ביואינפורמטיקה - פרויקט מיפוי הגנום האנושי, ההתקדמות הרבה במיפוי רצפים גנטיים באורגניזם שונים וסיום הריצוף באחרים, יחד עם הגידול הניכר בכמות המחקרים הפעילים בתחומי מדעי הטבע והחיים ובתחומי הביוטכנולוגיה, הביאו ליצירה וצבירה של כמויות נתונים אדירות ויצרו צורך מואץ למתודולוגיות וכלים מתקדמים ומתוחכמים לניהול הנתונים המאוכסנים ועיבודם, במטרה להפיק מהם ערך מוסף מדעי על-ידי הפיכתם למידע מובן ובעל משמעות לקידום המחקר והפיתוח. תחום המחקר המדעי המתפתח שנועד לתת מענה לצורך זה נקרא ביואינפורמטיקה.
הביואינפורמטיקה (Bioinformatics) הינו תחום מחקר מדעי העוסק בטכנולוגיות מידע ובמגוון פעילויות ממוחשבות המסייעות למחקר הביולוגי האקדמי והמעשי-ישומי. הביואינפורמטיקה מתמקדת בעיבוד נתונים כמותי ואיכותי מול מגוון מסדי נתונים מבוזרים בתחומי מדעי הטבע והחיים לשם זיהוי המשמעות המדעית והפקת הערך המוסף המחקרי, בנוסף, מתמחה בפיתוח של מתודולוגיות, תוכנות וכלים מתוחכמים, מבוססי ידע מתחומי המתמטיקה, הסטטיסטיקה והמחשבים, במטרה לסייע בתהליכי המחקר והפיתוח בתעשייה ובאקדמיה.
השימוש בטכנולוגיות ביואינפורמטיות חיוני ביותר להצלחת מחקרים בתחומי הביולוגיה המולקולרית, הביוכימיה, הגנטיקה, הביוטכנולוגיה, הרפואה, פיתוח תרופות והחקלאות, ומאפשר לחוקרים להגיע למידע הרלוונטי תוך קיצור משך התהליך והקטנת העלויות, ובכך להשיג יתרונות מקצועיים, איכותיים וכלכלים משמעותיים.
הביואינפורמטיקה נמצאת בשלב התפתחות מואץ ועדיין רחוקה מבשלות. התקנים והפורמטים משתנים ומתגבשים בהדרגה, המידע מפוזר בין מסדי נתונים ענקיים רבים הממוקמים במספר רב של מרכזים מדעיים בעולם, הנתונים במאגרי הידע מתחלקים לסוגים רבים ושונים, קיימים מאות יישומים מסוגים שונים, רובם בלתי ידידותיים ובממשק מיושן אשר ההכרות וההתמצאות בתפעולם, ביתרונם היחסי והבנת הפלט שלהם, דורשים עקומת לימוד גבוהה ומאמצים רבים, ובנוסף, רוב הכלים הנמצאים בשימוש לא בהכרח עונים לצרכים המדעיים המתקדמים והמתחדשים.
הפעילות הביואינפורמטית במסגרת התהליך המחקרי הינה מורכבת, דורשת השקעת זמן רבה, ולעיתים קרובות אינה מניבה תוצאות מצופות עקב חוסר ידע וניסיון. קיימים חוקרים רבים הממעטים להשתמש בכלים ביואינפורמטיים הן עקב הרתיעה משימוש בכלים מיחשוביים והן עקב חוסר מודעות מספקת ליתרונות הרבים הנובעים מהם.
כל זאת, מגביר את הצורך בהתמחות נקודתית ומקצוענית בביואינפורמטיקה, ומביא לדרישה הגוברת של החוקרים, להסתייע באנשי ביואינפורמטיקה מקצועיים ומנוסים, פנימיים או חיצוניים לארגון, לשם הפקת ערך מוסף מחקרי משמעותי שיענה על צרכיהם המחקריים-מדעיים. בדרך כלל כוללים גופי הביואינפורמטיקה מגוון אנשי מחקר מתחומים רבים (מתמטיקה, סטטיסטיקה ,מדעי המחשב ,מדעי הטבע והחיים) שפועלים בשיתוף פעולה כדי להגיע למידע הרלוונטי.
הביואינפורמטיקה מסייעת רבות למחקרים במגוון נושאים. כמו למשל:
- חקירה של רצפי מעבדה לפי צורך מוגדר, בדיקת תקינות-נכונות וזיהוי רצפים מזוהמים.
- אחזור וניתוח של מידע גנטי ורצפים באוכלוסיות הומוגניות והטרוגניות ובין אוכלוסיות שונות.
- שימוש באלגוריתמים ואנליזות מתקדמות לעיבוד סדרות ביולוגיות לזיהוי יחסי דמיון ושונות, וקשרים אבולוציוניים.
- בניית מפות כרומוזומליות.
- בניית עצים פילוגנטיות.
- פיתוח של מוצרים ביוטכנולוגיים מבוססי הנדסה גנטית.
- ניתוח מבני ומרחבי של סוגי חלבונים ומולקולות ביולוגיות.
- פיתוח מתודולוגיות ומודלים לסיוע בגילוי תרופות.
ה"מרחק" הגנטי בין אורגניזמים שונים. העץ מחושב בהתאם לשוני בקוד הגנטי. מטרת העץ היא חיפוש קרבה ו"אב משותף" לאורגניזמים שונים.
ביואינפורמטיקה ומידע כמותי:
כמויות הנתונים של הרצפים הגנומיים של האדם וכן של אורגניזמים אחרים הינו עצום ויצר מערכות אחסון הכוללות כמויות מידע אדירות. בנוסף, התאוצה הרבה הקיימת בתחומי המחקר והגילויים החדשים הביאו לכך שהמידע הנובע מהם מתפתח ומתעדכן במהירות. ולכן, לאופן ארגונו של המידע במאגרים הממוחשבים משמעות רבה ליעילות ומהירות אחזורו ולנוחות הנגישות אליו. תחום הביואינפורמטיקה עוסק בין השאר, גם בשיטות השונות לאופטימיזציה של ארגון המידע וניהולו. נתונים אלו הביאו לצורך מוגבר ודרישה מואצת לפתרונות אחסון עתירי נפח על שרתי מחשב חזקים, בצרוף כלי גישה וניהול יעילים ומהירים.
- GeneBank, המרכז את הרצפים המפוענחים מכלל האורגניזמים הנחקרים. הזינוק האדיר שהתרחש בשנים האחרונות, נובע מפיתוח שיטות ומכשירים יעילים לריצוף ה - DNA.
ביואינפורמטיקה וכח מיחשוב:
התחכום הגדל והמורכבות של האלגוריתמים החישוביים, המתמטיים והסטטיסטיים, כמו גם ההתקדמות הרבה בפיתוח כלי ניבוי וחיזוי למבנים מרחביים ואמצעי הדמיה ויזואלית, הביאו לצורך מוגבר ודרישה מואצת ליצירת פתרונות תצורת חומרה ומשאבים עתירי ביצועים ולסביבות מחשוב חזקות המאפשרות ליישם ביעילות כלי תוכנה מתקדמים בתחום הביואינפורמטיקה.
מחשבים ומעבדים חזקים יותר, טכנולוגיות של עיבוד מקבילי, תצורת אשכולות מחשב, תצורת עיבוד מבוזר ברשת, ביצוע תהליכים חישוביים בשלבים, התגברות על נתק ברציפות התהליך, ועוד, הנם חלק מהפתרונות המאפשרים לחסוך זמן מחשוב ולהשיג רמת שימוש כוללת גבוהה יותר וניצול יעיל של המערכות תוך הוזלה משמעותית בעלויות המחקר והרחבת יריעת המידע בתחום הנחקר.
ביואינפורמטיקה וחקר הגנום:
פרויקט הגנום האנושי התבצע תוך שיתוף פעולה בינלאומי ומטרתו היתה זיהוי ופענוח של כלל הרצף הגנומי של האדם. הגנום האנושי אינו הראשון שפוענח במלואו, וקדמו לו גנומים של כמה חיידקים (משפחת Escherichia coli), שמרים (שמר אפיה: Saccharomyces cerevisiae), ואף מין זבוב אחד (זבוב הפירות: Drosophila melanogaster).
סיומו היווה פריצת דרך וזרז משמעותי לתחום המחקר הביולוגי בכלל והגנומי בפרט. המידע הרב שהניב הפרויקט יצר ציפיות רבות לקידום משמעותי של הבנת הצופן הגנומי ואופן ביטויו, אך בפועל כמויות הנתונים האדירות שנצברו מספקות יותר שאלות מתשובות, וזוהי רק תחילת הדרך. לתחום הביואינפורמטיקה תפקיד מרכזי וחשוב בפיצוח מידע זה והבנתו.
הפרויקטים הגנומיים עוסקים כיום באיסוף וחקירה של מידע המתמקד בעיקרו בזיהוי הגנים, תפקידיהם, רמות הביטוי שלהם ,גורמי ההשפעה והבקרה עליהם וכן תופעות ייחודיות כמוטציות מורשות ואקראיות ורב-צורתיות גנטית באוכלוסיה. ברוב התהליכים מעורבים יותר מגן אחד והנם מושפעים ממספר רב של גורמים ביולוגיים.
המידע מאפשר, תוך שימוש בכלים ביואינפורמטיים, לקדם מחקרים רפואיים בתחומי אבחון וטיפול במחלות תורשתיות והבנה ביולוגית מעמיקה יותר של תהליכים מורכבים בגוף האדם כמו זיקנה ונטייה למחלות כמו סרטן ומחלות אוטו-אימוניות. תהליך מחקר גנומי הנו מורכב, מתמשך ומחייב שיתוף פעולה הדוק בין חוקרים מיומנים מתחום הרפואה, ביולוגים המתמחים בתחום הגנום, ואנשי ביואינפורמטיקה מקצועיים.
האתגרים המקצועיים הניצבים בפני אנשי הביואינפורמטיקה הולכים וגדלים יחד עם ההתפתחות וההתעדכנות של המחקרים, הגילויים החדשים והגידול הרב בכמויות המידע.
22 זוגות כרומוזומים וכן את זוג כרומוזומי המין - X ו-Y. לאורגניזמים שונים מספר שונה של כרומוזומים. Cen הנבנה ממספר רצפים שהתקבלו במחקר (חלקם חופפים) וחלוקה לאזורים.
ביואינפורמטיקה וחקר החלבונים:
תחומי המחקר העוסקים בחלבונים קיבלו תאוצה אדירה ומהווים כיום אחד מהנושאים המרכזיים בתחומי הביולוגיה המעשית, הרפואה והביואינפורמטיקה. בעוד שהגנום מתייחס למערכת הגנים של אורגניזם, אזי מערכת החלבונים שלו הנה פרוטאום.
הקידוד המגדיר ומתאר את הוראות הייצור של כל החלבונים בתא מצוי ב-DNA על פני הרצף הגנומי. אלפי סוגי חלבונים, ולעיתים גם עשרות אלפים, נוצרים ופועלים בתוך התא על סמך המידע הגנטי. הציפייה שפענוח הגנום האנושי השלם יסיע להבנת אופן תפקודה של מערכת החלבונים המסובכת נתבדתה. אמנם זיהוי גן מוגדר המקודד ליצירת חלבון מסוים מאפשר לקבל מידע לגבי הרכבו הכימי-מולקולרי של החלבון כרצף חומצות אמיניות, אך אינו עונה על השאלות המרכזיות לגבי מבנהו המרחבי, האתרים הפעילים בו ובעיקר תפקידו במערכת הביולוגית הכוללת.
מאגרי המידע צוברים כל הזמן פרטים ונתונים חדשים לגבי גנים שזוהו וכן חלבונים חדשים, הביואינפורמטיקה עוסקת רבות בשיטות ממוחשבות שיסיעו במציאת התשובות לשאלות אלו דרך עיבוד מידע זה ותוך יישום מתודולוגיות מתקדמות של חיזוי והערכה מתמטיים וסטטיסטיים המתבססות על החוקים הביולוגיים-כימיים-פיסיקליים והשוואת הדמיון לחלבונים דומים-קרובים.
אחת מהשיטות החדשניות לזיהוי התפקוד הביולוגי של חלבון בתא מתבססת על העיקרון של מיפוי וסיווג כל החלבונים שפועלים בתוך תא אחד לפי קבוצות פונקציונליות, שיטה זו מתבססת על זיהוי של זיקה חזקה בקרבה הפיסית וברמת הביטוי של מספר חלבונים המעורבים בתהליך אחד - משותף. ההנחה המחקרית הנה שאם קיימת זיקה מובהקת שכזו אזי הנם משתייכים לאותה קבוצה פונקציונלית וניתן להקיש לגבי אופי התפקוד של החלבון החדש, הלא ידוע, דרך חבריו לקבוצה.
שיטה חדשנית נוספת עוסקת בחיזוי וניבוי של אתרי ההכרות של חלבונים במרחב, בהתבסס על נתוני הרצף שניוני של החומצות האמיניות המרכיבות אותו.
ביואינפורמטיקה וביוטכנולוגיה:
הביואינפורמטיקה ממלאת תפקיד מרכזי בתהליכי מחקר ופיתוח ביוטכנולוגיים. הביוטכנולוגיה הנה תחום עתיר ידע של ביולוגיה יישומית, המתבססת על שימוש באורגניזם חיים בתהליכים תעשייתיים. ועוסק בפיתוח פתרונות חדשים ומשופרים למגוון גדול של תחומים תעשייתיים, כמו: תרופות, חקלאות, מזון, טקסטיל, נייר, דלק ועוד, תוך התחשבות אקולוגית ותרומה לאיכות הסביבה.
תחום ביוטכנולוגי חדשני הנו הפקת תרופות מצמחים. הטכנולוגיה מתבססת על החדרת גנים אנושיים לצמח, והפקת חלבונים באמצעותם. טכנולוגיה זו מהווה חלופה לטכנולוגיות הקיימות, בהן הפקת התוצרים החלבוניים מתבצעת באמצעות בעלי חיים או תסיסה ביולוגית של חיידקים. גם כאן ממלאת הביואינפורמטיקה תפקיד חשוב בתכנון התהליך, איתור הצמחים ואזורי החדרת-השתלת הגנים המתאימים.
ביואינפורמטיקה ותרופות:
תהליך פיתוח תרופות הנו מורכב, ממושך ודורש תוצאות אמינות ואיכותיות במיוחד. השימוש בכלים ביואינפורמטיים מתקדמים, מוזיל ומאיץ משמעותית את תהליך פיתוח התרופות.
כלי החיזוי הממוחשבים, הכוללים טכנולוגיות הדמיה מרחבית, מצמצמים את מרחב החיפוש ומקצרים את שלבי התכנון, הסינתזה והבדיקות הביולוגיות של קבוצות החומרים בעלי הפוטנציאל התרופתי, וממקדות את האנליזות המעבדתיות בתחומי הביולוגיה המולקולרית והביוכימיה.
תחום רפואי חדשני שבו יש לכלים ביואינפורמטיים תפקיד חשוב, עוסק בחיזוי ההשפעה של תרופות על חולים על-פי השתייכות לקבוצה בעלת מאפיינים גנטיים וסביבתיים דומים. בהתבסס על הנתונים הרפואיים והמידע הגנטי-קליני וסביבתי של החולה, והשוואתם לחתך סטטיסטי מחקרי מתאים, יחד עם נתונים חברתיים וסביבתיים המתייחסים אליו, ניתן לחזות טוב יותר את רמת ואופי התגובה של החולה לתרופה מסוימת. ובנוסף, כנגזרת של המידע המצטבר במחקרים מסוג זה ועיבודו באמצעות כלים מתמטיים-סטטיסטיים, ניתן לאתר קיום מתאם מולקולרי-גנטי, האופייני בהתאמה, לקבוצות מחקר שונות. בנוסף, זיהוי בדגימת החולים גנים הקשורים למחלה ומשליכים על ההשפעה התרופתית, מאפשר להמשיך לנסות ולמצוא תרופות משופרות וממוקדות יותר.
ביואינפורמטיקה וחקלאות:
ביואינפורמטיקה מהווה כלי חשוב בקידום מחקרים העוסקים בביולוגיה ובגנטיקה של צמחים. הכלים הביואינפורמטיים מתמקדים בפענוח הגנום של צמחים והעשרת הידע המאפשר שיפור ופיתוח של זנים חדשים לשימושים שונים. הטיפוח החקלאי המסורתי להשבחת זנים מתבסס בעיקרו על הכלאות באותה משפחה וכן על ברירה טבעית מבוקרת, להדגשה או דיכוי תכונות קיימות, בעוד שהטכנולוגיות הגנטיות המתקדמות עוסקות בהעברה של חומר גנטי בעל תכונות מוגדרות בין צמחים שונים ומאפשרות הוספה של תכונות חדשות, תחום זה נקרא - טרנסגנטיקה.
הביואינפורמטיקה משפרת את היכולת לגלות בצמחים גנים ואזורי בקרה בהם מתבטא הגן בצורה המתבקשת, וכן מספקת אמצעים ממוחשבים לחיזוי התנהגות הגן בצמח.
מטרות המחקרים והפיתוחים בתחום הינם: שיפור יכולת ההתגוננות והעמידות של צמחים כנגד מזיקים ביולוגים, פגעי מזג האויר, מחלות, תנאי סביבה קיצוניים ותנאי שטח טבעיים קשים, כמו גם קיצור מחזור הגידול והגדלת תפוקת הפרי, ובנוסף השבחת התכונות התזונתיות והשיווקיות של תוצרי מזון צמחיים מבחינת הטעם, הצבע, הצורה, הגודל, חיי מדף ארוכים ועוד.
לטרנסגנטיקה קיימת התנגדות בקרב ארגוני הגנת הטבע ואף ברשויות ממשלתיות עקב החשש להפרת האיזון האקולוגי הטבעי, ולנזקים סביבתיים שיכולים להיגרם על-ידי העלמות זני צמחים קיימים והשתלטות בלתי מבוקרת של זנים דומיננטיים חדשים, וכן הסיכון לקיום תופעות לוואי בלתי צפויות.
ביואינפורמטיקה וזכויות גילוי (פטנטים):
נושא משפטי זה הנו מורכב במיוחד ובעל השלכות רבות על המחקר בתחום ועל השיקולים וסדרי העדיפויות של חברות מסחריות העוסקות בתחום. לחקיקה ולנהלים השונים המוצאים על-ידי הרשויות הממשלתיות ומשרדי הפטנטים בארה"ב ובאירופה, השפעה רבה על העולם המדעי-יישומי ועל כיווני הפיתוח של כלים ביואינפורמטיים, והיא אמורה לספק תשובות משפטיות לשאלות כגון: האם אפשר לרשום פטנטים על קטעי גנים או רצפים? ומה לגבי גילוי מוטציות? והאם זיהוי התפקוד של גן והחלבון המקודד על-ידו הם פטנטים? ומה הנוהל והתהליך לרשום? ומה מידת ההגנה שהרישום מספק? ועוד.
ולסיכום, הביואינפורמטיקה כמדע בין-תחומי מורכב, דורשת רמת ידע ומיומנות גבוהים וכן התמחות ממוקדת מהעוסקים בה, וזאת על מנת להשיג תוצאות מחקריות אמינות וברמה גבוהה. השימוש בשרותי ביואינפורמטיקה הופך לחיוני ומשמעותי במיוחד לאור הגידול המואץ בכמויות המידע ומגוון הדרישות המחקריות. גופי המחקר והפיתוח באקדמיה ובתעשייה מודעים יותר ויותר לצורך בהקצאת משאבים ותקציבים לטובת הפעילות הביואינפורמטית מתוך הכרה בחסכון המושג בעלויות ובזמן התהליך.
_______________
המאמר נכתב ע"י משה גל, מנכ"ל חב' ביו-מיינינג ישראל בע"מ (BioMining), העוסקת במתן שירותים ופתרונות בתחום הביואינפורמטיקה