محاكاة خلية حية

محاكاة خلية حية^(*)

بابتكارهم أول نموذج حاسوبي⁽¹⁾ منجز بكامله لكائن
حي وحيد الخلية ⁽²⁾، فإن علماء البيولوجيا يشكلون بذلك
نوعا جديدا فعالا من أداة توضح لنا كيف تعمل الحياة.

<W .M. كوڤرت>

 

باختصار   النماذج الحاسوبية التي يمكنها تفسير وظيفة كل جين وكل جزيء في الخلية قد تحدث ثورة في الكيفية التي ندرس بها ونفهم ونصمم الأنظمة البيولوجية. ففي عام 2012 جرى إتمام محاكاة شاملة لبكتيرة معدية شائعة، وبينما تظل هذه المحاكاة ناقصة، إلا أنها ولدت بالفعل اكتشافات جديدة. يقوم العلماء الآن ببناء نماذج لكائنات (متعضيات) organisms أكثر تعقيدا. فهدفهم البعيد المدى هو محاكاة خلايا وأعضاء الإنسان بتفاصيل قابلة للمقارنة.

 

لقد جاءتني الرؤية الحاسمة أثناء قيادتي لدراجتي على مهل عند عودتي من العمل إلى المنزل. لقد كان يوم «عيد الحب» عام 2008. وأثناء رحلتي، كان ذهني مشغولا بمشكلة لطالما شغلتني وشغلت الآخرين لأكثر من عقد من الزمن: هل هناك وسيلة ما لمحاكاة الحياة في برمجية⁽³⁾ – تشمل جميع الآليات التي تسير الحياة متضمنة كيمياء الحياة الرائعة والغامضة والشديدة التعقيد؟

فنموذج حاسوبي فعال لخلايا حية، حتى وإن كان ناقصا بعض الشيء وغير دقيق تماما، سوف يكون أداة مفيدة بشكل رائع. حيث يمكن للباحثين البيولوجيين أن يقوموا باختبار أفكار التجارب قبل أن يكرسوا الوقت والتمويل للقيام بها فعليا في المختبر. فعلى سبيل المثال، يستطيع مطورو العقاقير تعجيل بحثهم عن مضادات حيوية antibiotics جديدة توجه إلى جزيئات معينة يؤدي تثبيطها إلى أقصى هدم للخلية البكتيرية. ويستطيع المهندسون البيولوجيون مثلي أن يقوموا بزرع وإعادة تفعيل جينات لكائنات (متعضيات) ميكروية microorganisms  افتراضية وذلك لتصميم سلالات معدلة ذات صفات خاصة – مثل القدرة على التفلور⁽⁴⁾ fluoresce عند أعدائها بڤيروس معين، أو ربما القدرة على استخلاص غاز الهدروجين من البترول – مع تجنب المخاطر المتعلقة بتحوير الميكروبات microbes الأصلية. وفي النهاية، إذا استطعنا أن نصنع نماذج مفصلة كفاية لمحاكاة خلايا بشرية، وبما أن أنواعا عديدة من خلايا الإنسان لا يمكن تنميتها في مستنبتات، فقد تستطيع هذه الأدوات تحويل مسار البحث الطبي بإفساح المجال للباحثين للقيام بدراسات يتعذر تطبيقها عمليا في الوقت الحالي.

إلّا أن كل ذلك بدا كأضغاث أحلام إذا لم توجد طريقة عملية لفك شبكة التفاعلات الكيميائية المرتبطة ببعضها وبالروابط الطبيعية التي تجعل الخلايا الحية تعمل. وقد واجه العديد من المحاولات السابقة، بواسطة العاملين في مختبري بجامعة ستانفورد فضلا عن غيرهم، طريقا مليئا بالعقبات، وبعضها فشل بشكل صريح.

 

إلا أنني أثناء قيادتي لدراجة على مهل في الجامعة في تلك الليلة الشتوية، فكرت فيما كنت أقوم به من عمل مؤخرا لأسجل صورا ومقاطع فيديو لخلايا حية مفردة⁽⁵⁾ single living cells. عندها جاءتني الفكرة لعمل مُحاكٍ simulatorواقعي وفعال، وهو اختيار أحد أبسط الميكروبات الوحيدة الخلية، بكتيرة تسمى ميكوپلازما جينيتاليم⁽⁶⁾، وتشييد نموذج لميكروب واحد. واقتصار المحاكاة على خلية واحدة فقط سوف يبسط المشكلة بما يكفي، حيث يمكننا من حيث المبدأ، تضمين كل جذاذة⁽⁷⁾ bit  في البيولوجيا من المعلوم حدوثها في تلك الخلية – فك كل درجة من سلم دنا DNA ملتف، ونسخ كل رسالة في ذلك الدنا إلى نسخة رنا RNA، وصنع كل إنزيم وبروتينات أخرى عن طريق تعليمات الرنا تلك، والتآثرات بين كل من تلك العوامل والعديد من غيرها، والتي تعمل جميعها على جعل الخلية تنمو، وفي النهاية تنقسم إلى خليتين بنتين two daughtercells. وسوف تنتج المحاكاة، فيما يقرب من النموذج الأولي، الدراما الكاملة للحياة الوحيدة الخلية.

لقد سعت المحاولات السابقة دائما إلى محاكاة مستعمرة كاملة من الخلايا وذلك لأن جميع المعلومات التي لدينا عن سلوك الخلية تم جمعها غالبا من تجمعات خلوية⁽⁸⁾ وليس من أفراد. إلا أن التقدم في كل من التقانة الحيوية⁽⁹⁾والحوسبة⁽¹⁰⁾ بدأ بجعل دراسات الخلية المفردة أكثر سهولة للقيام بها. وإنني أدرك الآن أن الأدوات كانت في متناول الأيدي لكي نختبر مقاربة مختلفة.

حَلَّقت الأفكار في رأسي. وفي اللحظة نفسها التي وصلت فيها المنزل، بدأتُ برسم معالم خطط لعمل محاكٍ. وفي صباح اليوم التالي، بدأت بكتابة كود codeبرمجية لزوج فقط من العديد والعديد من العمليات البارزة التي تتواصل في كل كائن حي (متعضٍ) ميكروي. وفي خلال أسبوع، أكملت عدة وحدات لنماذج أولية، كل منها عبارة عن تمثيل برمجي software لعملية خلوية مستقلة. وقد أنتجت هذه الوحدات مردودا بدا واقعيا إلى حد ما.

أطلعت مجموعة من البيولوجيين على هذا العمل. واعتقد أغلبهم أنني مجنون. لكنني شعرت بأنني كنت على الطريق للوصول إلى شيء ما، كذلك فقد رأى طالبا دراسات عليا استثنائيان وجَسوران، وهما <R .J. كار> و<C .J. سانجهڤي>، إمكانية كافية في هذه المقاربة إلى حد أنهما وافقا على العمل معي في هذا المشروع.

وإتمام هذا النموذج كان يعني تكوين عشرات من تلك الوحدات، من خلال تمشيط ما يقرب من 1000 مقال علمي للحصول على بيانات بيوكيميائية، ثم استخدام هذه القيم لتوثيق وضبط آلاف المعايير، مثل قوة ارتباط الإنزيمات بجزيئاتها المستهدفة ومدى تكرارية دفع البروتينات القارئة لكود الدنا لبعضها البعض إلى خارج هذا الحلزون المزدوج. فقد ساورني الشك في أنه حتى مع المساعدة الدؤوبة من الباحثين المتعاونين وطلبة الدراسات العليا، فإن المشروع سوف يأخذ سنوات – لكن، كان لديّ أيضا إحساس داخلي بأنه سوف ينجح في النهاية. ولم يكن هناك أي طريقة لكي نعرف ذلك على وجه اليقين، سوى أن نحاول.

تحدٍ كبير^(**)

عندما وضعنا نصب أعيننا صعود هذه القمة، أخذنا استلهاماتنا من الباحثين الذين حلموا أول مرة بنمذجة الحياة. ففي عام 1984 رسم <H. مورووتز>، الذي كان يعمل وقتها في جامعة Yale، المسار العام لذلك. فقد لاحظ في ذلك الوقت أن أبسط بكتيريا كان البيولوجيون قادرين على تنميتها في مستنبت، وهي الميكوپلازمات ⁽¹¹⁾ Mycoplasmas، هي موضع منطقي للبدء. إضافة إلى كونها صغيرة جدا وبسيطة نسبيا، فإن نوعين من الميكوپلازما يسببان المرض للإنسان: وهما الميكروب الطفيلي المنقول جنسيا، ميكوپلازما جينيتاليم Mycoplasma genitalium والذي يزدهر في الممرات المهبلية والبولية، وميكوپلازما نيومونيا Mycoplasma pneumoniae والذي يسبب الالتهاب الرئوي الماشي⁽¹²⁾. إن وضع نموذج لأي من النوعين سيكون مفيدا من الناحية الطبية، ومصدرا أيضا للتبصر في أسس البيولوجيا⁽¹³⁾.

كانت الخطوة الأولى التي اقترحها <مورووتز> هي تحديد تتابعات الدنا في جينوم⁽¹⁴⁾ الميكروب المختار. فقد استطاع <C .J. ڤنتر> وزملاؤه في معهد أبحاث الجينوم (TIGR) ا⁽¹⁵⁾  إتمام هذه المهمة لميكروب ميكوپلازما جينيتاليم وذلك في عام 1995، حيث كان يحتوي على 5255 جيناً فقط. (في المقابل، تحتوي خلايا الإنسان على أكثر من 000 20 جين.)

وعندما كنت طالب دراسات عليا في سان دييگو San Diego، بعدها بأربع سنوات، خلص فريق المعهد TIGR إلى أن نحو 4000 فقط أو نحو ذلك من تلك الجينات ضرورية لاستمرار الحياة (طالما أن الميكروبات تتم تنميتها في مستنبت زراعي غني). وبعد ذلك مضى <ڤنتر> ومعاونوه قدما ليأسسوا الشركة Celera ويتسابق مع الحكومة الفيدرالية في سلسلة الجينوم البشري⁽¹⁶⁾. لقد قاموا ببناء الجينات الأساسية لنوع واحد من الميكوپلازما وأوضحوا أداءها لوظيفتها في الخلية.

أطلعت مجموعة من بيولوجيين آخرين على عينة من التعليمات البرمجية, واعتقد أغلبهم أنني مجنون. لكنني شعرت بأنني كنت على الطريق للوصول إلى شيء ما.

 

وفي أواخر التسعينات، كانت هذه المجموعة بالنسبة إليّ وإلى الآخرين من شباب البيولوجيين مثل فرقة لد زپّلين Led Zeppelin: إنهم أشخاص متمردون، ورائعون يعزفون موسيقى لم نسمعها قط من قبل. فقد قال <C. هيوتشنسون>، وهو أحد البيولوجيين في فرقة <ڤنتر>، إن الاختبار النهائي لفهمنا للخلايا البسيطة سوف يتحقق عندما يستطيع شخص ما نمذجة إحدى الخلايا حاسوبيا. ويمكنك أن تبني خلية وظيفية في المختبر وذلك بضم وتجميع قطعها مع بعضها البعض دون فهم كل تفصيلة عن كيفية توافقها مع بعضها. ولكن الشيء ذاته ليس صحيحا مع البرمجيات.

لقد نادي <مورووتز> أيضا ببناء محاكٍ للخلية اعتمادا على بيانات جينوم من الميكوپلازما. لقد كانت حجته أن “كل تجربة يمكن إجراؤها في المختبر، يمكن القيام بها أيضا باستخدام الحاسوب. وإن مدى توافق نتائج التجريب مع نتائج المحاكاة يقيس درجة بلوغ نموذج⁽¹⁷⁾ البيولوجيا الجزيئية إلى حد  الكمال” – نظرية عملنا عن كيفية تآثر الدنا وجزيئات بيولوجية أخرى في الخلية لإنتاج الحياة كما نعرفها. وبمعنى آخر، إذا وضعنا أجزاء اللعبة معا، فسيصبح أكثر وضوحا أي القطع وأي التآثرات تفتقدها نظريتنا.

على الرغم من أن أجهزة سلسلة⁽¹⁸⁾ ذات الإنتاجية العالية ومعدات المختبرات الإنسالية (الروبوتية)⁽¹⁹⁾  سارعت بشكل كبير في البحث عن القطع المفقودة، فإن الوفرة من تتابعات الدنا وأنماط النشاط الجيني التي أنتجتها لم تأت بتفسيرات للكيفية التي يمكن أن تتوافق بها كافة الأجزاء مع بعضها. فقد أطلق رائد علم الجينات⁽²⁰⁾ <S. برنر> على هذا العمل: بيولوجيا «منخفضة المدخلات، عالية الإنتاجية، من دون مخرجات» وذلك لأنه في كثير من الأحيان تكون التجارب غير منطلقة من فرضية وتنتج بشكل مخيب للآمال تبصرات محدودة عن المنظومات الأكبر التي تجعل الحياة تؤدي وظيفتها – أو تعجز عن أدائها.

ويفسر لنا هذا الموقف جزئيا لماذا، على الرغم من العناوين الرئيسية التي تعلن بانتظام عن اكتشاف جينات جديدة مرتبطة بالسرطان، والسمنة أو داء السكري، فإن علاج هذه الأمراض يظل محبطا بعيد المنال. ويبدو أن الشفاء سوف يأتي فقط عندما نحل لغز عشرات أو حتى مئات العوامل التي تتآثر، بطرق غير حدسية في بعض الأحيان، لكي تسبب هذه الأمراض.

لقد أدرك رواد نمذجة الخلية أن محاكاة الخلايا الكاملة بما تحويه من المكونات الخلوية وشبكاتها التآثرية سوف تكون أدوات فعالة لجعل تلك البيانات الملتبسة والمجزأة ذات معنى. وسوف يعمل محاكي الخلية الكاملة بطبيعته، على استخلاص مجموعة شاملة من الفرضيات حول ما يجري داخل الخلية إلى خوارزميات⁽²¹⁾ رياضياتية دقيقة. إن الرسوم التخطيطية الشبيهة بالكارتون والتي يراها المرء غالبا في المقالات الصحفية ويظهر فيها أن العاملX ينظم الجين Y… بطريقة ما… ليست دقيقة بشكل كاف للبرمجية. حيث يُعبِّر المبرمجون عن هذه العمليات في صورة معادلات – أحد أبسط الأمثلة هي Y=aX + b – حتى ولو كان عليهم أن يضعوا التخمينات البارعة لقيم المتغيرات مثلa و b. وهذه الحاجة إلى الدقة تكشف في نهاية المطاف أي تجربة مختبرية يجب القيام بها لسد الثغرات في معرفة معدلات التفاعل وغيرها من مقادير.

 

عندما تصفحت الأشكال البيانية والمصورات، بدأت نبضات قلبي بالتسارع. فقد كان النموذج جاهزا ويعمل. ماذا سيعلمنا؟

 

وفي الوقت نفسه، كان واضحا، أنه بمجرد التحقق من دقة النماذج، فإنها سوف تحل محل بعض التجارب، لتوفر تكلفة العمل «الرطب⁽²²⁾» لبحث أسئلة لا يمكن الإجابة عنها من خلال المحاكاة وحدها. كما أن التجارب التي تمت محاكاتها وأنتجت نتائج مذهلة سوف تساعد الباحثين على تحديد الأولويات البحثية وزيادة وتيرة الاكتشافات العلمية. وفي الواقع، فقد قدمت النماذج مثل هذه الأدوات المغرية لفك تشابكات السبب والنتيجة لدرجة أن <M. توميتا> [من جامعة Keio في اليابان] وصف في عام 20011 محاكاة خلية كاملة بأنها «التحدي الكبير للقرن الواحد والعشرين.»

عندما كنت وقتها طالب دراسات عليا، كنت معجبا بالنتائج الأولية لرواد نمذجة الخلية في ذلك الوقت [انظر للإطار التالي “برنامج زمني تطوري”]، ثم أصبحت مهووسا بهذا التحدي الكبير. حتى عندما كنت أشيد مختبري وكان تركيزي منصبا على تطوير تقنيات تصوير الخلايا المفردة، ظل التحدي يشغل فكري. وبعد ذلك وعند عودتي بالدراجة إلى المنزل في الشهر 2 ذلك، وجدت وسيلة لمواجهة ذلك التحدي.

رؤيتان حاسمتان^(***)

لقد كان واضحا قبل أن نتمكن من محاكاة دورة حياة نوع ميكروبي بدقة كافية تسمح بتقليد سلوكياته المعقدة والقيام باكتشافات جديدة في البيولوجيا، أن علينا حل ثلاث مشكلات. أولا، هي حاجتنا إلى تكويد جميع الوظائف الأساسية – من تدفق الطاقة، والمغذيات ونواتج التفاعلات خلال الخلية (أي أيضها⁽²³⁾)، إلى بناء⁽²⁴⁾ وتحلل الدنا والرنا والبروتين، وإلى نشاط عدد لايحصى من الإنزيمات – إلى صيغ رياضياتية وخوارزميات برمجية أخرى. ثانيا، كان علينا أن نتوصل إلى إطار شامل لدمج جميع هذه الوظائف. أما المشكلة الأخيرة، فإنها كانت الأصعب في نواح عدة: تقدير الحدود العليا والدنيا لكل واحد من 1700 مَعْلم شاذ⁽²⁵⁾  في النموذج بحيث تستخدم قيما دقيقة من الناحية البيولوجية – أو على الأقل في الميدان الصحيح.

لقد فهمت أنه ليس مهما مدى الإنهاك في تفحصنا للأبحاث المنشورة عن ميكوپلازما جينيتاليم وعلاقاتها الوثيقة بتلك المعايير (وفي نهاية المطاف قضيت أنا و<كار> و <سانجهڤي> عامين نغربل بيانات نحو 900 ورقة بحثية)، لقد كان علينا في بعض الحالات استعمال بديل مؤقت بصنع تخمينات بارعة أو باستخدام نتائج من تجارب على أنواع مختلفة جدا من البكتيريا، مثل الإشريكية القولونية Escherichia coli، للحصول على أرقام معينة، مثل متوسط المدة التي تستغرقها نسخ الرنا RNA transcripts في التجوال في الخلية قبل أن تجزئها الإنزيمات لإعادة تدوير القطع المكونة لها. ولم يكن لدينا أي أمل في النجاح من دون وسيلة تحصر تلك التخمينات وتتحقق منها.

وفي عام 2008، أدركت في لحظة قلت فيها: «آهٍ»، أن نمذجة خلية واحدة⁽²⁶⁾– بدلا من مجموعة من الخلايا كما كان يحدث في معظم الدراسات السابقة – يمكن أن يعطينا ذلك القيد⁽²⁷⁾ الذي احتجنا إليه. لنأخذ في الاعتبار النمو والتكاثر. وعندما تنمو جمهرة من الخلايا بشكل متزايد، فإن ميلاد أو موت خلية واحدة لا يغير الأمور كثيرا. لكن بالنسبة إلى خلية واحدة، فإن الانقسام هو حدث مثير للغاية. وقبل أن ينقسم الكائن الحي (المتعضي) organism إلى خليتين، فإن عليه أن يضاعف مكوناته الخلوية – وليس فقط كتلته الشاملة. ولابد أن تتضاعف جميع كميات الدنا، وغشاء الخلية وكل نوع من البروتين تحتاجه الخلية للبقيا على قيد الحياة. ولو أن مجال النموذج مقيد بخلية واحدة، فإن الحاسوب يمكنه في الواقع أن يحصي ويتعقب كل جزيء خلال دورة الحياة الكاملة. ويمكنه أن يتحقق ما إذا كانت جميع الكميات تتوازن عندما تصبح الخلية اثنتين.

[برنامج زمني تطوري] معالم الطريق في نمذجة الخلايا(****)   استدل المؤلف في مساره الطويل إلى أول نموذج فعال لخلية مفردة من البكتيرة البسيطة ميكوپلازما جينيتاليم Mycoplasmagenitalium بالجهود النظرية والجينية  والنمذجة للباحثين الآخرين. وبالتأكيد يظل تصميم نموذج حاسوبي لخلية بشرية أكثر صعوبة، آخذين في الاعتبار التعقيد البالغ للخلايا الثديية. وتحتوي خلايا الإنسان، على سبيل المثال، على جينات أكثر بما يقرب من أربعين ضعفا، وتلك الجينات معبأة في مجموعات من الصبغيات (الكروموسومات)chromosomes أكثر تعقيدا إلى حد بعيد في بنيتها الفيزيائية وفي أنماط ما تحتويه من معلومات. وبعض المراحل الوسيطة الحاسمة التي تحتاج إلى إنجاز مُبيّنة في الأسفل. تمثل البكتيرة الوحيدة الخلية ميكوپلازما جينيتاليم (الأجسام البنفسجية) الحياة عندما تصبح بسيطة. لكن نمذجة دورة حياتها لم تكن مهمة سهلة. 1967 صاغ واقترح كل من <F. كريك> و <S. برنر> «المشروع K: الحل الكامل للإشريكية القولونية E. coli،» وهو مجهود لمعرفة «تصميم» هذه البكتيرة المعوية الشائعة، متضمنة التفاصيل الدقيقة المتعلقة بجينياتهاgenetics، وسيرورة الطاقة والتكاثر. 1984 أوجز <H. مورووتز> الذي كان يعمل وقتها في جامعة يال Yale خطة لتحديد تتابعات (سلسلة) الجينات، ثم نمذج بكتيرة ميكوپلازما. 1984 عرض فريق يقوده <M. شولر> [من جامعة كورنل Cornell] نموذجا حاسوبيا يستخدم المعادلات التفاضلية لالتقاط معظم العمليات البيولوجية الرئيسية المشاركة في نمو خلية واحدة من الإشريكية القولونية. ولم يكن هذا النموذج قادرا على أن يتضمن النشاط على المستوى الجيني، لأن جينوم الإشريكية القولونية لم تكن قد تمت سلسلته بعد. 1989 – 1990 أطلق <B. بالسون> [من جامعة مِتشيگان] نموذجا شاملا لأيض خلية الدم الحمراء في الإنسان متضمنا تأثيرات التغير في درجة الأس الهدروجيني pH ومستوى الجلوكوز المنخفض في الدم. 1995 أكمل <C .J. ڤنتر> [من المعهد TIGR] وزملاؤه سلسلة جينوم ميكوپلازما جينيتاليم M.genitalium. 1999 شيّد <M. توميتا> وزملاؤه في الفريق البحثي بجامعة كيو Keio في اليابان خلية إلكترونية E-Cell، وهي نظام لنمذجة خلية اعتمادا على معادلات تفاضلية تتضمن 127 جينا، معظمها من ميكوپلازما جينيتاليم. 2002 أطلق تحالف التأشير الخلوي(28)، والذي يمثل تعاونا كبيرا من نحو خمسين باحثا، مشروعا طموحا لمدة عشرة أعوام بقيمة عشرة ملايين دولار لنمذجة خلايا الجهاز المناعي من النوع B وخلايا عضلة القلب في الفئران.  وينتج المشروع بضع مجموعات من البيانات المثيرة، ولكنه يواجه صعوبات في التعامل مع الخلايا B في المستنبت. 2002 أكمل <بالسون> و <G. تشرش> [من جامعة هارڤارد] و <كوڤرت> مع العديد من الآخرين نموذجَ نطاقٍ جينومي لأيض بكتيرة الملوية البوابية Helicobacter pylori، والتي تصيب البشر ويمكنها أن تسبب قرح وسرطان المعدة. 2004 نشر <بالسون> و <كوڤرت>، مع ثلاثة آخرين، نموذجا حاسوبيا لجميع الجينات ال 1010 المشاركة في تنظيم أيض ونسخ الدنا في الإشريكية القولونية، ويظهران أن النموذج يتنبأ بدقة نتائج التجارب المختبرية على بكتيريا حقيقية. 2012 نشر <كوڤرت> ومساعدوه نموذجا لخلية كاملة من ميكوپلازما جينيتاليم والذي يحاكي، للمرة الأولى، جميع الجينات والعمليات البيوكيميائية المعروفة في كائن (متعضٍ) ذاتي التكاثر. 2013 أظهر <كوڤرت> وزملاؤه أن النموذج يتنبأ بدقة نشاط عدة إنزيمات. ـــــــــــــــــــــــــــــ   ماذا بعد إتمام نموذج خلية كاملة لبكتيرة تمت دراستها بشكل أفضل إلى حد نموذجي مثل الإشريكية القولونية. نمذجة كائن حقيقي النواة eukaryoteوحيد الخلية مثل خميرة الخبازSaccharomyces cerevisiae. وفي الكائن الحقيقي النواة تتم تعبئة الدنا داخل نواة محاطة بغشاء، ولا يكون طليقا في السيتوبلازم كما في البكتيرة. بناء نموذج لخلية حيوانية يمكن تنميتها بسهولة في مستنبت، مثل الخلية البلعمية macrophage (نوع من الخلايا المناعية) للفأر. تشييد أول مسودة لنموذج لخلية بشرية – مرة أخرى، ربما تكون الخلية البلعمية. نمذجة أنواع أخرى من خلايا الإنسان، خاصة تلك التي تؤدي أكثر الأدوار أهمية في الأمراض الشائعة.

 

[داخل خلية افتراضية] المحاكي أثناء العمل(*****)   في الغالب يمثل نموذج المؤلف الحاسوبي للبكتيرة المعدية ميكوپلازما جينيتاليم  M. genitalium كل جانب في حياة ونمو وتكاثر هذا الميكروب. ولا تستطيع مقاربة رياضياتية مفردة أن تحاكي كل وظيفة بيولوجية في الخلية، ولذلك فإن هذه الوظائف يتم تقسيمها فيما بين ثمانية وعشرين نموذجا مميزا (تم وصفها في الخلية بالشكل)، حيث تشترك في تجهيز الدنا DNA (باللون البنفسجي)، والرناRNA (باللون الأزرق الفاتح)، والبروتينات (باللون الأزرق الداكن)، والطاقة، والمغذيات والنفايات (باللون القرمزي). فقد اختار الباحثون، لكل نموذج، الطريقة الرياضياتية التي أعطت أفضل النتائج – العديد من الأمثلة موضحة بالشكل. يبدأ البرنامج بجميع الوحدات modules وهي تعمل في تتابع عشوائي لكي تحاكي ثانية واحدة من الوقت الحقيقي. ويتم سحب العديد من القيم المدخلة من جدول ضخم من المتغيرات تمثل حالاتها الأولية، ويتم اختيار بعض القيم من نطاقات أو دوال الاحتمال(29). ويستطيع الباحثون محاكاة سيناريوهات مختلفة بتعديل شكل البداية. بعد خطوة الزمن الأول، يعمل البرنامج على تحديث جدول الحالة ليعكس مخرجات جميع الوحدات. ومن ثم يعمل التتابع مرة أخرى على إنجار خطوة ثانية واحدة أخرى، ثم يحدث جدول حالة الخلية، وهلم جرا. وتستمر هذه الحلقة من الأحداث حتى تنقسم الخلية بنجاح، أو تموت، أو تصبح معمرة بشكل غير واقعي.  (1) تتم نمذجة تحلل وإعادة تدوير الرنا والبروتين باستخدام عمليات پواسون(30) والتي تستفيد من مولد الرقم العشوائي(31) ودوال الاحتمال لتقرر أي قطعة من الرنا أو البروتين تتحلل أو تبقى قيد الحياة حتى الخطوة الزمنية التالية.  (2) تتم نمذجة أيض الطاقة، والمغذيات والنفايات باستخدام تحليل توازن التدفق، والذي تتم فيه الاستفادة من تقنيات البرمجة الخطية لحساب معدلات التفاعل التي تنتج أمثل نمو، وإنتاج للطاقة أو بعض الخصائص الأخرى التي يختارها القائم بالنمذجة. ويفترض هذا الأسلوب أن التفاعلات تحدث بسرعة كافية لتحقيق حالة مستقرة خلال الخطوة الزمنية ثانية واحدة من المحاكاة. ولمنع الوحدات الأولى في السلسلة من استخدام المواد التي تحتاجها وحدات أخرى، يقدر المحاكي لكل وحدة حصة عادلة من تلك الموارد ويخصصها لهم وفقا لذلك.  (3) تتم محاكاة تكوين حلقة الانقسام بنموذج هجين مكون من جزأين. وتنمو الحلقة، المكونة من بوليمرات(32) البروتين زد(FtsZ)ا(33)، لتكون جدارا يقسم غشاء الخلية إلى اثنين أثناء التضاعف. وفي الجزء الأول من النموذج تقدر مجموعة من المعادلات التفاضلية نمو حلقة البروتين زد FtsZ بالبلمرة. وفي الجزء الثاني، يتم استخدام نموذج هندسي لانثناء الألياف يحاكي الحلقة، وهي تضيق بالتدريج الخلية البيضاوية بالقرب من منتصفها حتى ينقسم الكائن (المتعضي) إلى خليتين بنتينtwo daughter cells.  (4) نسخ وترجمة الجين – تتم نمذجة الخطوات التي تصنع العديد من البروتينات اللازمة لنمو وتضاعف الخلية بواسطة خوارزميات متعددة الأجزاء تشمل نماذج ماركوڤ(34)  (التي تتبع عبر الوقت حالات الإنزيمات التي تنسخ الجينات من الدنا إلى الرنا)، والارتباط المحتمل لهذه الإنزيمات بالدنا، والبرمجة الخطية لتوزيع الطاقة والموارد الأخرى.  (5) تمت أيضا نمذجة تلف الدنا وإصلاحه بواسطة هذه الطريقة غير القطعية.

 

وإضافة إلى ذلك، تتكاثر الخلية الواحدة في الأساس بوتيرة منتظمة. فعلى سبيل المثال، تنقسم ميكوپلازما جينيتاليم نمطيا كل تسع إلى عشر ساعات في بيئة المعمل العادية. ونادرا ما تأخذ أقل من ست ساعات أو أكثر من خمس عشرة ساعة. إن الاحتياج إلى قيام الخلية بمضاعفة كافة محتوياتها خلال هذا الجدول الزمني المحكم من شأنه أن يسمح لنا باختيار نطاقات منطقية لكثير من المتغيرات التي لولاها كانت ستصبح غير محددة، مثل تلك التي تتحكم في توقيت بدء تضاعف الدنا.

لقد شَكّلتُ فريقا من الفيزيائيين والبيولوجيين وعلماء النمذجة وحتى مهندس برمجيات سابق بگوگل Google، وناقشنا أي مقاربة رياضياتية يجب استخدامها. فقد قام <M. شولر> [مهندس الطب الحيوي⁽³⁵⁾ في جامعة كورنل والذي كان رائدا في محاكاة الخلية] ببناء نماذج باهرة من المعادلات التفاضلية العادية. بينما طور <B. بالسون> – الذي درستُ تحت إشرافه في سان دييگو – تقنية أطلق عليها تحليل توازن التدفق⁽³⁶⁾، والتي عملت بشكل جيد على نمذجة الأيض. لكن الآخرين أظهروا أن المصادفة العشوائية⁽³⁷⁾ عنصر مهم في النسخ الجيني، وأن انقسام الخلية يتضمن بشكل جلي تغيرا في هندسة غشاء الخلية; تلك جوانب لا تستطيع الطرق الأخرى دراستها. حتى عندما كنت طالبا في الدراسات العليا، فقد كنت مدركا أنه لا توجد تقنية واحدة يمكنها نمذجة كافة الوظائف في خلية. وأطروحتي للدكتوراه قد أوضحت وسيلة لربط نهجين رياضياتيين مميزين في محاك منفرد.

لذلك قررنا إنشاء نموذج الخلية الكاملة كمجموعة من 28 وحدة⁽³⁸⁾ متميزة، كل منها يستخدم الخوارزمية الأفضل التي تناسب السيرورة البيولوجية ودرجة المعرفة التي لدينا حول هذا الموضوع [انظر للإطار السابق “داخل خلية افتراضية”]. لكن هذه الاستراتيجية أدت إلى مجموعة مرقعة⁽³⁹⁾  من الطرق  الرياضياتية. لقد كنا في حاجة إلى حياكتها معا بطريقة أو بأخرى في كل واحد متماسك.

فقد عدت بتفكيري إلى مقرر درسته عن تصميم مصنع للمواد الكيميائية في مرحلة البكالوريوس. وعند قيامنا بمشروع التخرج النهائي، استخدمنا حزمة محاكاة فعالة من البرمجيات تدعى HYSYS لعمل مخطط لمصفاة⁽⁴⁰⁾ كبيرة. لقد مكنتنا البرمجيات HYSYS من تصميم كل تفاعل رئيسي لكي يحدث في وعاء  منفصل. ومن ثم تربط أنابيب التوصيل ناتج إخراج أحد الأوعية بمدخلات أوعية أخرى. وقد ربط هذا الإطار العديد من أنواع مختلفة من العمليات الكيميائية بنظام يمكن التنبؤ به بشكل مرتب.

لقد خطر لي أن هذه المقاربة⁽⁴¹⁾ مع بعض التعديل، ربما تعمل لمحاكي الخلية الخاص بنا وذلك لو كنت عازما على وضع فرضية مهمة ومبسطة للأمور: فحتى إذا حدثت هذه العمليات البيولوجية كلها في وقت واحد في خلية حية، فإن أفعالها مستقلة على نحو فعال خلال أقل من ثانية. وإذا كان ذلك الافتراض سليما، فإنه يمكننا تقسيم حياة الخلية إلى دقات الثانية الواحدة للساعة، وتشغيل كل وحدة من الثماني والعشرين وحدة على الترتيب، لثانية واحدة قبل مواكبة مجموعة متغيرات الخلية. وسوف يلتقط النموذج كافة الترابطات بالكيمياء الحيوية – وعلى سبيل المثال، اعتماد النسخ الجيني وبناء الدنا على الطاقة والنوكليوتيدات (النوويدات)⁽⁴²⁾ المنتجة بواسطة الأيض – ولكن فقط في مدى زمني أكبر من ثانية واحدة.

لم يكن لدينا أي دليل نظري على أن ذلك سوف ينجح. لقد كانت «قفزة الإيمان⁽⁴³⁾.»

فأثناء تشييدنا خليتنا الافتراضية، وضعنا مستشعرات برمجية لقياس ما يجري في الداخل. وكل تشغيلة للمحاكي، والتي تغطي دورة الحياة الكاملة لخلية مفردة، عالجت 500 ميگابايت megabytes من البيانات. فقد تدفقت المخرجات الرقمية إلى نوع من أجهزة القياس – مجموعة من عشرات الأشكال البيانية والمرئيات، التي ملأت مجلدا بكامله عند طباعتها.

كانت النتائج محبطة في البداية. فعلى مدار شهور، قمنا فيها بتصحيح الكود وتحسين الرياضيات، وإضافة محددات أكثر وأفضل مشتقة من الدراسات المختبرية إلى المعايير، إلا أن الخلية رفضت أن تنقسم أو أظهرت سلوكا متقطعا. أنتجت لفترة من الوقت كميات هائلة من الحمض الأميني ألانينalanine وكميات قليلة جدا من مركبات أخرى.

بعد ذلك حدث في يوم ما أن وصلت جرثومتنا السبرانية⁽⁴⁴⁾ إلى نهاية دورتها الخلوية وانقسمت بنجاح. والأمر الأكثر إثارة هو أن وقت التضاعف كان تقريبا تسع ساعات، تماما مثل بكتيرة ميكوپلازما جينيتاليم الحية. ولاتزال قراءات أخرى عديدة بعيدا، إلا أننا شعرنا بأن النجاح في متناول اليد.

بعد أشهر، كنت في مؤتمر لمدة يومين في بيثيسدا Bethesda بولاية ماريلاند، وعندما استدعائي بين الجلسات قسم الاستقبال بالفندق.

«دكتور <كوڤرت>؟ وصلت هذه العبوة إليك.»

وعند عودتي إلى حجرتي، قمت بفتح الصندوق وسحبت منه مجلدا. مع قضائي للساعات التالية متصفحا مئات الصفحات المحتوية على أشكال بيانية وتصورات معقدة، بدأت نبضات قلبي بالتسارع. لقد بدت الغالبية العظمى من البيانات مثل ما يمكن للمرء أن يتوقعه من خلية نامية فعليا. والباقي من هذه البيانات كان مثيرا – غير متوقع ولكنه مقبول بيولوجيا. ذلك عندما علمت أننا وصلنا إلى قمة ذلك الجبل الذي لاح في الأفق كبيرا جدا منذ سنوات. أول نموذج حاسوبي لكائن حيّ (متعضٍ) كامل أصبح جاهزا ويعمل. ماذا سيعلمنا؟

نافذة على حياة خلية^(******)

بعد نحو عام من استخدام أداتنا الجديدة، مازلنا نرى أشياء رائعة في كل مرة نمعن فيها النظر في عمل الكائن (المتعضي) الميكروي الافتراضي عند منابلته لملايين التفاصيل الضالعة بالمعيشة والتكاثر. لقد وجدنا، ولدهشتنا، أن البروتينات تصطدم ببعضها البعض معطلة الدنا بطريقة مروعة غالبا – نحو 000 30 مرة خلال كل دورة خلية تستغرق تسع ساعات. واكتشفنا أيضا أن فترة مضاعفة الميكروب المستقرة على نحو لافت للنظر هي في الواقع خاصية ناشئة كنتيجة منطقية من التآثر المعقد بين طورين مميزين من التنسخ⁽⁴⁵⁾، ويختلف كل منهما في مدته بشكل مستقل وبشدة عن الآخر. كما أن سجلات سلوك الخلية ثانية بثانية مكنتنا من تفسير لماذا تتوقف الخلية فورا عن الانقسام عندما يتم تعطيل جينات معينة عن العمل ولكنها تتكاثر عشر مرات أخرى قبل أن تموت عندما تعطل جينات أخرى أساسية. تلك الدورات الإضافية من الانقسام يمكنها أن تحدث كلما تخزن الخلية احتياطيا نسخاً من البروتين المصنوع بواسطة الجين تفوق ما تحتاجه في دورة حياة واحدة – حيث يتم انتقال الزائد منها إلى نسله، والذى يفنى فقط عندما ينفد المخزون أخيرا. وهذه النتائج الأولية كانت مثيرة، ولكننا قد نحتاج إلى سنوات لفهم كل شيء تخبرنا به هذه المحاكيات عن الكيفية التي تقوم بها هذه الميكروبات، والخلايا بصفة عامة، بوظيفتها.

ودراستنا عن ميكوپلازما جينيتاليم ليست سوى الأولى من العديد من الخطوات في الطريق لنمذجة خلايا أو نسج بشرية على مستوى الجينات والجزيئات. فالنموذج الذي لدينا اليوم هو أبعد ما يكون عن الكمال، والميكوپلازمات هي بسيطة مثل ما تناله أشكال الحياة المحافظة ذاتيا. لقد جعلنا جميع محاكياتنا، مصدر الكود⁽⁴⁶⁾، و قاعدة المعارف، وكود المرئيات ونتائج التجارب متاحة مجانا على الإنترنت، كما أننا وغيرنا من الباحثين نعمل بالفعل على تحسين المحاكي وتوسيع نطاقه ليشمل مجموعة متنوعة من المتعضيات مثل الإشريكية القولونية وخميرة السكيراء Saccharomycescerevisiae، وكلتاهما منتشرة بكثرة في المختبرات الأكاديمية والصناعية.

إن تنظيم الجينات في هذه الأنواع أكثر تعقيدا بكثير، كما أن للموقع الذي تحدث فيه الأحداث بالخلية أهمية أكبر إلى حد بعيد. إنني أتوقع عند تناول تلك القضايا أن الهدف التالي سوف يكون خلية الفأر أو الإنسان: غالبا ما ستكون خلية مثل الخلية البلعمية⁽⁴⁷⁾ (خلية مهاجمة في الجهاز المناعي)، والتي يمكن تنميتها في مستنبتات واستخدامها كمصدر للقياسات لكل من التناغم والتحقق من صحة النموذج.

لا أستطيع أن أخمن إلى أي مدى نبتعد في وقتنا الحاضر عن مثل هذه التقانة. ومقارنة بالبكتيريا، فإن الخلايا البشرية لديها تراكيب أكثر استقلالا وتظهر تحكما في جيناتها بشكل أكبر، والكثير من ذلك يظل غامضا. إضافة إلى ذلك، فإن الخلايا البشرية كونها فريقا داخل الأنسجة المتعددة الخلايا، فإنها تتآثر بشكل أكثر ألفة مع أنواع أخرى من الخلايا مقارنة بالبكتيريا.

وفي تاريخ 13/2/2008، كان يمكنني القول إننا كنا بعيدين بنحو عقد من الزمن عن تحقيق هدف نمذجة أبسط خلية، ولم أكن فكرت حتى في محاولة نمذجة أي شيء أكثر تعقيدا. والآن، يمكننا على الأقل أن نتصور محاولة محاكاة خلية بشرية – حتى ولو كان ذلك لكي نرى فقط كيف تفشل البرمجية؛ مما سوف يوضح الكثير من الأشياء التي مازلنا في حاجة إلى تعلمها عن الخلايا خاصتنا. حتى ذلك سوف يكون خطوة كبيرة ظريفة.

المؤلف

	Markus W. Covert
<كوڤرت> أستاذ مساعد في الهندسة البيولوجية (48) بجامعة ستانفورد، حيث يدير مختبرا لدراسة بيولوجيا الأنظمة systems biologyy.

  مراجع للاستزادة

 

The Dawn of Virtual Cell Biology. Peter L. Freddolino and Saeed Tavazoie in Cell, Vol. 150,
No. 2, pages 248–250; July 20, 2012.
A Whole-Cell Computational Model Predicts Phenotype from Genotype. Jonathan R. Karr
et al. in Cell, Vol. 150, No. 2, pages 389–401; July 20, 2012.
Bridging the Layers: Toward Integration of Signal Transduction, Regulation and Metabolism into Mathematical Models. Emanuel Gonçalves et al. in Molecular Biosystems,
Vol. 9, No. 7, pages 1576–1583; July 2013.

(*)SIMULATING A LIVING CELL

(**)A GRAND CHALLENGE

(***)TWO CRUCIAL INSIGHTS

(****)Milestones in Modeling Cells

(*****)The Simulator at Work

(******)A WINDOW INTO THE LIFE OF A CELL

(1) computer model

(2) single-celled organism

(3) software

(4) إعطاء وميض فلوروسنتي.

(5) أو: كائنات حية وحيدة الخلية.
(6) Mycoplasma genitalium

(7) bit = بتة في علم الحاسوب، وفي البيولوجيا جذاذة.

(8) أو: مستعمرة

(9) biotechnology

(10) computing

(11) أو: المفطورات

(12) walking pneumonia: يُسمَّى الالتهاب الرئوي الماشي نظرا لأن المريض يستطيع المشي دون أن تظهر لديه صعوبات في التنفس.

(13) أو: البيولوجيا الأساسية

(14) genome

(15) The Institute for Genome Research (التحرير)

(16) تحديد تتابعات الجينوم البشري.

(17) paradigm

(18) sequencers؛ أو: تحديد تتابعات

(19) robotic = إنسالية نسبة إلى إنساليّ؛ وهذه نحت من إنسان آلة.

(20) geneticist

(21) algorithms: هي مجموعة من الخطوات الرياضياتية المتسلسلة والمنطقية التي يتم وضعها لحل مشكلة معينة.

(22) تشير كلمة «رطب» إلى إجراء التجارب في المختبر باستخدام المحاليل والخلايا، وذلك بالمقابلة مع إجراء المحاكاة باستخدام الحاسوب حيث يكون العمل «جافاً».

(23) metabolism

(24) أو: تخليق

(25) odd parameters

(26) أو: مفردة

(27) أو: الاضطرار

(28) The Alliance for Cellular Signaling

(29) probability functions

(30) Poisson processes

(31) random-number generator

(32) أو: مكوثرات

(33) Filamenting temperature-sensetive mutant z؛ بروتين زد: بروتين مكود بواسطة الجين FtsZ الذي يتجمع في صورة حلقية في موقع حاجز انقسام الخلية البكتيرية، ويقوم هذا البروتين بالدور ذاته الذي يقوم به بروتين توبولين tubulin أثناء الانقسام الخلوي في حقيقيات النوى.

(34) Markov models

(35) biomedical engineer

(36) flux-balance analysis

(37) random chance

(38) أو: موديول

(39) أو: خليط

(40) refinery: برنامج يستخدم لمحاكاة عملية صناعية لإنتاج منتج ما، وهي تقانة برمجية لمحاكاة المصانع الكيميائية.

(41) أو: نهج

(42) nucleotides

(43) a leap of faith

(44) cybernetic: المقصود هو أن هذا الميكروب تم وضعه تحت التحكم.

(45) أو: التضاعف

(46) source code

(47) macrophage

(48) bioengineering