הפרויקט השאפתני הזה רוצה לסדר את ה-DNA של כל החיים המורכבים על פני כדור הארץ

"אנחנו רק מתחילים להבין את מלוא מלכות החיים על פני כדור הארץ", כתבו חברי המייסדים של הארגוןEarth BioGenome Project בשנת 2018. הפרויקט השאפתני הרים גבות כשהוכרז לראשונה. הוא מבקש ליצור פרופיל גנטי של למעלה ממיליון צמחים, בעלי חיים ופטריות. תיעוד הגנומים הללו הוא הצעד הראשון לבניית אטלס של חיים מורכבים על פני כדור הארץ.

מינים חיים רבים נותרים מסתוריים למדע. מסד נתונים הנובע מהפרויקט יהווה משאב יקר לניטור המגוון הביולוגי. זה יכול גם לשפוך אור על ה"חומר האפל" הגנטי של חיים מורכבים כדי לעורר ביולוגים חדשים, תרופות או לעורר רעיונות לביולוגיה סינתטית. תובנות אחרות יכולות להתאים שיטות חקלאיות כדי להגביר את ייצור המזון ולהאכיל אוכלוסייה עולמית גדלה.

במילים אחרות, חפירה בנתונים הגנטיים של יצורים חיים אמורה לחשוף "סודות ביולוגיים בלתי נתפסים", כתב הצוות.

הבעיה? תג מחיר כבד. עם עלות מוערכת של 4.7 מיליארד דולר, אפילו מייסדי הפרויקט כינו אותו "יריית ירח". עם זאת, כנגד כל הסיכויים, הפרויקט התקדם, עם 3,000 גנומים שכבר רוצבו ו-10,000 מינים נוספים צפויים עד 2026.

למרות שהפרויקט מפגר את היעד המקורי שלו לרצף בערך 1.7 מיליון גנומים בעשור, הפרויקט עדיין מקווה להגיע ליעד זה עד 2032 - מאוחר יותר מהיעד המקורי, אבל עם תג מחיר נמוך בהרבה הודות לטכנולוגיות ריצוף DNA יעילות יותר.

בינתיים, הצוות הבינלאומי גם בנה תשתית לשיתוף נתוני רצף גנים, ושיטות למידת מכונה מסייעות עוד יותר לקונסורציום לנתח אלפי מערכי נתונים - עוזרים לאפיין מינים חדשים ולנטר נתוני DNA עבור אלה שנמצאים בסכנת הכחדה.

הרחבת ההיקף

חומר גנטי נמצא בכל מקום. זהו משאב בשפע כדי להבין את החיים של כדור הארץ. ככל שהרצף הגנטי הופך מהיר יותר, זול יותר ואמין יותר, מחקרים עדכניים החלו לחפור במידע המיוצג על ידי DNA ממינים ברחבי העולם.

שיטה אחת, המכונה מטאגנומיקה, לוכדת ומנתחת DNA מיקרוביאלי שנאסף במגוון סביבות, מביוב עירוני ועד מעיינות חמים רותחים. השיטה לוכדת ומנתחת את כל ה-DNA ממקור מסוים כדי לצייר תמונה גנטית רחבה של חיידקים מסביבה נתונה. במקום חיידקים, הEarth BioGenome Project, או EBP, שואפת לרצף את הגנום של יצורים אוקריוטיים בודדים - בעצם, אלה ששומרים את רוב ה-DNA שלהם במבנה דמוי אגוז, או גרעין, בתוך כל תא.

בני אדם, צמחים, פטריות ובעלי חיים אחרים כולם נכללים בקבוצה זו. לפי הערכה אחת, ישנם בערך 10 עד 15 מיליון מינים אוקריוטיים על הפלנטה שלנו. אבל רק קצת יותר משני מיליון תועדו.

רצף DNA מתאי אוקריוטים יכול להרחיב מאוד את הידע שלנו על המגוון הגנטי של כדור הארץ. מסד נתונים כזה יכול להיות גם אוצר לביולוגיה סינתטית. מדענים כבר התעסקו עם השרטוטים הגנטיים של החיים בחיידקים ותאי שמרים. פענוח - ולאחר מכן תכנות מחדש - הגנים שלהם הובילו להתקדמות כמו שידול של תאי חיידקים לשאוב דלק ביולוגי, חומרים מתכלים ותרופות כמו אינסולין.

שרטוט הגנום של האיקריוטים יכול לעורר עוד יותר חומרים או תרופות חדשות. לְדוּגמָה,ציטארבין, תרופה כימותרפית, בודדה בתחילה מיצור ימי דמוי ספוג ואושרה על ידי ה-FDA לטיפול בסרטן דם שהתפשט למוח. תרופות אחרות שמקורן בצמח כבר נמצאות בשימוש כדי להתמודד עם זיהומים ויראליים או לשלוט בכאב. מכמעט 400,000 מיני צמחים שונים, מאות תרופות כבר אושרו והן בשוק. באופן דומה, פענוח גנטיקה של צמחים עורר רעיונות לחומרים מתכלים חדשים ודלק ביולוגי.

רצפים גנטיים של אורגניזמים מורכבים יכולים "לספק את חומרי הגלם להנדסת גנום וביולוגיה סינתטית לייצור מוצרים ביולוגיים בעלי ערך בקנה מידה תעשייתי", כתב הצוות.

מלבד שימושים רפואיים ותעשייתיים, המאמץ מתעד גם את המגוון הביולוגי. יצירת ספרייה דיגיטלית של DNA של כל החיים האוקריוטיים הידועים יכולה להצביע על המינים שנמצאים בסיכון הגבוה ביותר - כולל מינים שעדיין לא מאופיינים במלואם - ולספק נתונים להתערבות מוקדמת יותר.

"לראשונה בהיסטוריה, ניתן לרצף ביעילות את הגנום של כל המינים המוכרים ולהשתמש בגנומיקה כדי לעזור לגלות את 80 עד 90 האחוזים הנותרים מהמינים המוסתרים כעת מהמדע", כתב הצוות.

חייל על

הפרויקטבעל שלושה שלבים.

שלב ראשון מניח את התשתית. הוא מבסס את המינים לרצף, בונה תשתית דיגיטלית לשיתוף נתונים, מפתח ערכת כלים לניתוח. המטרה החשובה ביותר היא לבנות רצף DNA ייחוס למינים דומים במבנה הגנטי - כלומר, אלה שב"משפחה".

גנומי התייחסות חשובים להפליא למחקרים גנטיים. נאמנים לשמם, מדענים מסתמכים עליהם כבסיס כאשר משווים גרסאות גנטיות - למשל, כדי לאתר גנים הקשורים למחלות תורשתיות בבני אדם או תכולת סוכר בגרסאות שונות של גידולים.

שלב שני של הפרויקט יתחיל לנתח את נתוני הרצף ולגבש אסטרטגיות לשמירה על המגוון הביולוגי. השלב האחרון משלב את כל העבודה הקודמת כדי לשנות את האופן שבו מינים שונים משתלבים בעץ האבולוציוני שלנו. מדענים גם ישלבו נתוני אקלים בשלב זה וידגימו את ההשפעות של שינויי האקלים על המגוון הביולוגי.

הפרויקט הבינלאומי החל בשנת 2018 וכלל את ארה"ב, בריטניה, דנמרק וסין, כאשר רוב דגימות ה-DNA רוצו במתקנים בסין ובבריטניה. כיום חתמו על 28 מדינות המשתרעות על פני שש יבשות. רוב חומרי ה-DNA המבודדים ממינים בודדים עוברים רצף ישירות באתר, מה שמפחית את עלות ההובלה תוך הגברת הנאמנות.

לא לכל המשתתפים יש גישה קלה למתקני ריצוף DNA. מוסד אחד, Wellcome Sanger, פיתח מעבדת רצף DNA ניידת שיכולה לעזור למדענים העובדים באזורים כפריים ללכוד את השרטוטים הגנטיים של צמחים ובעלי חיים אקזוטיים. המכשיר רצף את ה-DNA של סוג של חמניות עם סגולות רפואיות פוטנציאליות באפריקה, בין דגימות אחרות ממקומות אקזוטיים.

EBP הולכת בעקבות פרויקטים גלובליים אחרים שמטרתם לרצף את החיידקים של כדור הארץ, כגוןיוזמת מיקרוביום לאומיתאו אתפרויקט מיקרוביום כדור הארץ.בעבר נחשבו גם לצילומי ירח, אלה הבטיחו מימון מסוכנויות ממשלתיות והשקעות פרטיות.

למרות ההתלהבות של המשתתפים בה, ל-EBP עדיין חסרים מיליארדי דולרים כדי להנחות אותו להשלמתו המלאה. אבל תג המחיר של הפרויקט - שהוערך במקור במיליארדי דולרים - עשוי להיות נמוך בהרבה.

הודות לשיטות ריצוף גנטי יעילות וזולות יותר, העלות הנוכחית של שלב א' צפויה להיות מחצית מההערכה המקורית - בסביבות 265 מיליון דולר.

זה עדיין סכום נכבד, אבל עבור המשתתפים, מסד הנתונים והשיטות שהתקבלו שווים את זה. "עכשיו יש לנו פורום משותף ללמוד יחד כיצד לייצר גנומים באיכות הגבוהה ביותר האפשרית", אלכסנדר אליקסו מהמכון הטכנולוגי של Vale, שהשתתף בפרויקט,סיפר מַדָע.

בהתחשב בהשפעה של גנטיקה חיידקית כבר על הביו-רפואה והדלק הביולוגי, סביר להניח שפענוח DNA אוקריוטי יכול לעורר השראה נוספת. בסופו של דבר, הפרויקט מסתמך על שיתוף פעולה גלובלי לטובת האנושות.

"היתרונות הפוטנציאליים מרחיקי הלכת של יצירת מאגר דיגיטלי פתוח של מידע גנומי לחיים על פני כדור הארץ יכולים להתממש רק על ידי מאמץ בינלאומי מתואם."כתבהצוות.

קרדיט תמונה:מ' ריכטרעַלPixabay