הברירה הטבעית היא כוח אבולוציוני חשוב המאפשר לבני אדם להסתגל לסביבות חדשות ולהילחם בפתוגנים גורמי מחלות. עם זאת, טביעות הרגל הייחודיות של הברירה הטבעית בגנום שלנו יכולות להיקבר מתחת לאלה שהותירו כוחות אבולוציוניים אחרים. לפיכך, על ידי מינוף מידע על כוחות אבולוציוניים מרובים, החוקרים יכולים לזהות סימנים של ברירה טבעית בגנום האנושי, ובסופו של דבר לקבוע את תפקידו בהסתגלות ובמחלות של האדם.
ריצוף DNA בעלות נמוכה סיפק לחוקרים שפע של נתונים גנומיים, ואיפשר להם לחפש עדויות לברירה טבעית במינים שונים. עם זאת, גורמים שונים שאינם מסתגלים יכולים לפעמים לטשטש את האותות הללו, מה שהופך את זה חיוני לפתח שיטות סטטיסטיות מתוחכמות שיכולות להסביר גורמים מרובים המשפיעים על שונות גנטית.
מייקל דג'יורג'יו, Ph.D., במכללה להנדסה ומדעי המחשב באוניברסיטת פלורידה אטלנטיק, קיבל מענק של 1,874,360 דולר לחמש שנים מהמכון הלאומי למדעי הרפואה הכללית (NIGMS) של המכונים הלאומיים לבריאות של ארצות הברית (NIH) ) לקדם את מחקריו על תכנון ויישום שיטות סטטיסטיות לזיהוי אזורים בגנום המושפעים מהברירה הטבעית. הפרויקט שכותרתו, "זיהוי אופני הסתגלות מורכבים מנתונים גנומיים של אוכלוסייה", הוא פרס מחקר NIH NIGMS Maximizing Investigators לחוקרים מבוססים.
מחקר זה נועד לפתח כלים רבי עוצמה לזיהוי אופני הסתגלות מגוונים מנתונים גנטיים ולהבין טוב יותר את המנגנונים האבולוציוניים העומדים בבסיס תכונות כמו עמידות למחלות והגנה מפני פתוגנים.
כדי להבין באמת כיצד התפתחה והפצה הווריאציה הגנטית האנושית, חיוני לחקור את המנגנונים האבולוציוניים הפועלים. הופעתן של טכנולוגיות רצף מתקדמות בתפוקה גבוהה, יחד עם חיזוקים משמעותיים ביכולות החישוביות, ציידו את הגנטיקאים בכלים חדשים וחזקים. המענק החשוב הזה מהמכונים הלאומיים לבריאות יאפשר לצוות המחקר המצטיין שלנו בראשות פרופסור דג'ורג'יו להעמיק בהבנת הכוחות האבולוציוניים התורמים למגוון הנצפה באוכלוסיות אנושיות".
סטלה בטאלמה, Ph.D., דיקן, המכללה להנדסה ומדעי המחשב של FAU
דג'יורג'יו וצוות המחקר שלו עובדים על זיהוי הברירה הטבעית, המשפיעה על תדירות התכונות בתוך אוכלוסיות ומשאירה אותות גנטיים עדינים ברצפי ה-DNA של פרטים בתוך אוכלוסיות אלו. במהלך ארבע השנים האחרונות, הצוות שלו עשה התקדמות משמעותית בתחום זה, ופיתח כמה מהשיטות הראשונות, החזקות והמתקדמות ביותר המבוססות על מודלים לחשיפת אותות גנומיים של מערך מגוון של אירועים אדפטיביים באמצעות ניתוח של DNA בתוך המינים ועל פניהם. שיטות אלו שואבות ממגוון רחב של טכניקות סטטיסטיות והנדסיות, על ידי מינוף ושילוב של החוזקות של מסגרות הסתברותיות, למידת מכונה ועיבוד אותות.
"השיטות שלנו הובילו לכמה תובנות חדשות", אמר דג'יורג'יו, יו"ר חבר ופרופסור חבר, המחלקה להנדסת חשמל ומדעי המחשב של FAU והמחלקה להנדסה ביו-רפואית. "לדוגמה, מצאנו עדויות לברירה חיובית מתכנסת באירופים ובמזרח אסיה שעשויות להסביר הבדלים בתגובת האינסולין בין האוכלוסיות הללו. גילינו גם ברירה חיובית בגנים של חוש הריח המשפיעים על ריח והתנהגות של חולדות בעיר ניו יורק לצורך ניווט קשה ורועש סביבות עירוניות, וזיהה ברירה מאזנת בגני ארס שעשויים למלא תפקיד באינטראקציות של טורף וטרף אצל נחשים".
ההתקדמות האחרונה ב-AI, במיוחד למידה עמוקה, שיפרו מאוד את חיזוי התוצאות באמצעות נתונים מורכבים כמו מידע גנטי. אלגוריתמים אלה לומדים מנתוני אימון ומיישמים את הידע הזה על נתונים חדשים, בלתי נראים. כוחם טמון בטיפול בתכונות מורכבות ובהתאמה לסוגי נתונים שונים. עם זאת, לעתים קרובות הם מתמודדים עם אתגרים כאשר הנתונים החדשים שונים מנתוני ההדרכה, בעיה המכונה "שינוי תחום".
"כדי לשפר את דיוק הניבוי, חיוני להסתגל לתנאי הנתונים המשתנים ולחדד את בחירת התכונות והמודלים", אמר דג'יורג'יו.
בחמש השנים הקרובות, DeGiorgio מתכנן לקדם את המחקר הזה על ידי פיתוח גישות סטטיסטיות, למידת מכונה ועיבוד אותות משופרות. שיטות אלו ישאפו לזהות דפוסי הסתגלות מורכבים על ידי התחשבות כיצד כוחות אבולוציוניים שונים מעצבים בו-זמנית מגוון גנטי. באופן ספציפי, החוקרים יתמקדו ביצירת מסגרות חדשות לזיהוי בחירה חיובית ומאזנת תוך התחשבות בגורמים גנומיים, זמניים ומרחביים.
דג'יורג'יו וצוות המחקר שלו יעבדו על שיטות לאיתור אזורים עם דפוסי בחירה מורכבים משונות גנטית עתיקה, ישתמשו בטכניקות עיבוד אותות כדי לנתח נתונים גנומיים מתמונות עבור מודלים של למידת מכונה, ויפתחו הליכים חדשניים לטיפול באי-ודאות בפרמטרים גנטיים ודמוגרפיים כאשר להכשיר את המודלים הללו.
"עם הטכניקות המתקדמות הללו, חוקרים יכולים כעת לחקור הסתגלות במגוון רחב יותר של אורגניזמים, ממודלים שנחקרו היטב ועד לאלה שנבדקו בתדירות נמוכה יותר", אמר ג'וואד האשמי, Ph.D., יו"ר ראשוני ופרופסור, המחלקה להנדסה ביו-רפואית ב-FAU. ודיקן חבר למחקר ופרופסור במכללה להנדסה ומדעי המחשב. "מיקוד רחב יותר זה לא רק יגדיל את ההכללה במחקר זה, אלא גם יעמיק את ההבנה כיצד מינים שונים מסתגלים לסביבתם. על ידי יישום שיטות חדשות אלה על אורגניזמים מגוונים – כגון פרימטים, מכרסמים, נחשים, חרקים וצמחים – החוקרים שלנו להתמודד עם שאלות אבולוציוניות משמעותיות ולחשוף תובנות חדשות במגוון הקשרים ביולוגיים."
