نموذج حسابي لعملية التمثيل الغذائي في الأنسجة البشرية

النموذج الذي تم تطويره في جامعة تل أبيب وبمشاركة باحثين أمريكيين يسمح بمراقبة الجانب الأيضي لعشرة أنسجة صحية، بما في ذلك القلب * البروفيسور إيتان روبين من جامعة تل أبيب الذي ترأس البحث المنشور في مجلة Nature Biotechnology: سوف يكون من الممكن تطوير نماذج لأي مرض وتجربة الأدوية في المحاكاة

سيكون النموذج الحاسوبي الذي طوره فريق من الباحثين بقيادة البروفيسور إيتان روبين من جامعة تل أبيب، قادرا على المساعدة في محاكاة عملية التمثيل الغذائي في الأنسجة المختلفة لجسم الإنسان، لغرض البحث في العديد من الأمراض. هذا بحسب مقال نشر اليوم في مجلة Nature Biotechnology.

وبالإضافة إلى روبين، شارك تومر شلومي في البحث الذي كانت أطروحته للدكتوراه موران كابيلي، بالإضافة إلى باحثين من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو - ماركوس هيرغارد وبرنارد بيلسون، أعضاء المجموعة التي نشرت دراسة عن والذي يعتبر النموذج الحالي استمرارا وتطويرا.

تكشف الدراسة عن الدور المركزي الذي تلعبه عمليات التحكم المختلفة في تحديد نمط التمثيل الغذائي للأنسجة. يتنبأ النموذج بنجاح بترابط الأنسجة بين العديد من العمليات الأيضية والجينات والأيضات. ولذلك تم وضع أساس حسابي سيمكن في المستقبل من إجراء دراسة واسعة النطاق للعديد من الاضطرابات والأمراض الأيضية في الأنسجة المختلفة، بما في ذلك أمراض مثل مرض السكري والسمنة، وأمراض التمثيل الغذائي الوراثية، والأمراض التنكسية العصبية مثل مرض الزهايمر، والتغيرات المميزة في التمثيل الغذائي الذي يحدث في الأمراض الخبيثة.

في محادثة مع موقع هيدان، يوضح البروفيسور روبين أن الكأس المقدسة لعلم الأحياء الحسابي هو بناء نماذج حاسوبية للأنظمة البيولوجية التي نهتم بها. "الرؤية هي أنه إذا كان لدينا وصف جيد لمثل هذه الأنظمة البيولوجية داخل الكمبيوتر، فيمكننا إجراء تجارب المحاكاة بدلاً من الحيوانات أو الثقافات البشرية، أو في عمليات تطوير الأدوية."

"ومع ذلك، نحن بعيدون عن تطوير محاكاة للخلية الحية، لأن هناك جوانب عديدة لنشاط حتى أبسط الخلية - حتى خلايا الخميرة. ولذلك، فإن مهمتنا أكثر تواضعًا - قياس أحد هذه المعايير، ومن المسلم به أنه أحد أهمها - التمثيل الغذائي، وبناء نموذج موثوق به."

أين أتت فكرة من؟

وكما جرت العادة في العلم نجلس على أكتاف العمالقة. منذ حوالي عام ونصف، تم نشر مقال في مجلة PNAS من قبل مجموعة أمريكية تعد من رواد العالم في الأبحاث الحسابية لعملية التمثيل الغذائي، والتي وصفت النموذج الأول لعملية التمثيل الغذائي عند الإنسان. لقد كانت مهمة رائعة استثمروا فيها سنوات عديدة والكثير من الطاقة. يستشهدون في الدراسة بما لا يقل عن 1,500 مقالة قرأوها وراجعوها لبناء النموذج وأجروا اختبارات الصلاحية (التحقق) الأولية له. لكن النموذج الذي طوروه هو نموذج عام، ولا يصف عملية التمثيل الغذائي في نسيج معين. الإنسان مخلوق متعدد الخلايا ومتعدد الأنسجة. ما قمنا به في العمل الحالي هو تطوير نماذج محددة لعملية التمثيل الغذائي في البشر لأنسجة معينة، بناءً على البنية التحتية لعملهم. ومن بين أمور أخرى، الدماغ والقلب والكبد والكلى، وما إلى ذلك.

"بعد أن قمنا بتطوير هذه النماذج المحددة، قمنا بالتحقق من صحتها من خلال جمع كل المعرفة المتاحة اليوم من الأدبيات حول عملية التمثيل الغذائي التي تحدث على وجه التحديد في هذه الأنسجة وأظهرنا أن تنبؤات النموذج تتوافق حقًا مع المعرفة الحالية. بالإضافة إلى ذلك، قدمنا ​​تنبؤات جديدة تتجاوز المعرفة المعروفة حاليًا وتصف الحالة الأيضية لأنسجة الجسم السليمة."

التعبير الجيني في الأمراض

"تسمح طريقتنا، في ظل معرفة معينة حول التعبير الجيني، ببناء مثل هذا الوصف لأي نسيج نريده. لقد قمنا بالفعل بتطوير محاكاة لعشرة أنسجة، لكننا قدمنا ​​طريقة أساسية تجعل من الممكن القيام بذلك مع إعطاء معلومات التعبير الجيني لكل نسيج. بالإضافة إلى الجينات السليمة، يسمح لنا النموذج بوصف ودراسة التغيرات في الحالة الأيضية في الأمراض المختلفة. العديد من الأمراض لها عواقب في مجال التمثيل الغذائي، أبرزها السمنة والسكري - من العالم الغربي، كما أن هناك أكثر من 300 مرض وراثي، وإن كان نادرا، يحدث نتيجة خلل في الجين المسؤول عن التمثيل الغذائي، على سبيل المثال بيلة الفينيل كيتون، أو مرض بولس عند اليهود الشرقيين."

"إلى جانب هذه الأمراض، هناك أيضًا أمراض أخرى يلعب فيها التمثيل الغذائي دورًا مركزيًا - أولاً وقبل كل شيء، الأمراض التنكسية العصبية مثل مرض الزهايمر ومرض باركنسون حيث يحدث موت الخلايا، ولكن ما يسبب موت الخلايا هو عملية تسمى موت الخلايا المبرمج، وهي واحدة من المسببات الرئيسية لمرض موت الخلايا المبرمج. وهي اضطرابات في استقلاب الميتوكوندريا. وتعلمنا أيضًا عن التغيرات الأيضية التي تحدث في الخلايا الخبيثة. ولذلك، فإن الوصف الأيضي الذي نقدمه للأنسجة المختلفة يحتوي ضمنه على إمكانية محاولة التحقيق والفهم بشكل أفضل بطريقة حسابية لما يحدث في هذه الأمراض من وجهة نظر التمثيل الغذائي.

الائتمان للباحثين

"عليك أن تشيد بالطالبين تومر شلومي وموران كابيلي اللذين قاما بالجزء الأكبر من العمل." يقول البروفيسور روبين. "شلومي على وشك الانتهاء من أطروحة الدكتوراه في جامعة تل أبيب وحصل على منصب فوري كعضو هيئة تدريس في التخنيون، وكافيلي، التي أنهت درجتيها في مسار المعلوماتية الحيوية الفريد من نوعه في جامعة تل أبيب، أنهت درجة الماجستير وذهبت لإجراء دراسة دكتوراه في جامعة هارفارد في قسم بيولوجيا الأنظمة. أما الشريكان الآخران ماركوس هيرغارت وبرنارد بيلسون فهما شريكان أمريكيان من المجموعة الرائدة عالمياً في مجال الأيض الحسابي، وهي التي طورت النموذج البشري الأساسي الذي بدأنا منه، فتستطيع أن ترى تعدد التخصصات المطلوبة لهذا النوع البحث."

وما هي الخطط للمستقبل؟

ويخلص البروفيسور روبين إلى أن: "النموذج الذي قمنا بتطويره هو مجرد نقطة بداية. وهذا نموذج قريب يتطلب التحسين المستمر والدقة ويحتاج إلى المزيد من العمل. هذا هو العلم الأساسي ويتطلب الأمر الكثير من العمل، وهو مستمر طوال الوقت من جانبنا ومن جانب المجموعات الأخرى في العالم."