Bioinžinieri vyvíjajú algoritmy na porovnávanie buniek medzi druhmi – s prekvapivými výsledkami

Vedci vytvorili algoritmus na identifikáciu podobných typov buniek z druhov – vrátane rýb, myší, plochých červov a húb – ktoré boli izolované stovky miliónov rokov, čo pomáha vyplniť medzery v našom chápaní evolúcie Can.

Bunky sú stavebnými kameňmi života, ktoré sú prítomné v každom živom organizme. Ako si však myslíte, že sú vaše bunky ako myš? ryba? Červ?

Porovnanie typov buniek v rôznych druhoch v strome života môže pomôcť biológom pochopiť, ako typy buniek vznikli a ako sa prispôsobili funkčným požiadavkám rôznych foriem života. To v posledných rokoch vzbudzuje čoraz väčší záujem evolučných biológov, pretože nová technológia umožňuje sekvenovanie a identifikáciu všetkých buniek v celých organizmoch. Bo Wang, odborný asistent bioinžinierstva na Stanfordskej univerzite, vysvetlil: „Vo vedeckej komunite v podstate existuje vlna, ktorá umožňuje klasifikovať všetky typy buniek do najrôznejších rôznych organizmov.“

V reakcii na túto príležitosť Wangovo laboratórium vyvinulo algoritmus na kombinovanie typov buniek podobných evolučným vzdialenostiam. Jeho metóda je podrobne opísaná v článku publikovanom 4. mája 2021. ELife, Je navrhnutý na porovnanie bunkových typov u rôznych druhov.

Pri výskume tím použil sedem druhov na porovnanie 21 rôznych párov a pomocou ich podobností a rozdielov dokázal identifikovať typy buniek prítomné u všetkých druhov.

Porovnávanie typov buniek

Podľa Alexandra Tarashanského, postgraduálneho študenta bioinžinierstva, ktorý pracuje vo Wangovom laboratóriu, prišla myšlienka vytvorenia algoritmu, keď Wang jedného dňa vošiel do laboratória a požiadal ho, či by mohol v laboratórnych štúdiách študovať bunkové typy od dvoch rôznych druhov hmyzu. Môže analyzovať množinu údajov. Zároveň.

„Bol som ohromený, koľko rozdielov medzi nimi je,“ uviedol Tarshansky, ktorý bol hlavným autorom príspevku a interdisciplinárnym členom Stanford Bio-X. „Mysleli sme si, že by mali mať podobné typy buniek, ale keď sa ich pokúsime analyzovať pomocou štandardných techník, táto metóda ich nerozpozná ako identické.“

Zaujímalo ich, či ide o problém s technikou, alebo či sú typy buniek príliš odlišné na to, aby sa zhodovali s rôznymi druhmi. Tarashansky potom začal pracovať na algoritmoch, ktoré umožnia lepšiu zhodu typov buniek naprieč druhmi.

„Predpokladám, že chcem prirovnať špongiu k človeku,“ povedal Tarashansky. „Nie je úplne jasné, ktorý gén špongie sa zhoduje s ľudským génom, pretože s vývojom organizmov sa gény duplikujú, menia sa, znova sa duplikujú. A tak teraz máte v špongii gén, ktorý môže súvisieť s mnohými génmi u ľudí.“

Namiesto toho, aby sa pokúsila nájsť porovnanie génov jedna k jednej, ako predchádzajúce metódy porovnávania údajov, metóda mapovania vedcov porovnáva všetky potenciálne súvisiace ľudské gény s jedným génom v špongii. Algoritmus potom pokračuje v zisťovaní, ktorý je správny.

Tarashansky tvrdí, že existuje len obmedzené množstvo vedcov, ktorí sa snažia nájsť iba dvojice génov jedna k jednej, ktoré sa v minulosti usilovali mapovať typy buniek. „Myslím si, že hlavnou inováciou je to, že sme zodpovední za charakteristiky, ktoré sa zmenili v priebehu stoviek miliónov rokov vývoja pre porovnanie na dlhé vzdialenosti.“

„Ako môžeme pomocou neustále sa vyvíjajúcich génov identifikovať rovnaké typy buniek, ktoré sa u rôznych druhov neustále menia?“ Povedal Wang, ktorý je hlavným autorom príspevku. „Evolúcia bola pochopená pomocou génov a znakov organizmu, myslím si, že teraz sme v vzrušujúcej chvíli a premostíme misky váh pri pohľade na vývoj buniek.“

Vyplnenie stromu života

Tím pomocou svojho mapovacieho prístupu objavil niekoľko konzervovaných rodín génov a bunkových typov u druhov.

Tarashansky uviedol, že jedným z vrcholov výskumu bolo, keď porovnávali kmeňové bunky medzi dvoma rôznymi plochými červami.

„Skutočnosť, že sme dosiahli zhoda v pomere jedna k jednej v ich populácii kmeňových buniek, bola skutočne vzrušujúca,“ uviedol. „Myslím si, že to v podstate prinieslo veľa nových a vzrušujúcich informácií o tom, ako kmeňové bunky vyzerajú vo vnútri parazitického plochého červa, ktorý infikuje stovky miliónov ľudí na celom svete.“

Výsledky mapovania tímu tiež naznačujú, že existuje silná ochrana charakteristík neurónov a svalových buniek pred zložitejšími cicavcami, ako sú veľmi jednoduché druhy zvierat, ako sú špongie, myši a ľudia.

„Navrhuje to vlastne bunkové typy, ktoré sa vo vývoji zvierat narodili už dávno,“ uviedol Wang.

Teraz, keď tím vytvoril nástroj na porovnávanie buniek, môžu vedci pokračovať v zhromažďovaní údajov o rôznych druhoch druhov na analýzu. Keď sa zhromaždí a porovná viac súborov údajov z viacerých druhov, biológovia budú schopní vystopovať trajektórie bunkových typov v rôznych organizmoch a zlepšiť schopnosť identifikovať nové typy buniek.

„Ak máte iba špongie a potom hmyz a strácate všetko medzi tým, je ťažké vedieť, ako sa vyvinuli typy špongiových buniek alebo ako sa ich predkovia diverzifikovali do špongií a červov,“ uviedol Tarshansky. „Chceme naplniť čoraz viac uzlov stromom života, aby sme mohli uľahčiť tento typ evolučnej analýzy a prenos poznatkov medzi druhmi.“

Referencie: „Mapovanie atlasu jednej bunky v metazoách odhaľuje vývoj bunkového typu“ Alexander J. Tarshansky, Jacob M. Musser, Margarita Kharitan, Pengyang Li, Detlev Arendt, Stephen R. Quake a Bo Wang, 4. mája 2021, ELife.
DOI: 10,7554 / eLife.66747

Medzi ďalších spoluautorov Stanfordu patria postgraduálni študenti Margarita Kharitan a Pengyang Li a Stephen Quake, profesor bioinžinierstva Lee Otterson a profesor aplikovanej fyziky a spolupredseda Chan Zuckerberg Biohub. Ďalší spoluautori sú z Európskeho laboratória pre molekulárnu biológiu a Heidelbergskej univerzity. Wang je tiež členom Stanford Bio-X a Wu Tsai Neurosciences Institute. Quake je tiež členom Bio-X, Stanfordského kardiovaskulárneho ústavu, Stanfordského onkologického ústavu a Wu Tsai Neurosciences Institute.

Výskum bol financovaný zo zdrojov Stanford Bio-X, Beckman Young Investigator Award a National Institutes of Health. Wang a Quake nadviažu na túto prácu v rámci Iniciatívy Neuro-Omics financovanej Inštitútom neurovied Wu Tsai.