במהלך 20 השנים האחרונות, חוקרים בביולוגיה ורפואה יצרו מודלים של רשת בוליאנית כדי לדמות מערכות מורכבות ולמצוא פתרונות, כולל טיפולים חדשים לסרטן המעי הגס.
מודלים של רשת בוליאנית פועלים תחת ההנחה שלכל גן ברשת רגולטורית יכול להיות אחד משני מצבים: מופעל או כבוי".
קלאוס קדלקה, ביולוג מערכות ופרופסור חבר למתמטיקה באוניברסיטת איווה סטייט
קדלקה וחוקרים סטודנטים לתואר ראשון פרסמו לאחרונה מחקר שמפרק את עקרונות התכנון הנפוצים במודלים מתמטיים אלה עבור רשתות ויסות גנים. לדבריו, מראה אילו תכונות התפתחו במשך מיליוני שנים יכול "להנחות את התהליך של בניית מודל מדויק" עבור מתמטיקאים, מדעני מחשב וביולוגים סינתטיים.
"האבולוציה עיצבה את הרשתות השולטות בקבלת ההחלטות של התאים שלנו בדרכים מאוד ספציפיות ומותאמות. ביולוגים סינתטיים שמנסים להנדס מעגלים שמבצעים פונקציה מסוימת יכולים ללמוד מהתכנון הזה בהשראת האבולוציה", אומר קדלקה.
רשתות וויסות גנים קובעות מה קורה והיכן זה קורה באורגניזם. לדוגמה, הם מנחים תאים ברירית הקיבה שלך -; אבל לא בעיניך -; לייצר חומצה הידרוכלורית, למרות שכל התאים בגוף שלך מכילים את אותו DNA.
על פיסת נייר, קדלקה מצייר רשת גנים פשוטה והיפותטית. גן A מייצר חלבון שמדליק את גן B, שמדליק את גן C, שמכבה את גן A. לולאת המשוב השלילי הזו היא אותו רעיון כמו מזגן שנכבה ברגע שחדר מגיע לטמפרטורה מסוימת.
אבל רשתות וויסות גנים יכולות להיות גדולות ומורכבות. אחד המודלים הבוליאניים במערך הנתונים של החוקרים כולל יותר מ-300 גנים. ויחד עם לולאות משוב שלילי, רשתות וויסות גנים עשויות להכיל לולאות משוב חיוביות ולולאות הזנה קדימה, אשר מחזקות או מעכבות תגובות. גנים מיותרים שמבצעים את אותה פונקציה נפוצים אף הם.
בין עקרונות עיצוב אלו ואחרים המודגשים במאמר החדש, קדלקה אומר שאחד הנפוצים ביותר הוא "תיעול". זה מתייחס להיררכיה או סדר חשיבות בין גנים ברשת.
נתונים נגישים, מחוזקים במחקר לתואר ראשון
קדלקה מדגישה כי קשה היה להשלים את הפרויקט ללא תכנית המנטורים לשנה הראשונה, אשר מתאימה לסטודנטים בתכנית ההצטיינות של מדינת איווה הזדמנויות מחקר ברחבי הקמפוס.
סטודנטים לתואר ראשון עזרו לקדלקה לפתח אלגוריתם לסרוק 30 מיליון מאמרים ביו-רפואיים ולסנן את אלה שסביר להניח שיכללו מודלים של רשת ביולוגית בוליאנית. לאחר סקירת 2,000 מאמרים בזה אחר זה, זיהו החוקרים כ-160 מודלים עם קרוב ל-7,000 גנים מוסדרים.
אדיסון שמידט, כיום בכיר במדעי המחשב, הוא אחד מחברי המאמר. כאשר עבד על הפרויקט כסטודנט טרי בשנת 2021, הוא יצר מאגר מידע מקוון עבור הפרויקט.
"יתרון מרכזי של המחקר הוא בכך שהוא אוסף ומתקן רשתות רגולטוריות של גנים בוליאניים ממקורות רבים ומציג אותם, יחד עם סט כלי ניתוח, באמצעות ממשק אינטרנט מרכזי. זה מרחיב את הנגישות של הנתונים, ואת ממשק האינטרנט הופך את כלי הניתוח לשימושים ללא רקע תכנות", אומר שמידט.
קדלקה אומר שביולוגים מערכות השתמשו במסד הנתונים למחקר שלהם והביעו תודה על המשאב. הוא מתכנן לתחזק ולעדכן את האתר ולחקור מדוע האבולוציה בוחרת עקרונות עיצוב מסוימים ברשתות וויסות גנים.
לגבי שמידט, הוא אומר שהעבודה על הפרויקט כסטודנט טרי עזרה לו להרחיב את המומחיות שלו בשפת התכנות Python ולהיות נוח יותר ליישם את כישוריו למחקר.
"הפרויקט הזה גם הניע אותי להמשיך במחקר אחר במדינת איווה, שם פיתחתי כלים אחרים, ובמקרה, אתר נוסף שיציג אותם", אומר שמידט.
הוא מוסיף שהוא העריך את החונכות של קדלקה ומקווה שתוכנית המנטורים לשנה הראשונה תמשיך לטפח הזדמנויות למחקר לתואר ראשון במדינת איווה.
