون أو أحداث الربط البديلة. في المجموع ، تم تحديد 488 SNPs / InDel (ملف إضافي 3) عند مقارنة بيانات RNA-seq مع تسلسل جينوم NGR. من بيانات RNA-seq ، حددنا أيضًا حدود 5’UTR و 3’ UTR من 2772 جينًا (ملف إضافي 4). اقترحت كل من محاذاة BUSCO ورسم خرائط RNA-seq أن مجموعة الجينوم الحالية لدينا تتميز بجودة عالية واكتمال ودقة [21].

شرح وظيفي

من بين 5963 جينًا متوقعًا ، يمكن شرح 4595 (77.05 ٪) من الجينات بواسطة BLASTN (القيمة E & lt1e - 5) باستخدام قواعد بيانات NCBI Nr على أساس التماثل التسلسلي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إضافة تعليقات توضيحية لجينات 1940 (32.53٪) و 3002 (50.34٪) و 4237 (71.05٪) و 1806 (30.3٪) و 4659 (78.13٪) وفقًا لقواعد بيانات KEGG و KOG و NOG و SwissProt و TrEMBL ، على التوالى. وتجدر الإشارة إلى أنه من بين هذه الجينات المخصصة لقاعدة بيانات Nr ، فإن الأنواع الثلاثة الأولى من عدد الجينات المتطابقة هي R. toruloides (3484, 75.82%), Rhodotorula glutinis (555 ، 12.08٪) و ميكروبوتريوم فيولاسيوم (340 ، 7.4٪). علاوة على ذلك ، يمكن تصنيف 4057 جينًا إلى ثلاث فئات لعلم الوجود الجيني (ملف إضافي 5): المكون الخلوي (1883 جينًا) ، والعملية البيولوجية (2802 جينًا) ، والوظيفة الجزيئية (3388 جينًا). بالإضافة إلى ذلك ، تم تحديد 194 tRNA ، و 1753 تسلسلًا متكررًا مشتتًا ، و 2092 تكرارًا ترادفيًا ، و 1178 DNA صغير الساتل (ملف إضافي 6) و 659 ساتلًا دقيقًا DNA (ملف إضافي 7) في الجينوم. تم توقع ما مجموعه 132،885 TEs كامل الطول في جينوم NGR الكامل. تتضمن هذه TEs 838 LTR-REs و 59 SINE-REs و 31 RC-REs و 598 ترانسبوزونات DNA و 208 LINE-REs و 7 غير معروفين ، منها 47.17٪ عنصر من فئة LTR ، مخصص بشكل أساسي لـ Gypsy (346) و Copia (190) ). تتكون TEs كاملة الطول بالكامل من 132،885 نقطة أساس ، وهو ما يمثل 0.61 ٪ من جينوم NGR بأكمله.

استنادًا إلى تعيين مسارات KEGG ، قمنا بتوضيح جينات الترميز للمرشح لإمكانات التكنولوجيا الحيوية في جينوم NGR. يتم تقديم ملخص للمرشحين (ملفات إضافية 8 و 9 و 10 و 11 للحصول على التفاصيل) على النحو التالي: 1) التخليق الحيوي للكاروتينات ، بما في ذلك CRTI (phytoene desaturase، GenBank: KR108014) [22] ، CRTYB (lycopene cyclase / phytoene synthase ، GenBank: KR108013) [23] ، CRTE (GGPP synthase ، GenBank: KY652916), وغيرها من الجينات التي تشفر هيدروكسيلاز ، أو أحادي أوكسيجيناز ، أو كيتولاز / كاربوكسيلاز والتي قد تكون مسؤولة عن التحول من تورولين إلى تورولارهودين 2) استقلاب الدهون ، بما في ذلك الجينات التي تشفر أسيتيل CoA carboxylase ، أسيل- CoA أوكسيديز ، فسفوليبيد: ديوسيل جليسيرول 3) ديهيدروجينيز 3) استقلاب الكربوهيدرات ، بما في ذلك الجينات التي تشفر بيروفات ديهيدروجينيز ، بيروفات كاربوكسيلاز وأسيل- CoA: diacylglycerol acyltransferase 4) استجابات الإجهاد ، بما في ذلك الجينات المشاركة في مسار إشارات MAPK وتحويل إشارة الكالسيوم.

العلاقات التطورية بين الخمائر الحمراء من رتبة Sporidiobolales

من بين الخمائر Basidiomycetes phylum ، هناك عدد من الأنواع التي تنمو كمستعمرات مصطبغة ، ولهذا السبب تُعرف باسم الخميرة الحمراء [24]. من بينها ، 42 خميرة حمراء تنتمي إلى رتبة Sporidiobolales. في الآونة الأخيرة ، تم إعادة بناء رتبة Sporidiobolales ، بما في ذلك ثلاثة أجناس سبوروبولوميسس (17 نوعًا) رودوسبوريديوبولوس (9 أنواع) و رودوتورولا (16 نوعًا) [5 ، 25]. من أجل تحديد المسارات التطورية المحتملة بين هذه الخمائر الحمراء ، قمنا ببناء شجرة النشوء والتطور مع متواليات 26S rDNA المتاحة. كما هو مبين في الشكل 1 ، بالنسبة للجنس سبوروبولوميسس، أظهر NGR علاقة تطورية أوثق مع S. ruberrimus و S. koalae من الأنواع الأخرى ، ولا سيما بالنسبة S. johnsonii و S. salmonicolor. الجنس رودوسبوريديوبولوس يضع علاقة تطورية أوثق مع رودوتورولا من مع سبوروبولوميسس. الأبواغ المقذوفة ليست موحدة في الأنواع من رتبة Sporidiobolales ، ومع ذلك ، فهي نمط متخصص من الجنس سبوروبولوميسس لكنه غائب في رودوتورولا ونوعان مميزان من Rhodosporidiobolus (R. lusitaniae و R. colostri) [26،27،28]. يقترح أن نفس سلف سبوروبولوميسس و رودوسبوريديوبولوس الأنواع تبادل لاطلاق النار ballistospores. ومع ذلك ، فقد فقدت القدرة على إطلاق الباليستوسبوريس تدريجيًا R. lusitaniae / R. كولوستري أو غيرها غير موصوفة رودوسبوريديوبولوس محيط. في وقت لاحق ، بعض رودوسبوريديوبولوس خضعت الأنواع التي تفتقر إلى القدرة على إطلاق القذائف على سلسلة من العمليات التطورية لتشكل رودوتورولا محيط. في حين أن هذه الفرضيات الأساسية غير مثيرة للجدل ، هناك حاجة إلى مزيد من التحقق على أساس اكتشاف المزيد من أنواع Sporidiobolales الجديدة والحصول على بيانات الجينوم الخاصة بهم.

شيدت شجرة النشوء والتطور من رتبة الخمائر Sporidiobolales وأنواع المجموعة الخارجية بواسطة طريقة الجار-الانضمام وتحليل التمهيد (1000 مكررة) بناءً على محاذاة تسلسل 26S rDNA. تم تمييز خط الضغط NGR بخط غامق. تشير الأرقام الموجودة في العقد إلى احتمالات التمهيد لفرع معين. تم تمثيل الكائنات الحية التي تنتمي إلى نفس الجنس على الجانب الأيمن ، ممثلة كـ رودوتورولا, رودوسبوريديوبولوس، و سبوروبولوميسس. يتم عرض المقياس (القيمة: 0.01) الذي يمثل استبدال النوكليوتيدات لكل جانب. يتم سرد أرقام الانضمام لإدخالات قاعدة البيانات المقابلة خلف الاسم اللاتيني لكل نوع. يتم تمثيل القدرة على تشكيل الباليستوسبوريات لكل دخول من شجرة النشوء والتطور أمام الاسم اللاتيني لكل نوع. نقطة حمراء لمن يشكلون الأبواغ المقذوفة ، ونقطة سوداء لمن لا يشكلونها ورمادية لتلك التي لا تتوفر معلومات عنها

تحليل مقارن لعائلات البروتين والجينات

تنبأ جينوم NGR بـ 5963 جينًا لترميز البروتين ، وتم شرح معظم الجينات في النوع. R. toruloides NP11. هذا يحفزنا على إجراء تحليل جينومي مقارن بين S. pararoseus NGR و R. toruloides NP11. من أجل استبعاد الجودة المتأصلة في الخميرة ، أضفنا الخميرة النموذجية S. cerevisiae S288C كعنصر تحكم. كما هو مبين في الشكل 2 أ ، قمنا بمقارنة توزيع الجينات بين الخمائر الثلاثة. من أجل تحديد عائلات الجينات / البروتين الخاصة بالأنواع ، أجرينا مقارنات زوجية باستخدام سلسلة من عمليات بحث BLASTX ضمن الأنواع الثلاثة. كما هو مبين في الشكل 2 ب ، تم تحديد ما مجموعه 14408 عائلة بروتينية بناءً على أوجه التشابه في التسلسل (5751 عائلة لـ NGR ، و 7935 عائلة لـ NP11 ، و 5485 عائلة لـ S288C). 1975 (2077 جينًا) ، 4102 (4159 جينًا) ، و 4485 (4736 جينًا) كانت عائلات البروتين خاصة بالأنواع في S. pararoseus NGR ، R. toruloides NP11 و S. cerevisiae S288C ، على التوالي. كما هو مبين في الشكل 2 ج ، أجرينا تحليل GO باستخدام الجينات الخاصة بكل نوع من الأنواع الثلاثة. أما عن جينات S. pararoseus تم إثراء NGR ، 106 (16.4٪) ، 280 (43.3٪) و 261 (40.3٪) في CC ، MF و BP ، على التوالي. وجدنا أن شروط GO المخصّصة بشكل كبير لـ S. pararoseus الجينات الخاصة بأنواع NGR التي تحتوي على ، CC: النواة ، الغشاء ، ومتكامل مع الغشاء MF: ربط البروتين ، ربط الحمض النووي ، وربط أيون الزنك BP: تنظيم النسخ المعتمد على الحمض النووي ، النقل ، النقل عبر الغشاء ، نقل البروتين داخل الخلايا ، التمثيل الغذائي للكربوهيدرات عملية الأكسدة والاختزال. بعد ذلك ، قمنا بتنفيذ رسم خرائط مسار KEGG لـ S. pararoseus الجينات الخاصة بأنواع NGR. كما هو مبين في الشكل 2 د ، فإن المسارات المخصبة بشكل كبير (أعلى 20) من S. pararoseus الجينات الخاصة بأنواع NGR بما في ذلك مسار إشارات MAPK - الخميرة ، و spliceosome ، ونقل RNA ، ومسارات مراقبة mRNA (ملف إضافي 12).

تحليل الجينوم المقارن S. pararoseus NGR ، R. toruloides NP11 و S. cerevisiae S228C. أ توزيع الجينات أحادية النسخة ومتعددة النسخ والخاصة بالأنواع بين ثلاث خمائر. ب تمثيل مخطط Venn للجينات المشتركة / الفريدة بتنسيق S. pararoseus NGR والمقارنة مع تلك الموجودة في R. toruloides و S. cerevisiae. ج النسبة المئوية لأعداد الجينات لعائلات البروتين الخاصة بالأنواع المطابقة لفئات GO المختلفة ، في ثلاثة جينومات الخميرة ، على التوالي. د أفضل 20 مسارًا لـ KEGG المخصب للجينات الخاصة بالأنواع في S. pararoseus جينومات NGR. العامل الغني هو نسبة أعداد الجينات المخصبة إلى إجمالي عدد الجينات في هذا المسار. كلما زاد عامل الثراء ، زادت درجة التخصيب. تتراوح قيمة Q من 0 إلى 1 وكلما اقتربنا من الصفر ، زادت أهمية التخصيب

من بين الجينات الخاصة بالأنواع ، تم اعتبار NGR-1A3721 التي تم تعيينها لمصطلح GO لإنبات البوغ (GO: 0009847) أحد المرشحين لتشكيل الباليستوسبورات. علاوة على ذلك ، فإن الجينات الخاصة بالأنواع الخاصة بـ NGR المتضمنة في مسارات KEGG لاستقلاب السكر ، بما في ذلك السكر الأميني وأيض سكر النوكليوتيدات (ko00520) ، البنتوز والغلوكورونات البينية (ko00040) ، استقلاب النشا والسكروز (ko00500) ، استقلاب الجالاكتوز (ko00052) ) ، استقلاب الفركتوز والمانوز (ko00051) ، وأيض البوتانوات (ko00650) قد تكون مرتبطة بانتشار الباليستوسور كما ورد في الدراسات السابقة [29 ، 30]. في الآونة الأخيرة ، Ianiri et al. ذكرت أن جين ديهيدراتاز 3-هيدروكسي أسيل- CoA Phs1 ليست مسؤولة فقط عن التخليق الحيوي للأحماض الدهنية ذات السلسلة الطويلة جدًا ، ولكن أيضًا عن إطلاق القذائف في سبوروبولوميسس ص. IAM 13481 [31]. ومع ذلك ، وجدنا هذا Phs1 الجين في كليهما S. pararoseus NGR و R. toruloides الجينوم. وعلاوة على ذلك، فإن Phs1 لم يكن الجين قويًا إيجابيًا أو سلبيًا تم اختياره في تحليل معدلات الاستبدال (Ka / Ks). لذلك ، فإن Phs1 يجب أن يكون محددًا غير مباشر لإطلاق القذائف في الجنس سبوروبولوميسس.


تطبيقات الأحجار الكريمة

تم استخدام الأحجار الكريمة للكائنات المختلفة على نطاق واسع في الاكتشافات العلمية وكذلك في مختلف التطبيقات الصناعية والطبية [7 ، 109 ، 110]. الأهم من ذلك ، أدى تطوير طرق تكامل بيانات omics لـ GEMs إلى توسيع نطاق تطبيق GEMs [111] من خلال تكييف GEM وفقًا لشروط محددة من الاهتمام. تتضمن خوارزميات تكامل بيانات omics ذات الصلة [5 ، 112 ، 113] GIMME [114] و iMAT [115] و MBA [116] و INIT [117] و mCADRE [118] و tINIT [119] و CORDA [120] و TIMBR [121]. يعد تكامل بيانات omics مع GEMs مهمًا بشكل خاص لنمذجة الكائنات متعددة الخلايا ، مثل الإنسان والنباتات ، لأن الأحجار الكريمة العامة المتوفرة لهذه الكائنات تحتاج إلى تحويلها إلى GEMs الخاصة بالسياق. لا تتناول الأحجار الكريمة العامة عملية التمثيل الغذائي الخاصة بحالة معينة لأنها تحتوي على معلومات عن جميع الجينات الأيضية بغض النظر عن مستويات تعبيرها في نسيج أو نوع خلية معين. تشمل الدراسات ذات الصلة التي تشتمل على GEMs الخاصة بالسياق التنبؤ بحالة معينة (على سبيل المثال ، خاصة بمرحلة دورة الحياة أو بيئة الزراعة) أهداف العقاقير في مسببات الأمراض ، والتنبؤ بالتفاعلات الأيضية للمضيف الممرض ، وتوصيف التمثيل الغذائي المعاد برمجته لسرطان الكبد الخلايا الجذعية (LCSCs) وبطانة مرضى الإنتان ، والتي تمت مناقشتها جميعًا أدناه. مزيد من التفاصيل حول مختلف طرق تكامل بيانات omics تمت مناقشتها بدقة في مكان آخر [5 ، 112 ، 113].

إنتاج الكيماويات والمواد

لطالما استخدمت GEMs للتنبؤ بأهداف التلاعب الجيني الفعال (عن طريق الضربة القاضية أو من خلال رفع أو خفض تنظيم التعبير الجيني ، على سبيل المثال) من أجل تحسين الإنتاج الميكروبي للمواد الكيميائية والمواد. والجدير بالذكر أن الأحجار الكريمة قد طبقت لإعادة تصميم جوانب التمثيل الغذائي لكل من البكتيريا وحقيقيات النوى من أجل إنتاج عدد متزايد من المواد الكيميائية والمواد. ومن الأمثلة الحديثة على ذلك الإنتاج المعزز للبوليمرات العطرية التي تشتمل على حمض الفينيلاكتيك كمونومر (على سبيل المثال ، بولي (3-هيدروكسي بوتيرات-كو- د-فينيلاكتات)) باستخدام الهندسة الأيضية بكتريا قولونية سلالات (الشكل 2 أ) [122]. تمت محاولة الإنتاج المباشر لحمض د-فينيلاكتيك من الجلوكوز من خلال تنفيذ تحليل استجابة التدفق لـ بكتريا قولونية GEM iJO1366 [20] لدراسة تأثيرات هندسة التفاعلات التخليقية الحيوية للأحماض الأمينية المركزية والعطرية على إنتاج حمض الفينيلاكتيك. الضربات القاضية الإضافية من tyrB و آسيا والمحيط الهادئ الجينات في بكتريا قولونية نجحت السلالة القاعدية (XB201T) التي تنتج 0.55 جم / لتر من حمض الفينيلاكتيك في زيادة إنتاج حمض فينيلاكتيك إلى 1.62 جم / لتر. أنتج التخمير على دفعات التغذية من السلالة النهائية 13.9 جم / لتر من البولي (61.9 مول٪ 3-هيدروكسي بوتيرات- co-38.1 مول٪ د-فينيلاكتات).

تطبيقات الأحجار الكريمة لإنتاج المواد الكيميائية والمواد ، واستهداف الأدوية في مسببات الأمراض ، والتنبؤ بوظائف الإنزيم ، وتحليل رد الفعل الشامل. أ. تحليل الاستجابة الجريان باستخدام الإشريكية القولونية تم استخدام GEM iJO1366 [20] لتحديد أهداف معالجة الجينات لتحسين إنتاج مونومر حمض فينيلاكتيك بوليمر عطري في بكتريا قولونية [122]. السلالة النهائية لها جينان إضافيان (tyrB و آسيا والمحيط الهادئ) خرج من ملف بكتريا قولونية سلالة القاعدة XB201T التي تعبر عن AroG fbr و PheA fbr و FldH. أنتجت السلالة النهائية 1.62 جم / لتر من حمض فينيلاكتيك ، أكثر بكثير من 0.55 جم / لتر التي تنتجها السلالة الأساسية. ب إعادة بناء يارويا ليبوليتيكا GEM iYLI647 وتطبيقاته للتنبؤ بأهداف هندسة التفاعل باستخدام أربعة استراتيجيات مختلفة في تصميم سلالة السيليكو [123]. ج تحديد أهداف الأدوية المضادة للملاريا الخاصة بالمرحلة المتصورة المنجلية باستخدام الأحجار الكريمة الخاصة بالمراحل والتي تمثل خمس مراحل مختلفة لدورة الحياة [124]. د إعادة بناء الأحجار الكريمة لـ راكدة بومانية باستخدام العديد من قواعد البيانات وتطبيقاتها للتنبؤ بأهداف دوائية خاصة بحالة معينة لمكافحة مقاومة المضادات الحيوية A. baumannii [125]. ه اكتشاف وظائف إيزوزيم جديدة للجينات التي ثبت أنها غير ضرورية في التجارب ولكن تم التنبؤ بأنها ضرورية في محاكاة الجينات الجينية لـ بكتريا قولونية iJO1366 GEM (أي التنبؤ السلبي الكاذب لـ آسيا والمحيط الهادئ الجين) [126]. وجد أن التيروزين أمينوترانسفيراز ، والذي تم ترميزه بواسطة tyrB (خط أحمر) ، يمكن أن يعوض فقدان الأسبارتات aminotransferase ، المشفر بواسطة آسيا والمحيط الهادئ، والذي يحفز تحويل l -aspartate (l -Asp) و α-ketoglutarate (Akg) إلى oxaloacetate (Oaa) و l -glutamate (l -Glu). gDCW / لتر غرام جاف زنزانة الوزن لكل لتر. F تحدد طريقة PROmiscuity PrEdictoR (PROPER) الإنزيمات المختلطة على مقياس الجينوم في الكائن المستهدف [127]. وظائف منحل لجميع الجينات في الكائن المستهدف (بكتريا قولونية) باستخدام طريقة PROPER و بكتريا قولونية GEM من نموذج SEED ، والذي حدد 98 طريقًا بديلًا للتخليق الحيوي للعديد من المستقلبات. على سبيل المثال ، منتج ثيج الجين فيها بكتريا قولونية وجد حديثًا أنه يقوم بالتخليق الحيوي لبيريدوكسال 5′-فوسفات ، والذي يُعرف أيضًا أنه مركب حيويًا بواسطة منتج pdxB الجين. ز تحليل لعموم رد الفعل والإكسسوار المتفاعل 410 السالمونيلا تمتد سلالات 64 serovars باستخدام الأحجار الكريمة الخاصة بهم [128]. كشفت محاكاة الأحجار الكريمة تحت ظروف المغذيات المختلفة عن القدرات التقويضية المختلفة للسلالات المختلفة بالإضافة إلى بيئات النمو المفضلة لديهم. ح تحليل لعموم رد الفعل والإكسسوار المتفاعل لـ 24 بنسيليوم الأنواع باستخدام الأحجار الكريمة الخاصة بهم [129]. كشف التجميع الهرمي لـ 24 GEMs عن رؤى إضافية في مسارات التخليق الحيوي للأيضات الثانوية ، والتي نجحت في تمييز الكتل الأيضية

في مثال آخر يشمل يارويا ليبوليتيكا، وهو كائن حي دقيق حقيقي النواة معروف بتراكم كميات كبيرة من الدهون [130] ، وقد استخدم GEM لتحسين إنتاج حمض الدوديكانيدويك [123] (الشكل 2 ب). أولا ، جوهرة من Y. ليبوليتيكا، iYLI647 ، تم إعادة بنائه حديثًا واستخدامه لإيجاد تفاعلات مستهدفة يمكن أن تؤدي إلى زيادة إنتاج حمض الدوديكانيديويك [123]. لهذا ، تم تنفيذ العديد من طرق تصميم سلالة السيليكو باستخدام iYLI647 ، بما في ذلك (1) تحليل نشاط التدفق (طريقة لفحص آثار التغييرات في تدفقات التفاعل الفردي على معدل إنتاج كيميائي مستهدف) [131] وتحسين السلالة القائم على النسخ. أداة (tSOT) [132] ، وكلاهما يحدد أهداف الإفراط في التعبير (2) التصميم الجيني عن طريق البحث المحلي (GDLS) [133] ، والذي يستخدم لتحديد أهداف الضربة القاضية و (3) تحليل تعديل العامل المساعد (CMA) [134] ، الذي يحدد أهداف تعديل العامل المساعد. يسمح تطبيق مثل هذه الخوارزميات لإعادة تصميم التمثيل الغذائي للسلالة الميكروبية بتحديد أهداف أكثر قوة لمعالجة الجينات ، وأصبح ممارسة أساسية في الهندسة الأيضية.

استهداف المخدرات في مسببات الأمراض

تطبيق مهم آخر للأحجار الكريمة هو التنبؤ بجدوى كائن حي في ظل حالة معينة. تم استخدام نهج المحاكاة هذا لاقتراح أهداف دواء التمثيل الغذائي التي يمكن أن يؤدي تثبيطها إلى قتل العامل الممرض بشكل فعال. يمكن استخدام GEM لمسببات الأمراض المستهدفة للتنبؤ بالجينات الأساسية (أو التفاعلات) [32 ، 135] والمستقلبات الأساسية [136 ، 137] ، كل منها يمكن أن يؤدي إلى استراتيجية مختلفة لاكتشاف الدواء. اقترحت دراسة حديثة باستخدام GEMs أهدافًا دوائية في المتصورة المنجلية الخاصة بمرحلة دورة حياة العامل الممرض المسبب للملاريا [124]. المتصورة المنجلية يمر بدورة حياة معقدة لإعادة إنتاج نفسه [138]. نظرًا لأن كل مرحلة من مراحل دورة الحياة لها بنية شبكة استقلابية مختلفة ، فمن المحتمل أنه يمكن العثور على أهداف دوائية مختلفة لكل مرحلة. وهكذا ، فإن الأحجار الكريمة الخاصة بمرحلة المتصورة المنجلية أعيد بناؤها [124]. أدى تكامل GEM العام مع بيانات النسخ وعلم وظائف الأعضاء الخاصة بالمرحلة ، مثل معدلات النمو الخاصة بالمرحلة ومعدلات إفراز المستقلب ، إلى خمسة نماذج خاصة بالمراحل تمثل trophozoite ، و schizont ، و gametocyte المبكرة ، و gametocyte المتأخرة ، و ookinete (الشكل . 2 ج). أظهر تحليل الجينات الجينية للأحجار الكريمة الخاصة بالمرحلة دقة 71.2 ٪ مقارنة بأهداف العقاقير الموصوفة تجريبياً (42 من أصل 59 هدفاً دوائياً). تشير نتيجة التنبؤ إلى أن جودة ملف المتصورة المنجلية يحتاج GEM إلى مزيد من التحسين. بالإضافة إلى ذلك ، يجب تحديد أهداف دوائية جديدة تتجاوز هذه الأهداف الـ 59 ، خاصة الأهداف الجديدة التي تكون فعالة في مراحل تكاثر الخلايا المشيمية والمتأخرة. ستكون مناهج المحاكاة والنمذجة الخاصة بدورة الحياة مثل هذه مهمة لاستهداف الأدوية في مسببات الأمراض الأخرى التي تظهر مراحل حياة مختلفة ، ولكن هذا النهج يتطلب الحصول على بيانات omics الخاصة بالمرحلة.

كما تم إجراء استهداف العقاقير الخاص بالحالة باستخدام GEM لـ راكدة بومانية [125] ، وهي واحدة من ستة مسببات أمراض ESKAPE (المكورات المعوية البرازية, المكورات العنقودية الذهبية, الكلبسيلة الرئوية, A. baumannii, الزائفة الزنجارية، و المعوية spp.) المرتبطة بمقاومة مضادات الميكروبات [139]. على وجه التحديد ، نسخة محدثة من A. baumannii أعيد بناء GEM ، iLP844 ، وتحويله إلى GEMs خاصة بالظروف من خلال التكامل مع بيانات النسخ. تم الحصول على بيانات الترنسكريبتوم من الخلايا المعالجة وغير المعالجة بالكوليستين ، وهو أحد الملاذ الأخير للمضادات الحيوية ضد مسببات الأمراض المقاومة للأدوية المتعددة [125]. تم الحصول على أهداف دوائية خاصة بحالة معينة من خلال التنبؤ بالجينات الضرورية حصريًا في الخلايا المعالجة بالكوليستين ، وليست متماثلة مع أي جينات بشرية ، بحيث يتم تجنب الآثار الجانبية المحتملة في جسم الإنسان (الشكل 2 د). وتجدر الإشارة إلى أنه تم أيضًا تطبيق مناهج مماثلة للتنبؤ بالأهداف الدوائية للخلايا البشرية المريضة مثل السرطانات [119 ، 140]. بمجرد بناء GEM الخاص بحالة معينة ، يمكن التنبؤ بأهداف الأدوية بسهولة نسبيًا. تتمثل التحديات الأكثر تطلبًا في التحقق من صحة الأهداف تجريبيًا وتحديد الأدوية التي يمكن أن تثبط بشكل فعال أهداف الدواء المتوقعة.

التنبؤ بوظائف الإنزيم

يسمح التحليل الدقيق لنتائج المحاكاة من GEM أيضًا بتحديد التفاعلات غير المحددة مسبقًا أو وظائف الإنزيم. في هذا السياق ، توضح دراستان تمثيليتان كيف يمكن استخدام الأحجار الكريمة للكشف عن وظائف إضافية للإنزيم. ركزت إحدى الدراسات على مجموعة من الجينات التي تم عرضها في التجارب على أنها غير أساسية ، ولكن كان من المتوقع أن تكون ضرورية في محاكاة الجينات الجينية لـ بكتريا قولونية GEM iJO1366 (على سبيل المثال ، كان هناك تنبؤ سلبي كاذب لنمو الخلية الشكل 2 هـ) [126]. كان يُعتقد أن مثل هذه التنبؤات السلبية الكاذبة ناتجة عن وجود ردود فعل غير معروفة سابقًا جعلت الجين غير الأساسي ضروريًا عند الضربة القاضية في السيليكو. من بين الجينات "السلبية الكاذبة" ، آسيا والمحيط الهادئ, أرجد، و جلت تم اختيارهم للتحقق التجريبي لأن تحليل التماثل المتسلسل حدد الإنزيمات المرشحة عالية الثقة. كشفت الضربة القاضية للجينات التي تشفر الإنزيمات المحتملة أن التيروزين أمينوترانسفيراز ، والذي يتم ترميزه بواسطة tyrB، يمكن أن تعوض عن فقدان الأسبارتات aminotransferase ، الذي تم ترميزه بواسطة آسيا والمحيط الهادئ (الشكل 2 هـ). حدد نهج الضربة القاضية نفسه أيضًا الإنزيمات المحتملة التي يمكن أن تكون بمثابة إنزيمات تفاعل بديلة لتلك المشفرة بواسطة أرجد و جلت.

في دراسة أخرى ، تم تطوير طريقة جديدة تسمى PROmiscuity PrEdictoR (PROPER) [127] للتعرف على الإنزيمات المختلطة في الكائن المستهدف على نطاق الجينوم. لتنفيذ PROPER ، تم بناء أشجار التشابه الجيني لجميع الجينات في بكتريا قولونية استخدام BLAST المتكرر للموضع (PSI) ، والذي يُظهر جيناتها المتماثلة من قاعدة بيانات SEED. تم استخدام أشجار التشابه الجيني لإنشاء مصفوفة تقدم الوظائف المختلطة الأولية والمحتملة (أي التفاعلات الأيضية) لـ بكتريا قولونية الإنزيمات المشفرة بواسطة الجينات المقابلة. أخيرًا ، تم تحديد الجينات "البديلة" في المصفوفة ، والتي لها وظيفة مختلطة محتملة مماثلة للوظيفة الأساسية لجين آخر أساسي شرطي (الجين "الهدف") في بكتريا قولونية. يمكن التحقق من صحة الوظيفة المختلطة المحتملة للجين البديل إذا كان التعبير عن هذا الجين يمكن أن يمنع موت الخلية عند خروج الجين المستهدف. من بين أزواج الجينات المستبدلة المستهدفة المتوقعة باستخدام طريقة PROPER و بكتريا قولونية GEM من نموذج SEED [93] ، و pdxBثيج تم التحقق من صحة زوج الجينات تجريبياً (الشكل 2f). ال pdxB الجين هو جين أساسي مشروط يشارك في التخليق الحيوي لبيريدوكسال 5′-فوسفات في بكتريا قولونية، وخدم كجينة مستهدفة في هذه الدراسة. ال ثيج الجين ، وهو جين بديل في هذه الدراسة ، يشفر 1-deoxy- d -xylulose 5-phosphate: thiol sulfurtransferase ، وهو إنزيم في مسار التخليق الحيوي للثيازول ، والذي ثبت أنه يصنع بيريدوكسال 5′-فوسفات دون إشراك الإنزيم المشفر بواسطة pdxB.

أثبتت هاتان الدراستان أن GEM عالي الجودة للكائن المستهدف يسمح بالتنبؤ بوظائف الإنزيم الجديدة واختلاط الإنزيم ، وهو أمر مفيد للغاية لأنه لم يتم التحقق من صحة جميع وظائف الإنزيم بشكل تجريبي.

تحليل عموم ريكتوم

تسمح الموارد الحسابية لإعادة بناء GEM عالية الإنتاجية الآن بتحليل التمثيل الغذائي للعديد من الكائنات الحية ، بما في ذلك سلالات متعددة من نوع واحد [141 ، 142] أو أنواع متعددة من جنس واحد [128 ، 129]. يوفر تحليل عموم رد الفعل ، مجموعة كاملة من التفاعلات ، للكائنات ذات الصلة بيولوجيًا باستخدام الأحجار الكريمة ، فهمًا أفضل للسمات الأيضية وأنماط الحياة لهذه الكائنات. تم تطبيق هذا المفهوم لدراسة السمات الأيضية لـ 410 السالمونيلا تمتد سلالات 64 serovars ، عن طريق إعادة بناء GEM لكل سلالة [128]. كشفت عملية التفاعل الشامل المركبة أن الاختلافات الأيضية بين السلالات تأتي من التفاعل الإضافي ، وهي مجموعة من التفاعلات الموجودة في بعض السلالات فقط. كانت هذه التفاعلات متورطة إلى حد كبير في استقلاب الكربون البديل وفي استقلاب جدار الخلية أو الغشاء. على وجه الخصوص ، يمكن تمييز السلالات على أساس قدراتها التقويضية المختلفة من خلال تحليل نموها في ظل ظروف المغذيات المختلفة في السيليكو (الشكل 2g). ساعد الاستقصاء الإضافي لقدرات التقويض الخاصة بالمصلي على الكشف عن بيئات النمو التي يفضلها السالمونيلا serovars وقدمت معلومات حول تطورها. لقد ساهمت أدوات إعادة بناء GEM التلقائية بالتأكيد في تحليل عموم التفاعل ، وسيستمر تطبيقها على مجموعات مختلفة من الكائنات الحية ذات الصلة بيولوجيًا ذات الأهمية العلمية والصناعية و / أو الطبية العالية.

على نفس المنوال ، تم إجراء تحليل شامل للتفاعل لتوفير معلومات حول ميزات التمثيل الغذائي لـ 24 بنسيليوم الأنواع المعروفة بإنتاج المستقلبات الثانوية [129]. كشف تحليل الـ 24 من الأحجار الكريمة التي أعيد بناؤها أن معظم التفاعلات المشاركة في التمثيل الغذائي الأولي تم حفظها بين هذه الأنواع. أظهر التجميع الهرمي اللاحق لـ 24 GEMs أن مسارات التخليق الحيوي للأيضات الثانوية كانت أكثر المسارات تميزًا في التمييز بين الكتل الأيضية ، وأن هذه المسارات ساهمت في التنوع الجيني لـ 24. بنسيليوم الأنواع (الشكل 2 ح). أظهرت المقارنة بين الكتل الأيضية مع الكتل المصنفة نسبيًا ، والتي كانت تستند إلى تسلسل البروتين الكامل لكل نوع ، أن الأنواع الطبقية فقط باستخدام شجرة النشوء والتطور لا يمكن أن تفسر بشكل كامل الاختلافات الأيضية بين الأنواع. توضح هذه الدراسات التمثيلية أن استخدام الأحجار الكريمة يمكن أن يؤدي إلى رؤى بيولوجية إضافية لمجموعة من الكائنات الحية ذات الصلة بيولوجيًا. في المستقبل القريب ، سيؤدي إجراء تحسين GEM الآلي باستخدام البيانات التجريبية إلى تحسين جودة تحليل عموم التفاعل ، والذي يتم إجراؤه حاليًا بشكل أساسي باستخدام مسودة GEMs.

نمذجة التفاعلات بين خلايا أو كائنات متعددة

تعد نمذجة التفاعلات الأيضية بين الخلايا أو الكائنات الحية المتعددة أيضًا تطبيقًا مهمًا للأحجار الكريمة. تم استخدام هذا النهج في دراسات مختلفة للتفاعلات بين الميكروبات ، بما في ذلك التغذية المتقاطعة للكائنات الحية الدقيقة (أو تبادل المستقلبات بين الكائنات الحية الدقيقة) [92 ، 143 ، 144] والمسار التطوري للمجتمعات الميكروبية [145]. كشفت دراسة حديثة باستخدام الأحجار الكريمة أن إفراز المستقلبات غير المكلفة يساهم في نمو أفضل للكائنات الدقيقة المتفاعلة الأخرى ، وفي نهاية المطاف إلى تنوع تصنيفي أكبر في الطبيعة (على سبيل المثال ، في بيئة فقيرة بالمغذيات) [144]. تم تعريف المستقلبات غير المكلفة بأنها تلك التي لا تؤثر سلبًا على تكلفة لياقة الكائن المنتج (أي معدل النمو) عند الإفراز [144]. تمت محاكاة النمو المزدوج لـ 24 نوعًا من الميكروبات التي تم فحصها في هذه الدراسة في ظل ظروف بيئية مختلفة ، بما في ذلك مصادر الكربون المختلفة وتوافر الأكسجين المتفاوت ، من أجل دراسة آثار التغذية المتقاطعة للكائنات الدقيقة المقترنة على نموها (الشكل 3 أ). ). زاد عدد الوسائط التي سمحت بنمو واحد على الأقل من الكائنات الدقيقة بشكل كبير إذا تم السماح بتبادل المستقلبات غير المكلفة بين الكائنات الحية الدقيقة في المحاكاة. ومن المثير للاهتمام ، أن التبادلات ثنائية الاتجاه الأكثر تواترًا بين الكائنات الحية الدقيقة وعدد أكبر من المستقلبات غير المكلفة قد لوحظت في ظل الظروف اللاهوائية مقارنة بالظروف الهوائية. سمحت هذه المصممة بعناية في محاكاة السيليكو باستخدام الأحجار الكريمة بتحديد رؤى بيولوجية جديدة في التفاعلات بين الميكروبات على نطاق يصعب تكرارها تجريبيًا.

تطبيقات الأحجار الكريمة للتفاعلات الأيضية بين الأنواع وفهم الأمراض البشرية. أ محاكاة قائمة على GEM لتأثيرات المستقلبات غير المكلفة (أي المستقلبات التي ليس لها تأثير على معدل نمو الكائن الحي المنتج) التي يفرزها واحد على الأقل من كائنين دقيقين مقترنين على نموها في ظل الظروف اللاهوائية والهوائية [144]. تم زيادة عدد البيئات الداعمة للنمو نتيجة للتغذية المتقاطعة. ب تنبؤ المستقلبات (على سبيل المثال ، الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة [SCFAs]) المطلوبة أو التي تنتجها أربعة أنواع تمثيلية من الكائنات الحية الدقيقة في الأمعاء ، الإشريكية ص. ، Akkermansia muciniphila, متغير subdoligranulum، و Intestinibacter bartlettii، والتي من المعروف أنها تتأثر بداء السكري من النوع 2 (T2D) ، وهو عقار ميتفورمين [146]. ج التنبؤ بالمستقلبات التي تنتجها أنواع ميكروبيوتا الأمعاء من الأطفال الذين يعانون من سوء التغذية باستخدام الأحجار الكريمة المجتمعية التي تصف عملية التمثيل الغذائي لأنواع مجهريات الأمعاء المتعددة [147]. كانت نتائج التنبؤ متسقة مع ملامح مستقلب البلازما للأطفال. د توقع عملية التمثيل الضوئي المكبوتة لنبات البطاطس (Solanum tuberosum) عند الإصابة بمسببات الأمراض النباتية إنفستان فيتوفثورا، والذي يؤدي إلى استجابات دفاعية للنبات ضد هجوم العوامل الممرضة من خلال أكسجة الريبولوز 1،5-ثنائي الفوسفات (RuBP) وبالتالي يزيد في المستويات داخل الخلايا لأنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) [148]. كما انخفض تكوين جليسيرالديهيد -3 فوسفات (GAP) والنشا نتيجة الإصابة. ه تحديد الاختلافات الأيضية بين الخلايا الجذعية لسرطان الكبد (LCSCs) وغير خلايا LCSCs ، وعوامل النسخ المسؤولة عن التغيرات الأيضية ، باستخدام GEMs المدمجة مع بيانات النسخ [149]. F توصيف التمثيل الغذائي المعاد برمجته لخلايا البطانة لمرضى الإنتان باستخدام البطانة البشرية GEM ، iEC2812 [150]. تم إنشاء GEMs الخاصة بالسياق باستخدام بيانات النسخ والأيض التي تم الحصول عليها من الخلايا البطانية للوريد السري البشري (HUVECs) المعالجة بعديد السكاريد الدهني (LPS) و / أو الإنترفيرون- (IFN-). أشارت محاكاة الأحجار الكريمة الخاصة بالسياق إلى أن زيادة التمثيل الغذائي للجليكان والأحماض الدهنية أدت إلى زيادة تساقط الجليكاليكس ونفاذية البطانة حيث كان هناك التهاب بطاني. HPAEC خلية بطانية الشريان الرئوي البشري، HMVEC الخلايا البطانية الأوعية الدموية الدقيقة البشرية

في دراسة شملت مرضى السكري من النوع 2 الذين عولجوا بعقار الميتفورمين [146] (الشكل 3 ب) ، استقلاب أربعة أنواع ممثلة من مجهريات البقعة المعوية ، الإشريكية ص. ، Akkermansia muciniphila, متغير subdoligranulum، و Intestinibacter bartlettii، باستخدام الأحجار الكريمة الخاصة بهم. تم الحصول على الأحجار الكريمة من نماذج AGORA. عند العلاج بالميتفورمين ، الإشريكية ص. ، A. muciniphila، و متغير S. من المعروف أنها مخصبة في القناة الهضمية ، بينما I. bartlettii تم الإبلاغ عن انخفاض. في دراسات المحاكاة ، تم التنبؤ بالبكتيريا المساهمة أو المتنافسة من خلال محاكاة الأحماض الدهنية للأحماض الدهنية قصيرة السلسلة (على سبيل المثال ، أحماض الأسيتيك والزبدية) والأحماض الأمينية والغازات (على سبيل المثال ، H2، ح2S و CH3SH) ، وكلها تلعب أدوارًا مهمة في كل من التفاعلات الأيضية بين الميكروبات وتنظيم التمثيل الغذائي البشري. على سبيل المثال، الإشريكية ص. و متغير S. من المتوقع أن يساهم في إنتاج الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة في ظل الظروف الهوائية واللاهوائية. بالإضافة الى، الإشريكية ص. كان أقل تأثراً بتوافر المغذيات المعوية. إن تغطية مجموعة أكبر من الكائنات الحية الدقيقة والمستقلبات المتبادلة فيما بينها سيضيف قيمة علمية أكبر للدراسات القائمة على GEM لميكروبات معينة.

في هذا الصدد ، هناك دراسة حديثة أخرى تستحق الاهتمام أيضًا. كومار وآخرون. [147] فحصت إنتاج المستقلبات عن طريق ميكروبيوتا الأمعاء عند الأطفال المصابين بسوء التغذية باستخدام الأحجار الكريمة لـ 58 نوعًا تمثيليًا من ميكروبيوتا الأمعاء (الشكل 3 ج) [147]. تم إعادة بناء الأحجار الكريمة لـ 58 نوعًا من الكائنات الحية الدقيقة التمثيلية باستخدام نموذج SEED ثم استخدامها لفحص الاختلافات الأيضية (أي التفاعلات الشائعة والفريدة) بين هذه الكائنات الحية الدقيقة. تم أيضًا إعادة بناء نماذج التمثيل الغذائي المجتمعية (CMMs) من خلال دمج GEMs لأنواع الكائنات الحية الدقيقة الفردية وفقًا لتكوين ميكروبيوتا الأمعاء ، حيث يمثل كل CMM جميع أنواع الكائنات الحية الدقيقة المعوية لكل طفل. كشفت محاكاة CMMs أن إنتاج الأحماض الأمينية الأساسية من قبل ميكروبيوتا الأمعاء للأطفال الذين يعانون من سوء التغذية قد انخفض ، وهو ما يتوافق مع ملامح مستقلب البلازما للأطفال.إن تطوير استراتيجيات لعلاج الحالات الصحية غير الطبيعية على أساس النتائج المستخلصة من الأحجار الكريمة سيكون تحديًا كبيرًا في المستقبل القريب.

التفاعل الأيضي بين مضيف وممرض هو نوع آخر مهم من التفاعل بين الأنواع التي يمكن دراستها باستخدام الأحجار الكريمة [151]. في إحدى الدراسات الحديثة ، تم فحص تأثيرات العدوى الممرضة على قدرة النبات المضيف على التمثيل الضوئي باستخدام الأحجار الكريمة [148]. GEM عام لأوراق نبات البطاطس (Solanum tuberosum) لأول مرة ، وتم إنشاء ثلاثة GEMs خاصة بالسياق لاحقًا من خلال دمج بيانات النسخ من خلايا النباتات المصابة إنفستان فيتوفثورا، أحد مسببات الأمراض النباتية التي تسبب اللفحة المتأخرة ، في الأيام 0 و 1 و 2 بعد الإصابة (الشكل 3 د). تم استخدام الأحجار الكريمة الثلاثة الخاصة بالسياق بمفردها لاحقًا لاستنتاج التفاعلات الأيضية دون استخدام GEM الخاص بالممرض. كان من المتوقع أن تؤثر العدوى الممرضة على تدفقات دورة كالفين ، وبالتالي على تثبيت الكربون. على وجه الخصوص ، في اليوم الأول بعد الإصابة ، تم توقع انخفاض وزيادة نشاط الكربوكسيلاز وأنشطة الأكسجيناز لريبولوز-1،5-ثنائي فوسفات الكربوكسيلاز / أوكسيجيناز (RuBisCO) ، وهو أول إنزيم ملتزم بتثبيت الكربون في دورة كالفين ، على التوالى. من المعروف أن هذه التغييرات تقلل من عملية التمثيل الضوئي ، وبالتالي تحفز إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية ، والتي يمكن أن ترتبط بآلية دفاع سريعة ضد هجوم العوامل الممرضة. علاوة على ذلك ، كان من المتوقع أن ينخفض ​​تدفق تكوين جليسيرالديهيد 3-فوسفات في الجزء الثاني من دورة كالفن ، وكذلك تدفق التخليق الحيوي للنشا (مؤشر على صحة النبات) ، بشكل كبير من يوم 0 إلى يوم 1 ، ولكن يتعافى قليلاً في اليوم 3. الدراسات المستندة إلى GEM لاستراتيجيات حماية النباتات من مسببات الأمراض عن طريق فحص تدفقات دورة كالفين والمسارات الأخرى ، والتي تشير إلى الحالة الصحية للنبات ، ستكون ذات أهمية.

تمثل نمذجة التفاعلات بين خلايا أو كائنات متعددة ، وخاصة الكائنات الحية الدقيقة ، العديد من التحديات التقنية. أولاً ، الأنواع الميكروبية التي تشكل ميكروبيوتا معينة لم يتم توضيحها بشكل كامل في معظم الحالات ، إن لم يكن كلها. يفسر هذا جزئيًا سبب تبسيط المجتمعات الميكروبية التي تغطيها الدراسات الموضحة أعلاه من خلال النظر فقط في الأنواع الميكروبية التمثيلية. وبالتالي ، سيصبح استخدام الأحجار الكريمة أكثر قوة عندما يصبح من الممكن تحديد جميع (أو على الأقل معظم) الأنواع الميكروبية في مجتمع معين. على سبيل المثال ، يمكن اقتراح الكائنات الحية الدقيقة الرئيسية أو المستقلبات في ميكروبيوتا معينة بشكل أكثر منهجية من خلال فحص التفاعلات الأيضية بين مجموعات أكثر تنوعًا من الكائنات الحية الدقيقة من الكائنات الحية الدقيقة. هنا يمكن تطوير خوارزميات مختلفة للنمذجة والمحاكاة تتجاوز FBA ، اعتمادًا على هدف الدراسة ومقياس النمذجة الأيضية التي سيتم فحصها. ثانيًا ، من الصعب للغاية قياس المستقلبات التي يتم تبادلها بواسطة الأنواع الميكروبية في الجسم الحي. كانت تحليلات الأيض باستخدام الغذاء والبراز و / أو المصل هي الأساليب الأكثر ممارسة لتوصيف التمثيل الغذائي لأنواع الكائنات الحية الدقيقة ، ولكن لا يزال لديها قيود في الكشف عن تبادل الأيض بواسطة الأنواع الميكروبية في الجسم الحي. وقد أدت هذه القضية إلى مناقشات نشطة حول الحاجة إلى تحديد وتطبيق قيود دقيقة خاصة بالظروف على GEMs لأنواع ميكروبيوتا الأمعاء وإجراء معالجة يدوية على مستوى المجتمع لـ GEM لكل نوع من الكائنات الحية الدقيقة في الأمعاء [152 ، 153]. أخيرًا ، من المهم جدًا إبلاغ علماء الأحياء المجهرية التجريبيين بكيفية إعادة بناء الأحجار الكريمة للميكروبات ، وكيفية استخدام بيانات omics لتحسين الأحجار الكريمة ، وما الذي يمكن استخدام الأحجار الكريمة لأنواع الكائنات الحية الدقيقة فيه. مجتمعة ، فإن تطوير التقنيات التجريبية والحاسوبية للقياس الدقيق للأيضات في الجسم الحي والتواصل المناسب مع علماء الأحياء المجهرية التجريبيين سيسمح بفهم أفضل للتفاعلات بين الميكروبات والميكروبات والمضيف والميكروبات. سيكون هذا مهمًا لأن GEMs لأنواع الكائنات الحية الدقيقة تميل إلى تقديم تنبؤات التدفق التي غالبًا ما تكون مختلفة عن تلك الخاصة بالكائنات النموذجية [152 ، 153].

فهم الأمراض التي تصيب الإنسان

تمت دراسة الأمراض البشرية أيضًا باستخدام GEMs الخاصة بالسياق لتوضيح الأعطال الأيضية في الخلايا التي تعاني من أمراض مزمنة أو حادة ، ولاقتراح أهداف علاجية فعالة. كانت السرطانات ، بما في ذلك سرطانات الكبد [140 ، 154155156] ، الثدي [157] ، البروستاتا [158] ، الرئة [159] ، والقولون والمستقيم [160] ، الهدف الأكثر نشاطًا للأحجار الكريمة الخاصة بالسياق. كما تم فحص الأمراض المزمنة ، بما في ذلك NAFLD [161] والسمنة [140] ، باستخدام الأحجار الكريمة الخاصة بالسياق. في دراسة أجراها Hur et al. [149] ، تم التحقيق في استقلاب LCSCs التي أظهرت مقاومة علاجية في سرطان الخلايا الكبدية بالمقارنة مع غير LCSCs من خلال بناء GEMs الخاصة بالسياق لكلا النوعين من الخلايا باستخدام بيانات النسخ الخاصة بهم [149] (الشكل 3 هـ). عند تحديد التفاعلات مع التدفقات التي اختلفت بشكل كبير بين LCSCs وغير LCSCs ، تم تتبع عوامل النسخ المعروفة بأنها مرتبطة بهذه التفاعلات. نتيجة لذلك ، تم العثور على MYC ، وهو عامل نسخ مهم في تكاثر الخلايا ، من بين عوامل النسخ الأخرى ، ليكون متورطًا بشكل كبير في التمثيل الغذائي المتغير في LCSCs. تم التحقق من صحة هذا التوقع تجريبيًا ، مما يوفر نظرة ثاقبة لعملية التمثيل الغذائي المعاد برمجته في LCSCs. هذا التحليل المقارن المستند إلى GEM ، إلى جانب استخدام بيانات omics ذات الصلة ، قابل للتطبيق أيضًا في شرح عملية التمثيل الغذائي المعاد برمجته لأنواع أخرى من الخلايا السرطانية أو الخلايا غير الطبيعية الأخرى التي تمثل حالات مرضية.

استخدمت دراسات أخرى GEMs للتنبؤ بتوزيعات التدفق الأيضي داخل الخلايا في الأمراض الحادة مثل الإنتان [150] والعدوى الفيروسية [162]. في إحدى الدراسات ، تم التحقيق في التمثيل الغذائي المعاد برمجته للبطانة في مرضى الإنتان (الشكل 3 و) [150]. تمت إعادة بناء البطانة البشرية GEM ، iEC2812 ، ودمجها مع بيانات النسخ لتمثيل التمثيل الغذائي لثلاثة أنواع فرعية بطانية: خلية بطانية الشريان الرئوي البشري (HPAEC) ، وخلية بطانية للوريد السري البشري (HUVEC) ، وخلية بطانية وعائية مجهرية بشرية (HMVEC). تمت مقارنة الهياكل الشبكية للأحجار الكريمة الثلاثة الخاصة بالسياق مع بعضها البعض من أجل تحديد الاختلافات الأيضية بين الأنواع الفرعية البطانية الثلاثة ، والتي حدثت بشكل رئيسي في استقلاب النوكليوتيدات. علاوة على ذلك ، أعيد بناء GEMs الخاصة بالسياق لـ HUVECs باستخدام بيانات النسخ والأيض ، والتي تم الحصول عليها من عديدات السكاريد الدهنية (LPS) و / أو HUVECs المعالجة بالإنترفيرون (IFN-γ). يؤدي علاج الخلايا البطانية باستخدام LPS و IFN-إلى حالة خلوية مماثلة لتلك التي تظهر تحت العدوى البكتيرية وأثناء الاستجابة المناعية ، على التوالي. تنبأت هذه الأحجار الكريمة الخاصة بالسياق الخاصة بـ HUVECs المعالجة بـ LPS و IFN-γ بتدفقات مرتفعة من خلال استقلاب الجليكان والأحماض الدهنية ، والتي وُجد أنها تزيد من تساقط الجليكاليكس ونفاذية البطانية في مرضى الإنتان.

ترتبط الأمراض البشرية بإشارات شديدة التعقيد وتسلسل الإشارات ، وبالتالي ، فإن استخدام المحاكاة القائمة على GEM وحده لا يمكن أن يوفر سوى رؤى محدودة عن المرض. في المستقبل ، يجب إجراء عدد من الدراسات المهمة لتوفير فهم أفضل للأمراض البشرية وللمساعدة في تصميم العلاجات المناسبة. أولاً ، بالإضافة إلى شبكة التمثيل الغذائي ، ينبغي أيضًا النظر في شبكات التنظيم و / أو الإشارات للسماح بوصف حسابي أكثر دقة للخلية المريضة. ترتبط هذه الأنواع المختلفة من الشبكات البيولوجية ببعضها البعض بطريقة معقدة للغاية. وبالتالي ، سيكون من الضروري في النهاية دمج شبكات التمثيل الغذائي والتنظيم الجيني والإشارات في النمذجة والمحاكاة. سيتطلب ذلك إطارًا حسابيًا مبتكرًا يسمح بالمحاكاة المتزامنة لتدفق المواد (شبكة التمثيل الغذائي) وتدفق المعلومات (شبكات تنظيم الجينات والإشارات). ثانيًا ، يتزايد الاعتراف بأن عددًا من الأمراض التي تصيب الإنسان يتأثر بشكل كبير بنمط حياة المرضى. وبالتالي ، سيكون من الضروري تطوير استراتيجيات لدمج الأحجار الكريمة البشرية مع إطار الطب الدقيق الذي لا يشمل فقط بيانات omics الخاصة بالمريض ولكن أيضًا بيانات نمط الحياة الشخصية ، مثل العادات الغذائية وأنماط الأنشطة البدنية المختلفة.


التطورات المستقبلية

بالنظر إلى الاستثمارات المطلوبة ، ما هي تكلفة تخليق الجينات التي قد نتوقع تحقيقها؟ اليوم ، تكلفة تخليق الجينات هي بنفس ترتيب تكلفة oligos المُصنَّعة بالعمود والمستخدمة في تجميعها. إذا تحول تخليق الجينات إلى oligos القائم على الصفيف ، فلا توجد أسباب أولية لعدم انخفاض التكاليف بمقدار 3-5 مرات لتتساوى مع تكلفة تجمعات oligo (1 دولار لكل 10 3-10 5 نقاط أساس). من المحتمل أن تكون الفوائد دراماتيكية مثل مكاسب الإنتاجية بسبب NGS ، لأن اختبار الفرضيات الجينية سيصبح بسيطًا كما يسمح لها التصميم والتحليلات. ومع ذلك ، فإن الاستثمارات الخاصة الكبيرة التي أدت إلى حدوث انخفاضات هائلة في تكاليف الدوائر المتكاملة وتسلسل الحمض النووي كانت مدفوعة إلى حد كبير بالتوقعات المعقولة لاستخداماتها على مستوى المستهلك على نطاق واسع: معالج في كل جيب وتسلسل الجينوم لكل شخص 136. في حين أن الأسواق الكبيرة التي يحتمل أن تستفيد من تخليق الجينات الرخيص ، بما في ذلك الزراعة والمواد الكيميائية والإنزيمات والمواد والأدوية ، فإن الحمض النووي الاصطناعي لا يخدم إلا كأداة بحث للمنتج النهائي (مع استثناء محتمل لتقنيات النانو DNA).

هل يمكن لجهود البيولوجيا التركيبية واسعة النطاق أن تساعد في زيادة الطلب بشكل كافٍ لتحفيز الاستثمارات؟ حتى في مختبرات الأبحاث الأكاديمية ، غالبًا ما تكون التكلفة النهائية لاختبار البنى البيولوجية الفردية للوظيفة أكثر تكلفة بكثير من تكاليف التركيبات الاصطناعية نفسها. وبالتالي ، فإن خفض تكاليف تخليق الجينات لن يؤثر بشكل كبير على الإنتاجية وحجم تدفقات العمل التجريبية الحالية. ومع ذلك ، فإن أنواع التجارب التي يتم إجراؤها قد تتغير أيضًا بشكل كبير. حدثت إحدى نقاط البيانات التي يجب مراعاتها قبل عقد من الزمان عندما تم الاستفادة من المصفوفات الدقيقة لأول مرة في تجمعات صغيرة رخيصة. على الرغم من أن التقارير الأولية استخدمت هذه المجمعات كبدائل إضافية لأوليجوس المركبة بالأعمدة ، فقد تكيف الباحثون بسرعة مع هذه القدرة التركيبية المتزايدة ، باستخدام أدوات المعلومات الحيوية القوية لتصميم مكتبات كبيرة من oligos الاصطناعية والمقايسات متعددة الإرسال المستندة إلى NGS لقياس نتائجها الوظيفية في وقت واحد. وقد أدى هذا مؤخرًا إلى العديد من التجارب المثمرة على مستويات لم يكن من الممكن تصورها قبل بضع سنوات فقط لمحقق فردي. وبالمثل ، من المرجح أن يغير التوليف الجيني الرخيص كيفية استخدامنا للجينات الاصطناعية من خلال تطوير أدوات تصميم قوية لمكتبات الجينات والمسارات والجينومات بالإضافة إلى المقايسات الرخيصة متعددة الإرسال لقياس أو تحديد وظيفتها. يمكن لمثل هذه النماذج التجريبية الجديدة أن تولد استخدامًا أكبر بكثير للجينات الاصطناعية مما هو متصور حاليًا. يتطلب التقدم الأولي الموضح في هذه المراجعة التفاؤل ونأمل أن يكون هناك طلب واستثمار كافيين لإحداث تقدم كبير في قدرتنا على تصميم وبناء واختبار وتحليل الفرضيات والتصاميم البيولوجية.


تطبيقات أخرى للمعلوماتية الحيوية

بصرف النظر عن تحليل بيانات تسلسل الجينوم ، تُستخدم المعلوماتية الحيوية الآن في مجموعة واسعة من المهام المهمة الأخرى ، بما في ذلك تحليل تباين الجينات والتعبير عنها ، وتحليل وتوقع بنية ووظيفة الجينات والبروتين ، والتنبؤ والكشف عن شبكات تنظيم الجينات ، والمحاكاة بيئات لنمذجة الخلية الكاملة ، والنمذجة المعقدة لديناميات وشبكات تنظيم الجينات ، وعرض وتحليل المسارات الجزيئية من أجل فهم تفاعلات الأمراض الجينية. 16 على الرغم من أنه على نطاق أصغر ، يمكن أن تختلف مهام المعلومات الحيوية الأبسط ذات القيمة للباحث السريري من تصميم الاشعال (متواليات قليلة النوكليوتيد القصيرة اللازمة لتضخيم الحمض النووي في تجارب تفاعل البوليميراز المتسلسل) للتنبؤ بوظيفة المنتجات الجينية.


مقارنة بين التقنيات الرئيسية & # x0201COmics & # x0201D

تتطلب الهندسة البيولوجية التنبؤ الدقيق للنمط الظاهري من النمط الجيني. وبالتالي ، فإن اختبار والتحقق من صحة الجينومات المعدلة والمركبة (أي الجينوميات) وكذلك دراسة الترنسكربيتوم (المجموعة الكاملة لنصوص الحمض النووي الريبي) ، والتي يتم التعبير عنها من الجينوم (أي ، النسخ) ، أمر بالغ الأهمية لتقييم هندسة الجينوم. اكتسبت البروتينات والأيض أيضًا الكثير من الاهتمام بسبب توفيرها للمعلومات الأيضية المتعلقة بكل من الوظيفة والنمط الظاهري (Baidoo ، 2019). قبل أربعين عامًا ، أدرك العلماء أن تدفق المعلومات البيوكيميائية في الأنظمة البيولوجية ليس أحادي الاتجاه من الجينوم إلى الأيض ، ولكنه مجموعة من التفاعلات بين & # x0201Comes & # x0201D (روبرتس وآخرون ، 2012). لذلك ، يعد نهج متعدد omics ضروريًا لتوضيح التركيب الكيميائي والوظيفة والتطوير والتكيف وتطور الأنظمة البيولوجية من أجل فهم أعمق لمبادئ الحياة (Baidoo ، 2019) (الشكل 1).

شكل 1. نظرة عامة على تدفق المعلومات الجزيئية من الجينات إلى المستقلبات إلى الوظيفة والنمط الظاهري ، والتفاعلات بين & # x0201Comes & # x0201D و & # x0201Comics & # x0201D التقنيات المستخدمة لقياسها.

بالمقارنة مع المستقلبات والبروتينات ، فإن الجينات أقل تغايرًا كيميائيًا. يتكون كل جين من الحمض النووي الذي يتكون من أربعة نيوكليوتيدات أساسية فقط (مثل الجوانين والأدينين والسيتوزين والثايمين) ، بينما يتكون كل بروتين من مزيج من 32 من الأحماض الأمينية ، في حين أن المستقلبات أكثر تغيرًا في تركيبها الكيميائي (وانج وآخرون ، 2010). لذلك ، يعد إجراء علم الجينوم وعلم النسخ أقل صعوبة من الناحية التحليلية ، عند مقارنته بالبروتيوميات والأيض (Aizat et al. ، 2018). وبالتالي ، فإن علم الجينوم وعلم النسخ يوفر أكثر المنصات شمولاً وقوة لتطبيقات التكنولوجيا الحيوية. على مدى العقود القليلة الماضية ، أظهرت الأبحاث أن علم الجينوم وعلم النسخ لا يمكن أن يوفر فقط وصفًا كاملاً للأنظمة البيولوجية المعقدة لأن المعلومات الجينية يمكن أن تنتج أسئلة أكثر من الإجابات. على سبيل المثال ، يمكن لعلم الجينوم أن يصف الجينات وتفاعلاتها (قياس التركيب الجيني) ولكن لا يمكنه تفسير الأنماط الظاهرية. وبالتالي ، يتم توجيه الانتباه إلى استخدام تقنيات & # x0201 المصورة & # x0201D الأخرى ، مثل البروتينات والأيض ، والتي يمكن أن تسد الفجوة بين الإمكانات الوراثية والنمط الظاهري النهائي لتسهيل فهم أكبر للأنظمة البيولوجية (Smith and Figeys ، 2006 Wilmes وآخرون ، 2015). بينما توفر النسخ (النسخ) والبروتيوميات (الترجمة) معلومات عن التعبير الجيني ، فإن الأخير يربط مباشرة بين النمط الجيني والنمط الظاهري. بالإضافة إلى توفير معلومات النمط الظاهري ، يوفر المستقلب استجابة فورية للاضطرابات الجينية و / أو البيئية ، وبالتالي ، يوفر لقطة سريعة للحالة الأيضية والفسيولوجية الفعلية للخلية (Tang ، 2011). ومع ذلك ، فإن الأيض وحده غير قادر على قياس التغيرات على مستوى الجينات وربطها بالخصائص التي يمكن ملاحظتها للكائنات الحية ، والأنماط الظاهرية ، التي ينتجها النمط الجيني في المقام الأول (Fiehn ، 2001). لذلك ، يتطلب الفهم الشامل للكائن الحي على المستوى الجزيئي تكامل بيانات & # x0201 Comics & # x0201D من أجل اكتشاف جزيئات ومسارات جديدة (Wang et al. ، 2010) (الشكل 1). يساعد تكامل بيانات & # x0201Comics & # x0201D على تقييم تدفق المعلومات من مستوى & # x0201 Comics & # x0201D إلى الآخر ، وبالتالي ، يربط النمط الجيني بالنمط الظاهري (Subramanian et al. ، 2020). علاوة على ذلك ، فإن الجمع بين تقنيات & # x0201Comics & # x0201D مهم لمعالجة الأسئلة البيولوجية المفتوحة (أي البحث المستند إلى البيانات) التي تسرع من فهمنا للنظام ككل وتعزز استخدام أدوات هندسة التمثيل الغذائي للأنظمة في الإعدادات الصناعية (Zhao et آل ، 2020).

علم الجينوم والنسخ

يعد بناء أنماط ظاهرية يمكن التنبؤ بها ومفضلة أمرًا بالغ الأهمية في البيولوجيا التركيبية ، وبالتالي ، فإن التحكم الصارم والقابل للضبط في التعبير الجيني أمر مرغوب فيه للغاية. علاوة على ذلك ، تستفيد الهندسة البيولوجية بشكل كبير من الابتكارات الحديثة في علم الجينوم وتقنيات تحرير الجينوم ، والتي توفر أدوات متقدمة لإعادة هندسة الأنظمة المتطورة بشكل طبيعي وبناء أنظمة جديدة أيضًا. بالإضافة إلى ذلك ، التقدم في من جديد التوليف و في الجسم الحي يُمكِّن استهداف الجينات من الاختبار الفعال للفرضيات التي يحركها النموذج. علاوة على ذلك ، يسمح علم الجينوم بتسلسل الحمض النووي عالي الإنتاجية والنمذجة ثنائية الجزيئات على نطاق واسع لشبكات التمثيل الغذائي والإشارات في السلالات الطبيعية والمهندسة (Pagani et al. ، 2012).

تحليل الجينوم والنسخ

تتمثل إحدى التحديات التي تواجه علم الجينوم التقليدي (وتحليلات & # x0201 Comics & # x0201D الأخرى) في أنه لا يمكن استزراع جميع الكائنات الحية الدقيقة في بيئة معملية. علاوة على ذلك ، قد تتصرف السلالات المعزولة في الثقافة بشكل مختلف عن بيئاتها الطبيعية. لذلك ، كانت هناك حاجة ملحة لتطوير طرق الزراعة المستقلة لدراسة المجتمعات الميكروبية (VerBerkmoes وآخرون ، 2009). يمكن أن تكشف Metatranscriptomics عن تنوع الجينات النشطة داخل المجتمعات الميكروبية (على سبيل المثال ، تسلسل الرنا الريباسي 16S لإعادة بناء السلالات) (Bashiardes et al. ، 2016).

تدرس Metagenomics بنية ووظيفة المادة الوراثية في عينات معقدة من كائنات متعددة وكذلك مجتمعات ميكروبية كاملة دون خطوة زراعة ويمكن أن تقدم حلاً لمثل هذه التحديات وتسهل اكتشاف الجينات الجديدة والإنزيمات والمسارات الأيضية. يتم تصنيف تحليلات الميتاجينوميات على أنها فحص قائم على التسلسل وقائم على الوظيفة ، والتي تُستخدم لاكتشاف وتحديد الجينات والمركبات الطبيعية الجديدة من العينات البيئية (Chistoserdova، 2010 Gilbert and Heiner، 2015 Kumar Awasthi et al.، 2020). على سبيل المثال ، تُستخدم الميتاجينوميات بنشاط في البحوث الزراعية لفهم المجتمعات الميكروبية في نظام التربة (Durot وآخرون ، 2009) ، لفحص الميكروبات المختلفة التي يمكن أن تحفز دورة المغذيات الكبيرة والصغيرة ، وإطلاق العناصر الأساسية. الأنزيمات التي تعزز إنتاج المحاصيل (كوبليس ، 2005).

متواليات Nanopore هي تقنيات تسلسل متوازي على نطاق واسع. توفر Oxford Nanopore Technologies (ONT) ، على وجه الخصوص ، مُسلسِل جزيء واحد باستخدام ثقب نانوي بروتيني يحقق التسلسل المباشر دون تخليق أو تضخيم الحمض النووي (Brown and Clarke، 2016 Roumpeka et al.، 2017). يمكن لجهاز التسلسل ONT تحديد تعديلات الحمض النووي / الحمض النووي الريبي وتسلسل قراءة طويلة جدًا محدودة بطول نوكليوتيدات الإدخال (كونو وأراكاوا ، 2019). ومع ذلك ، تتطلب قراءات ONT تلميعًا ويجب توخي الحذر الشديد عند صقل contigs بشكل فردي لتجنب إزالة تنوع التسلسل الطبيعي الحقيقي بسبب التعيين المتقاطع للقراءات في مناطق التكرار. لذلك ، وجد أنه من الضروري تطبيق تقنيات المعلومات بعيدة المدى (على سبيل المثال ، الجينوم 10x ، Hi-C ، القراءات الطويلة الاصطناعية) وتطوير خوارزميات جديدة لتبسيط التجميع الشامل وسير عمل التلميع (Somerville et al. ، 2018 ).

Sort-seq عبارة عن منصة تسلسل أحادية الخلية ، والتي تجمع بين قياس التدفق الخلوي وفرز الخلايا المنشطة الفلورية (FACS) وتسلسل الجيل التالي (NGS) والاستدلال الإحصائي لتحديد النطاق الديناميكي للعديد من متغيرات المستشعرات الحيوية بالتوازي (Rohlhill وآخرون ، 2017 Batrakou et al.، 2020 Koberstein، 2020). يسمح FACS ، الذي يمكّن من فرز الخلايا المفردة ، بإثراء خلايا معينة لتوليد تعبير جيني عالي الدقة وخرائط نسخية (Kambale et al. ، 2019). تتيح تقنيات تسلسل NGS و RNA (RNA-seq) تسلسل الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) على نطاق واسع للجينوم والنسخة بأكملها ، على التوالي ، مما يوفر رؤية غير متحيزة وشاملة للأنظمة البيولوجية من أجل فهم الوظيفة الجينومية (Frese et al.، 2013 Alfaro et al.، 2019 Stark et al.، 2019). تتضمن أمثلة منصات NGS Illumina HiSeq وأنظمة محلل الجينوم ونظام 454 Genome Sequencer FLX Titanium System و Helicos HeliScope ومنصة تسلسل SOLiD ومنصة تسلسل Ion Torrent. بالإضافة إلى ذلك ، هناك تقنيات أخرى تستخدم لقياس التفاعل بين البروتينات والحمض النووي ، مثل الترسيب المناعي للكروماتين (ChIP). تتمتع ChIP متبوعة بتسلسل NGS (ChIP-seq) بإمكانيات عالية لتفصيل مواقع الربط لعوامل النسخ المختلفة ومعايرة تفاعل البروتين # x02013DNA على مستوى الجينوم الكامل (Roukos ، 2012).

Bar-seq (تحليل الباركود عن طريق التسلسل) هي تقنية أخرى لتسلسل الحمض النووي الكمي عالية الإنتاجية والتي تتيح التنميط الظاهري المتوازي لمجموعات من آلاف المسوخات ومراقبة آلاف التفاعلات الجينية الكيميائية (Smith et al. ، 2010 Robinson et al. ، 2014) ). يمكن للتقنيات ، مثل تسلسل الشريط ، أن تقلل من تعقيد البيانات التي يتم الحصول عليها من عدد كبير من قراءات التسلسل ، مما يجعل NGS أكثر كفاءة وبأسعار معقولة (سميث وآخرون ، 2009).

مكنت الأدوات الحسابية الجديدة الباحثين من إجراء تحليل سريع ودقيق لبيانات الجينوميات الكبيرة. تم استخدام المعلومات الجينومية المستخرجة لنمذجة عمليات التمثيل الغذائي وشبكات الإشارات عبر الخلية بأكملها ، مما أدى إلى إنشاء العديد من الفرضيات الجديدة القابلة للاختبار (Lewis et al. ، 2012 Esvelt and Wang ، 2013). نظرًا لقوة القياسات الجينومية ، هناك العديد من قواعد بيانات الجينوم وأدوات تحليل البيانات المتاحة (Roumpeka et al. ، 2017).

البروتيوميات

يركز علم البروتينات على تحليل البروتينات والببتيدات التي تنتجها الخلايا في مراحل مختلفة من التطور ودورة الحياة وفي الأنظمة البيولوجية في ظل حالة نمو معينة. تُستخدم البروتيوميات أيضًا لتوضيح الديناميات الزمنية لمستويات التعبير عن البروتين أو التعديل اللاحق للترجمة (PTM) (VerBerkmoes et al. ، 2009).

تحضير عينة البروتينات

يعد التنوع البيولوجي العالي للعينة والتعقيد والمدى الديناميكي لمستويات البروتين الموجودة في مثل هذه العينات هي التحديات الرئيسية التي تواجه البروتينات. هذه العوامل ، بالإضافة إلى العدد الكبير من البروتينات ، تعقد تحليل البروتينات منخفضة الوفرة. أصبح تطوير سير عمل تحضير العينات الآلي أكثر شيوعًا للمقايسات البروتينية الكمية عالية الإنتاجية للميكروبات. كان أحد سير العمل الآلي قادرًا على تحديد كمية & # x0003E600 الببتيدات بمتوسط ​​15.8 ٪ من معامل الاختلاف ، مما يدل على متانة هذا النهج (Chen et al. ، 2019). تم تطوير سير عمل آلي آخر عالي الإنتاجية لزيادة محصول تحلل العديد من الكائنات الحية الدقيقة التمثيلية البكتيرية وحقيقية النواة عن طريق الضرب القوي بالخرز بالسيليكا والخرز الزجاجي في وجود المنظفات (Hayoun et al. ، 2019). ومن المثير للاهتمام ، أنه تم تطوير بروتوكول تحضير عينات عالمي وعالي الإنتاجية وخالي من المنظفات هذا العام لتوليد الببتيد من الميكروبات المختلفة [أي ، الإشريكية القولونية (بكتريا قولونية), المكورات العنقودية الذهبية و بكتيريا سيريوس العصويه]. يتمتع البروتوكول بإمكانية تبسيط وتوحيد إعداد العينة بشكل كبير مع تحسين عمق تغطية البروتينات خاصة للعينات الصعبة (Doellinger et al. ، 2020).

الحصول على بيانات البروتينات

تحديد البروتين والتوضيح الهيكلي

تعتمد معظم تدفقات عمل البروتينات على نهج تصاعدي ، حيث يتم استخراج البروتين وهضمه (على سبيل المثال ، هضم التربسين) في الببتيدات المحللة للبروتين ، ثم تحليله عبر MS (Kleiner et al. ، 2017). عندما يقترن الكروماتوغرافيا السائلة بمطياف الكتلة (LC-MS) ، يتم تحسين كل من تحليل البيانات النوعية والكمية للبروتينات. علاوة على ذلك ، يوفر تطبيق فصل LC متعدد الأبعاد قبل تحليل بروتين MS حساسية مُحسّنة لـ MS عن طريق تقليل تعقيد العينة وزيادة عدد القمم الكروماتوغرافية التي يمكن حلها في عملية تحليلية واحدة (Hinzke et al. ، 2019 Duong et al. ، 2020 ). تعتبر البروتينات المستهدفة عبر LC-tandem MS (LC-MS / MS) طريقة شائعة الاستخدام للتصلب المتعدد ، حيث يركز التحليل على مجموعة فرعية من البروتينات البيولوجية ذات الأهمية (ماركس ، 2013). عندما يتم تطبيق النهج التصاعدي على جميع البروتينات داخل نظام بيولوجي معين ، فإنه يطلق عليه بروتيوميات البندقية (غير المستهدفة) (Wolters et al. ، 2001 Nesvizhskii and Aebersold ، 2005). على العكس من ذلك ، تعتمد البروتينات من أعلى إلى أسفل على التحليل (عبر LC-MS أو LC-MS / MS) للبروتينات السليمة ، وبالتالي ، توفر معلومات فريدة حول التركيب الجزيئي للبروتينات (على سبيل المثال ، PTM) (Catherman et al. ، 2014). ومع ذلك ، ليس من الممكن دائمًا فصل البروتينات السليمة ، وخاصة البروتينات الكبيرة ، قبل تحليل MS في نهج من أعلى إلى أسفل. إلى جانب ذلك ، فإن التنازلي أقل حساسية ولديها إنتاجية أقل من النهج التصاعدي (Catherman et al. ، 2014).

يساعد التحديد الدقيق لهيكل البروتين على تحديد أدوارها ووظائفها في النظم البيولوجية. ومع ذلك ، فإن العديد من البروتينات المطوية لها هياكل معقدة ، مما يعقد توضيحها الهيكلي (Yates ، 2019). لذلك ، يتم استخدام المجهر الإلكتروني المبرد وحركة الأيونات - MS لتحديد هياكل مثل هذه البروتينات مثل البروتينات (Yates ، 2019). علاوة على ذلك ، يتم استخدام مزيج من MALDI و MS عالية الدقة (أي ، Orbitrap و ion trap MS) ومقايسة الاختزال المستندة إلى UV & # x02013Vis لتوضيح تعديل الببتيد من خلال تحليل تجزئة معينة للببتيدات المركبة ، والتي قد يكون لها تأثيرات مثبطة على أمراض مختلفة (R & # x000FChl وآخرون ، 2019).

يمكن أن يكون تحديد الببتيدات PTM أمرًا صعبًا في حالة التعديلات القابلة للتغير (على سبيل المثال ، الفسفرة و S-nitrosylation) التي قد تنهار أثناء تجزئة MS / MS. تتطلب مثل هذه التعديلات تجزئة ناعمة وطرق عالية الدقة لتحديد وتحديد موقع PTM. يعتبر تفكك نقل الإلكترون هو الخيار المفضل لتحديد PTM المسؤول لأنه ينقل الإلكترونات إلى بروتينات أو ببتيدات متعددة البروتونات ، مما يؤدي إلى انقسام العمود الفقري N-C & # x003B1 (Chen et al. ، 2017).

Metaproteomics هو توصيف واسع النطاق لمكمل البروتين الكامل للميكروبات البيئية في وقت معين لتحديد البنية (Wilmes and Bond ، 2004 Kleiner et al. ، 2017) ، التمثيل الغذائي وعلم وظائف الأعضاء لمكونات المجتمع (Kleiner et al. ، 2012). أتاح التقدم الأخير في LC و MS عالي الدقة تحديد وقياس أكثر من 10000 ببتيد وبروتين لكل عينة في الميتابروتيوميكس (Kleiner ، 2019). يمكن أن تقيس الميتابروتيوميات أيضًا التفاعلات بين مكونات المجتمع (Hamann et al. ، 2016) وتقييم استهلاك الركيزة (Bryson et al. ، 2016 Kleiner et al. ، 2018).

تحديد كمية البروتين

إلى جانب التحديد ، أصبحت التقنيات القائمة على MS هي الأدوات المفضلة لتقدير البروتينات في الكائن الحي (Karpievitch et al. ، 2010). يعد وضع العلامات على النظائر المستقرة أحد الأساليب التي يمكن استخدامها لتحديد كمية البروتينات عن طريق قياس الوفرة النسبية للبروتين المسمى للبروتين غير المصنف (VerBerkmoes وآخرون ، 2009). ومع ذلك ، فإن الاختلاف في كفاءة التأين بين الببتيدات والبروتينات والاسترداد المنخفض لبعض الببتيدات (على سبيل المثال ، تلتصق الببتيدات الكارهة للماء بالأسطح) يمكن أن يؤثر على دقة تقديرها الكمي المباشر. عالجت التطورات الحديثة في معدل اكتساب MS واكتشافه وحلّه الكثير من مخاوف الحساسية للتقدير الكمي المستند إلى MS للبروتيوميات (Iwamoto and Shimada ، 2018). تم تعزيز حساسية MS بشكل أكبر من خلال تطبيق التدفق الدقيق (Krisp et al. ، 2015 Bian et al. ، 2020) والتدفق النانوي (Wilson et al. ، 2015) LC-MS. كان التقدم الرئيسي الآخر لتقدير البروتين العالمي هو إدخال علامات متساوية الضغط أو البروتينات متعددة الإرسال ، والتي تمكن في تجربة واحدة من قياس البروتينات عبر عينات متعددة (Pappireddi et al. ، 2019). علامات الكتلة الترادفية هي أمثلة لعلامات متساوية الضغط شائعة الاستخدام على سبيل المثال في سوائل الدماغ الشوكي البشرية (دايون وآخرون ، 2008).

تحليل بيانات البروتينات

تُستخدم أدوات تحليل بيانات البروتينات عمومًا لتحديد البروتين (عبر المعلوماتية الحيوية) والقياس الكمي ، وأدوات تقنيات المعلومات الحيوية المستخدمة لمعالجة بيانات البروتينات. تتضمن بعض الأمثلة على أدوات تحليل البيانات المستخدمة لتحديد الببتيدات والبروتينات ماسكوت (Eng et al. ، 1994) ، Swiss-Prot (Bairoch and Boeckmann ، 1994) ، Sequest (Perkins et al. ، 1999) ، Tandem (Craig and Beavis، 2004)، Skyline (MacLean et al.، 2010)، Uni-Prot، 1 UniNovo (Jeong et al.، 2013)، and SWPepNovo (Li et al.، 2019). تم تطوير مثل هذه البرامج القائمة على الخوارزمية لمطابقة البيانات التي تم جمعها من MS من تحليل الببتيد / البروتين إلى الببتيدات / البروتينات القاعدية ومع في السيليكو توقع كتل سليمة وأنماط تجزئة (Urgen Cox and Mann ، 2011). علاوة على ذلك ، فهم يحددون كلاً من الكتلة والموقع الدقيق لأي تعديلات محتملة (Hansen et al. ، 2001 Savitski et al. ، 2006). تتضمن أدوات تقنيات المعلومات الحيوية الشائعة لتحليل بيانات البروتينات CRONOS (Waegele et al. ، 2009) ، و COVAIN (Sun and Weckwerth ، 2012) ، و SIGNOR (Perfetto et al. ، 2016) ، و KEGG (Kanehisa et al. ، 2017) ، و STRING الإصدار 11 (Szklarczyk وآخرون ، 2019).

الأيض

الأيض ، وهو قياس ركائز الجزيئات الصغيرة و / أو الوسطاء و / أو المنتجات النهائية للاستقلاب الخلوي (أي المستقلبات) ، يوفر استجابة فورية وديناميكية للاضطرابات الجينية و / أو البيئية في النظام البيولوجي (Fiehn، 2002 Ellis and Goodacre ، 2012 Zhao et al. ، 2020). يتم استخدام المستقلبات المستهدفة وغير المستهدفة لتحديد مجموعة من المستقلبات المحددة وتحديد جميع المستقلبات القابلة للقياس في عينة بيولوجية ، على التوالي (Scalbert et al. ، 2009). عادةً ما تستخدم عمليات التمثيل الغذائي القائمة على MS ، مثل البروتينات ، الفصل [على سبيل المثال LC وكروماتوجرافيا الغاز (GC)] أو الرحلان الكهربائي الشعري (CE) قبل اكتشاف MS (Fiehn ، 2002). حيث أن MALDI-MS تجري فحصًا عالي الإنتاجية بدون فصل.

يعد التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) تقنية تحليلية قوية لبصمات الأصابع الأيضية عالية الإنتاجية ويوفر بنية مستقلب أكثر موثوقية (على سبيل المثال ، عن طريق 2D NMR) تحديد من MS (Giraudeau ، 2020). ومع ذلك ، على الرغم من أن الرنين المغناطيسي النووي يوفر تحديدًا لا لبس فيه للهيكل المستقلبات غير المعروفة عبر 1 H- و 13 C-NMR ، فإن الأساليب القائمة على MS تشمل تقنيات الأيض التي يتم الوصول إليها على نطاق واسع بسبب الحساسية العالية وتكلفة الأجهزة المنخفضة (Chatham and Blackband ، 2001). علاوة على ذلك ، فإن الرنين المغناطيسي النووي شبه كمي في حين أن مرض التصلب العصبي المتعدد هو كمي ، وبالتالي ، فإن الرنين المغناطيسي النووي ومرض التصلب العصبي المتعدد هما تقنيات تكميلية للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الخصائص الفيزيوكيميائية المتنوعة (على سبيل المثال ، القابلية للذوبان والتفاعلية والاستقرار والقطبية) في المستقلب تحد من قدرتنا على تحليل جميع المستقلبات من نظام بيولوجي باستخدام مجموعة واحدة أو حتى مجموعة محدودة من التقنيات التحليلية (Fiehn ، 2002) . لذلك ، يتم استخدام طرق متعددة لتوصيف التمثيل الغذائي الشامل.

تحضير عينة التمثيل الغذائي

تخضع المستقلبات باستمرار لإعادة التشكيل والتحول في التفاعلات الكيميائية الحيوية داخل الخلية و / أو تتحلل حراريًا (وفي بعض الحالات تتأكسد) في الظروف المحيطة (Scalbert et al. ، 2009). لذلك ، فإن بروتوكولات التبريد الأيضي السريعة والفعالة مطلوبة لتحديد معلومات التمثيل الغذائي بدقة. ليس من المستغرب أن يميل الباحثون إلى تطوير طرق التبريد الأيضي بالتزامن مع بروتوكولات استخلاص المستقلبات. دوران وآخرون. (2017) ، على سبيل المثال ، اقترح تبريدًا استقلابيًا حمضيًا لاستخراج مستقلب الكحول المائي. أسفر هذا البروتوكول عن تسرب منخفض للمستقلبات واستعادة عالية للاستخراج في Acidithiobacillus ferrooxidans. يمكن لمصفوفات العينات البيولوجية المعقدة أيضًا كبح اكتشاف MS المستقلب. وبالتالي ، يمكن لاستراتيجيات التنظيف ، مثل استخراج المرحلة الصلبة (SPE) والاستخراج الدقيق للطور الصلب (SPME) أن تقلل من تعقيد مصفوفات العينات قبل تحليل LC-MS و GC-MS ، وبالتالي زيادة القدرة الكمية لطرق التمثيل الغذائي ( Yang et al. ، 2011). شهدت السنوات الخمس الماضية تطوير لوحة SPE ذات 96 بئرًا عالية الإنتاجية (Li et al. ، 2015) و SPME مؤتمتة من 96 جيدًا (Mousavi et al. ، 2015) للاستخراج المتزامن للأيضات والدهون من العينات البيولوجية.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تطبيق أدوات الروبوتات والموائع الدقيقة في تطبيقات البيولوجيا التركيبية عالية الإنتاجية عن طريق أتمتة تحضير الخلايا واستخراج المستقلبات لزيادة التغطية (Yizhak et al.، 2010 Koh et al.، 2018 Vavricka et al.، 2020). لذلك ، تعد تقنيات معالج السائل الآلي مهمة لإعداد العينات عالي الإنتاجية لأنها تضمن الجودة الجيدة والتكاثر لاستخراج العينات ومعالجتها للقياس غير المتحيز للاختلافات الأيضية (على سبيل المثال ، بناءً على حالات المرض أو محفزات التدخلات) (Liu et al. ، 2019).

الحصول على بيانات الأيض

أدى تطوير التأين بالرش الكهربائي النانوي والتسريب المباشر للرش الكهربائي النانوي عالي الدقة إلى زيادة كبيرة في النطاق الديناميكي وحساسية الكشف عن المستقلبات من الأنسجة والسوائل الحيوية في الدراسات البشرية (Chekmeneva et al. ، 2017 Southam et al. ، 2017) . بشكل عام ، تعد تقنية nanospray أكثر حساسية من الرش الكهربائي ، ولكنها تعاني من انخفاض المتانة. ومع ذلك ، يستخدم البخاخ الكهربائي النانوي مستوى منخفضًا من البخاخات ومعدل التدفق لتحقيق حساسية عالية دون المساومة على المتانة (Guo et al. ، 2016). إلى جانب ذلك ، أدى تطبيق تنقل الأيونات ودقة MS عالية الدقة إلى تحسين تحديد الأيزومرات ، وبالتالي تمكين تقييم أكثر دقة لأدوارها البيولوجية (Ren et al. ، 2018 Rathao-Paris et al. ، 2019). علاوة على ذلك ، أدت التطورات الجديدة في أنظمة MS orbitrap إلى تحسين شرح وتغطية المستقلبات في دراسات GC و LC-MS (Simirgiotis et al.، 2017 Misra et al.، 2018 Manier et al.، 2019 Stettin et al.، 2020).

على الرغم من أن GC-MS تتطلب المزيد من خطوات تحضير العينة عند اشتقاق المستقلبات غير المتطايرة المحبة للماء ، إلا أنها أقوى من LC-MS. علاوة على ذلك ، فإن تطوير الطريقة أسهل بالنسبة لـ GC-MS مقارنة بـ LC-MS. يحقق GC-MS أيضًا تحديدًا أفضل للمستقلبات غير المستهدفة بسبب ظروف التأين الموحدة ، مما يجعل من الممكن إنشاء مكتبة / قاعدة بيانات عالمية لتعريف المركب ، مثل NIST. بينما تحقق CE أعلى كفاءة فصل ، فإن CE-MS هي الأقل قوة وحساسية من تقنيات الفصل الثلاثة.

تمكّن عمليات الأيض في الوقت الفعلي من التحليل المتزامن وعالي الإنتاجية للمستقلبات الميكروبية دون الحاجة إلى خطوات تحضير عينة تستغرق وقتًا طويلاً (Link et al. ، 2015 Boguszewicz et al. ، 2019 Nguyen et al. ، 2020). ومع ذلك ، فإن عدم وجود فصل كروماتوغرافي أو فصل كهربائي في هذا النهج يقلل من القدرة الكمية لهذه التقنية (Baidoo and Teixeira Benites ، 2019). بينما يمكن استخدام MALDI لفحص الأيض عالي الإنتاجية ، فقد ظهر MALDI للتصوير MS كأداة قوية لتحليل عينات الأنسجة بتفاصيل غير مسبوقة. MALDI imaging MS قد قدم مساهمات كبيرة في فهم بيولوجيا المرض ووجهات نظره لأبحاث وممارسات علم الأمراض ، وكذلك في الدراسات الصيدلانية (Aichler and Walch، 2015 Mahajan and Ontaneda، 2017 Schulz et al.، 2019).

يتم تطبيق تقنيات الأيض بانتظام على دراسات تحليل التدفق الأيضي (MFA ، أي 13 درجة مئوية) (Baidoo و Teixeira Benites ، 2019). MFA يحدد معدلات في الجسم الحي تفاعلات التمثيل الغذائي. وبالتالي ، تمكين فهم تدفق الكربون والطاقة عبر شبكة التمثيل الغذائي في الخلية. بشكل عام ، يعمل MFA على تسريع اكتشاف مسارات التمثيل الغذائي والإنزيمات الجديدة لتحسين الإنتاج الحيوي التخليقي (Feng et al.، 2010 Ando and Garc & # x000EDa Mart & # x000EDn، 2019 Babele and Young، 2019 Vavricka et al.، 2020). ومع ذلك ، فإن التوافر والتكلفة العالية لمركبات النظائر المستقرة يمكن أن تحد من قدرة MFA (Gonzalez and Pierron ، 2015).

تحليل بيانات الأيض

تُستخدم طرق تحليل البيانات متعددة المتغيرات ، مثل تحليل المكون الرئيسي (PCA) وتحليل المربعات الصغرى الجزئية (PLS) لتحليل كميات كبيرة من بيانات التنميط الأيضي (أي الكشف عن التجميع القائم على الميزات). بالإضافة إلى ذلك ، هناك حاجة إلى أدوات تحليل المسار المتقدمة لتفسير بيانات الأيض لحل بعض المفارقات البيولوجية الأكثر تحديًا والكشف عن الظروف المثلى للأنظمة البيولوجية. تمكن هذه التقنيات الباحثين في بيولوجيا الأنظمة من استخدام بيانات الأيض كمورد يساهم في دورة تكرارية لتوليد الفرضيات ومراحل اختبار الفرضيات (Kell، 2004 Vavricka et al.، 2020). لمعالجة كل هذا ، يتم إيلاء المزيد من الاهتمام لمجال البيانات الضخمة والتعلم الآلي. وبالتالي ، يمكن تحسين الفهم الحديث لعملية التمثيل الغذائي للخلايا ودمجها بشكل أكبر مع النماذج الميكانيكية لأتمتة البيولوجيا التركيبية والتصنيع الحيوي الذكي (Oyetunde et al. ، 2018). تحقيقا لهذه الغاية ، تم تطوير التطورات الأخيرة في أدوات التمثيل الغذائي لتحليل البيانات وتخزينها ومشاركتها [على سبيل المثال ، WebSpecmine (Cardoso et al. ، 2019) ، SIRIUS 4 (D & # x000FChrkop et al. ، 2019) ، MetaboAnalyst 4.0 (Chong et ، 2018) ، و SECIM (Kirpich et al. ، 2018)]. لا تزال معرفة علم الأحياء (على سبيل المثال ، التنظيم ، والتمثيل الغذائي ، وعلم وظائف الأعضاء ، وما إلى ذلك) ضرورية للتصميم التجريبي الفعال وتفسير البيانات الدقيق من أجل فهم الأنظمة البيولوجية وتوصيفها بدقة.

Multi-Omics لبيولوجيا الأنظمة

أدى التقدم الأخير في تقنيات omics إلى تحسين كفاءة التحليل من خلال تقليل التكلفة والوقت ، ولكن أيضًا من خلال جمع بيانات متعددة المعلومات وذات مغزى. وبالتالي ، تسهيل تنفيذ تقنيات متعددة omics في دراسات بيولوجيا النظم. ومع ذلك ، لا يزال دمج منصات omics المتعددة يمثل تحديًا مستمرًا نظرًا لاختلافات البيانات المتأصلة بينهما (Saito and Matsuda، 2010 Yizhak et al.، 2010 Brunk et al.، 2016 Koh et al.، 2018 Pinu et al.، 2019 Vavricka et آل ، 2020). على سبيل المثال ، تعتبر بيانات الجينوم نوعية ودقيقة وقابلة للتكرار ، في حين أن البيانات الأخرى & # x0201 Comics & # x0201D ، مثل البروتينات والأيض هي بيانات نوعية وكمية ، وليست قابلة للتكرار ، وصاخبة (Kuo et al.، 2002 MacLean et al.، 2010 Guo et al.، 2013 Gross et al.، 2018). علاوة على ذلك ، عادةً ما تتم معالجة بيانات multi-omics مسبقًا من خلال طرق معالجة البيانات المختلفة (على سبيل المثال ، deconvolution ، والتطبيع ، والقياس ، والتحويل) والبرامج قبل أن يتم دمجها.تتطلب دراسات omics المتعددة أيضًا خبراء في مجالاتهم & # x0201Comics & # x0201D الخاصة بهم (بالإضافة إلى دعم تكنولوجيا المعلومات) للتحقق من صحة بيانات omics المتعددة. على الرغم من أن هذا يوفر دقة أكبر في تفسير البيانات ، إلا أنه يعقد عملية الحصول على البيانات وتحليلها.

في الآونة الأخيرة ، بينو وآخرون. ناقش بعض التوصيات للتغلب على التحدي الرئيسي الذي يواجه تطبيق تقنيات multomics في بيولوجيا النظم ، وهو الاختلافات بين البيانات المتأصلة. الهدف من توصياتهم هو توعية الباحثين بأهمية وجود تصميم تجريبي مناسب في المقام الأول. وبالتالي ، يجب اختيار العينات البيولوجية المناسبة وإعدادها وتخزينها بعناية قبل التخطيط لأي دراسة & # x0201Comics & # x0201D. بعد ذلك ، يجب على الباحثين جمع البيانات الكمية متعددة omics والبيانات الوصفية المرتبطة بها بعناية واختيار أدوات أفضل لتكامل وتفسير البيانات. أخيرًا ، قم بتطوير موارد جديدة لترسيب مجموعات بيانات متعددة النطاقات السليمة (Pinu et al. ، 2019). من الضروري أيضًا اختيار أو تطوير طرق تحافظ على التوازن الأمثل بين الاسترداد العالي والتدهور المنخفض للسمات البيولوجية المستخرجة.

نظرًا لأن العلماء أصبحوا أكثر وعيًا بأهمية التحليل متعدد النطاقات ، يتم تطوير عدد من الأدوات وقواعد البيانات والأساليب بهدف دمج مجموعات بيانات omics المتعددة. تقوم هذه الأدوات بإجراء إحصائيات متقدمة (على سبيل المثال ، تحليل البيانات متعدد المتغيرات) وتوضيح البيانات (على سبيل المثال ، خرائط الارتباط). تتضمن أمثلة قواعد البيانات المستخدمة لتحليل متعدد omics ECMDB 2.0 (Sajed et al. ، 2016) ، السكريات قاعدة بيانات الجينوم (MacPherson et al. ، 2017) ، YMDB 2.0 (Ramirez-Gaona et al. ، 2017) ، GenBank (Benson et al. ، 2013) ، KEGG (Kanehisa and Subramaniam ، 2002) ، وغيرها الكثير. مراجعة حديثة بواسطة Subramaniam et al. أظهر أن أدوات تكامل وتفسير البيانات متعددة omics المشتركة كانت قادرة على استخلاص رؤى جديدة من البيانات ، وإجراء تصنيف فرعي للمرض ، والحصول على تنبؤ بالعلامات الحيوية التشخيصية (Subramanian et al. ، 2020).

يقدم الجدول 1 مقارنة شاملة للتقنيات الرئيسية & # x0201Comics & # x0201D. الهدف من هذه المقارنة هو تسهيل التصميم التجريبي للدراسات الفردية & # x0201Comics & # x0201D ودراسات omics المتعددة من خلال تسليط الضوء على الخصائص العامة لكل تقنية.

الجدول 1. مقارنة بين التقنيات الرئيسية & # x0201Comics & # x0201D.


10.3: طرق الجينوم الكامل والتطبيقات الصناعية - علم الأحياء

يتم توفير جميع المقالات المنشورة بواسطة MDPI على الفور في جميع أنحاء العالم بموجب ترخيص وصول مفتوح. لا يلزم الحصول على إذن خاص لإعادة استخدام كل أو جزء من المقالة المنشورة بواسطة MDPI ، بما في ذلك الأشكال والجداول. بالنسبة للمقالات المنشورة بموجب ترخيص Creative Common CC BY ذي الوصول المفتوح ، يمكن إعادة استخدام أي جزء من المقالة دون إذن بشرط الاستشهاد بالمقال الأصلي بوضوح.

تمثل الأوراق الرئيسية أكثر الأبحاث تقدمًا مع إمكانات كبيرة للتأثير الكبير في هذا المجال. يتم تقديم الأوراق الرئيسية بناءً على دعوة فردية أو توصية من المحررين العلميين وتخضع لمراجعة الأقران قبل النشر.

يمكن أن تكون ورقة الميزات إما مقالة بحثية أصلية ، أو دراسة بحثية جديدة جوهرية غالبًا ما تتضمن العديد من التقنيات أو المناهج ، أو ورقة مراجعة شاملة مع تحديثات موجزة ودقيقة عن آخر التقدم في المجال الذي يراجع بشكل منهجي التطورات الأكثر إثارة في العلم. المؤلفات. يوفر هذا النوع من الأوراق نظرة عامة على الاتجاهات المستقبلية للبحث أو التطبيقات الممكنة.

تستند مقالات اختيار المحرر على توصيات المحررين العلميين لمجلات MDPI من جميع أنحاء العالم. يختار المحررون عددًا صغيرًا من المقالات المنشورة مؤخرًا في المجلة ويعتقدون أنها ستكون مثيرة للاهتمام بشكل خاص للمؤلفين أو مهمة في هذا المجال. الهدف هو تقديم لمحة سريعة عن بعض الأعمال الأكثر إثارة المنشورة في مجالات البحث المختلفة بالمجلة.


معلومة اضافية

مساهمات المؤلفين

ساهم كل من JMO و WV و MAA و RO و JM و LF و LB و MØ و MS و AC و JN في وضع تصور للدراسة وتصميمها. قام كل من JMO و MAA بأداء كل التخمير والتوصيف الفسيولوجي. أجرى JMO قياسات وتحليلات النسخ. أجرى LF و LB و MØ تسلسل جينوم عالي الإنتاجية. أجرى JMO و WV و MAA و RO و JM شرحًا للجينوم والنمط الظاهري. طورت WV متصفح الجينوم وأدوات المعلوماتية الحيوية الأخرى. ساهم كل من JMO و WV و MAA و RO و JM و LF و MS و AC و JN في تحليل الدراسة الشاملة وصياغة ومراجعة المخطوطة. كل الكتاب قراءة وافقت على المخطوط النهائي.


شاهد الفيديو: المعلوماتية الحيوطبية والجينوم وتطبيقات دراسة الوراثة والجينات (كانون الثاني 2022).