تويت
علم أنظمة الأحياء كما عرفته جمعيات الصحة العالمية، المعروفة باختصار NIH، هو نهٌج في بحوث الطب الحيوي لفهم الصورة الأكبر -على مستوى الكائن الحي أو النسيج أو الخليّة- عبر جمع أجزائها معًا. يعاكس ذلك تمامًا سنوات من البيولوجيا الاختزالية؛ التي تتضمن فصل القطع عن بعضها البعض. يذكر جيرمان: «يظن بعض الناس أنها كـ (المعلوماتية الحيوية- Bioinformatics) أي أخذ كميات كبيرة من المعلومات ومعالجتها. مدارس الفِكر الأخرى تراها كبيولوجيا تجميعية أو حسابية؛ تحسب وتحلل كيفية عمل الأنظمة».
تمثل النماذج التجميعية والمحاكيات أجزاءً تكاملية من علم أنظمة الأحياء ، هذه النماذج لها أهمية في علم المناعة لفهم الشبكات البيوكيميائية المعقدة التي تنظم التفاعلات ضمن خلايا جهاز المناعة، وبين هذه الخلايا والأجسام المُعدية.
أيان فريزر-Ian Frasez، عالم في الكيمياء الحيوية مهتم بآلية الإشارات الخلوية وصل إلى NIH في عام 2008، وكونه العضو القائد في الإنتاجية العالية في المختبر، فهو يمتلك عدة أدوات فعالة لإنتاج مجموعات بيانات مهمة. هذه المجموعات من البيانات تغذي بشكل رئيسي برنامج ميير-شيلرسايم Meier-Schellersheim لإنتاج نماذج عددية.
تتضمن أدوات فريزر شاشات RNAi في الصميم في نطاق الجينوم؛ لتشخيص علاقات في شبكة التواصل في الخلايا المكونة للدم. هذه الشاشات تبدأ في التعرف على مكونات أساسية في الشبكات فطرية المناعة القابلة لاستشعار العوامل الممرضة. يتعامل فريزر بشكل قريب مع مجموعة مراقبة RNAi في نطاق الـNIH في مركز NIH لعلم الجينوم الكيميائي وأيضًا مع الجمعية العالمية للـRNAi .
يقول فريزر أن شبكات إشارات الجهاز المناعي يمكن أن تُحل عبر استخدام نُهج منظمة لتفسير أو التعامل مع المعلومات المعقدة. يقدم فريزر مثال المستقبلات TLRs التي تنشط ردًا خلويًا معقدًا يفعل طرق إشارات داخل خلوية.
التفعيل الزائد قد يؤدي إلى اضطرابات التهابية في حين أن التفعيل غير الكافي قد يجعل المضيف عرضة للإصابة بالعدوى. أساليب الفحص غير المتحيز قد يساعد على تحديد المكونات التي تسمح لجهاز المناعة بالحفاظ على توازن استتبابي في وجه التحديات الميكروبية.
أحد النجاحات التي حققها فرايزر في البدء باستخدام علم أنظمة الأحياء هي مراقبة إمكانية إنزيم الكيناز في بروتين أحادي على تواسط التأثيرات المضادة للالتهاب للأدينوزين أحادي الفوسفات في الإشارات المرسلة بينه وبين TLR4.
يلخص فريزر الوقت الذي قضاه في NIH على أنه: «مراقبة البنية التحتية في تشريح رد فعل البلاعم إلى نطاق أوسع من المحفزات المسببة للأمراض».
اليكساندرا نيتا-لازار Aleksandra Nita-Lazar تُطور أساليب جديدة للحفاظ على معلومات نوعية تطور فهمنا للبيولوجيا الخلوية وتبوّب معلومات أساسية للبناء النموذجي. مجالها هو النظام الواسع للبروتيوم (البروتيوم هو مكمل البروتين الذي يمكن يتم التعبير عنه بالخلية أو النسيج أو مجموعة أعضاء) الذي يندرج تحت التحليل النووي جزئيًا إجابة للحاجة لأدوات لهذا التحليل.
تقول نيتا-لازار: «ينتج الاختلاف عن توفيق طبيعة الحمض النووي. يُميز الحمض النووي بسهولة ويُكرر ويتميز بثباته نسبيًا، فالبناء المُركب للبروتين لا يمكن توسيعه. ورغم ذلك فالدراسات أساس تطوير نماذج مفيدة لأسباب كثيرة». دراسات كهذه قد تكشف المكونات الجزيئية للخلية موفرةً بذلك معلوماتٍ عن الحالة البيوكيميائية للبروتينات، محددةً النسب المحفزة ونسب الارتباط والتفكك للثنائيات الجزيئية.
تستخدم نيتا-لازار مطياف الكتلة للبحث في فسفرة البروتين وهي عملية الربط بمجموعة عناصر فوسفاتية التي تعتبر واحدة من أشهر الأساليب في تنظيم عمل البروتين. تستطيع نيتا لازار استخدام البروتوكولات نفسها التي ساهم فريزر في تطويرها، والنوع نفسه من الخلايا لتحديد أي من البروتينات يتم فسفرتها، وكيف يتم احتواء هذه المعلومات فيما يُعرف بالاستجابة النسخية.
لقد كانت مجموعة نيتا-لازار ومجموعة فريزر تجمعان باستمرار من هذه الشاشات المكونات الأساسية اللازمة للإشارة لتنتقل عبر الطريق، وأيضًا لحث الأحماض النووية الريبية الناقلة للسيتوكينات الالتهابية التي تنشط. تقول نيتا-لازار: «نهج من هذا النوع كان يتم تجاهله وكأنه بعثة صيد سمك». ليس الهدف هو صيد سمكة تونا كبيرة على الرغم من أن ذلك كان ليكون جيدًا، وإنما الهدف هو رؤية أصناف السمك الكاملة أي كل النظام البيئي.
لكن معظم الباحثين في NIH يعلمون أن نهج الاختزال في علم أنظمة الأحياء بشكل بحت لا يكفي لحل المشاكل في البيولوجيا المعقدة وأن الجهود المتكاملة مطلوبة. ديفيد ليفينز David Levens ودان كاميريني Dan Camerini وآلان مايكلسون Alan Michelson بالإضافة لجيرمان يواصلون قيادة الجهود لهذه المبادرة عبرNIH.
مختبر NIAID لعلم أنظمة الأحياء يُعرف بأنه: «نموذج مصغر لما يمكن أن يكون عليه مشروع أكبر». ويذكر جيرمان: «المختبر الجديد جيد لـNIH؛ نتلقى طلبات من خريجي جامعات يريدون المجيء للمختبر للمشاركة».
تمثل النماذج التجميعية والمحاكيات أجزاءً تكاملية من علم أنظمة الأحياء ، هذه النماذج لها أهمية في علم المناعة لفهم الشبكات البيوكيميائية المعقدة التي تنظم التفاعلات ضمن خلايا جهاز المناعة، وبين هذه الخلايا والأجسام المُعدية.
أيان فريزر-Ian Frasez، عالم في الكيمياء الحيوية مهتم بآلية الإشارات الخلوية وصل إلى NIH في عام 2008، وكونه العضو القائد في الإنتاجية العالية في المختبر، فهو يمتلك عدة أدوات فعالة لإنتاج مجموعات بيانات مهمة. هذه المجموعات من البيانات تغذي بشكل رئيسي برنامج ميير-شيلرسايم Meier-Schellersheim لإنتاج نماذج عددية.
تتضمن أدوات فريزر شاشات RNAi في الصميم في نطاق الجينوم؛ لتشخيص علاقات في شبكة التواصل في الخلايا المكونة للدم. هذه الشاشات تبدأ في التعرف على مكونات أساسية في الشبكات فطرية المناعة القابلة لاستشعار العوامل الممرضة. يتعامل فريزر بشكل قريب مع مجموعة مراقبة RNAi في نطاق الـNIH في مركز NIH لعلم الجينوم الكيميائي وأيضًا مع الجمعية العالمية للـRNAi .
يقول فريزر أن شبكات إشارات الجهاز المناعي يمكن أن تُحل عبر استخدام نُهج منظمة لتفسير أو التعامل مع المعلومات المعقدة. يقدم فريزر مثال المستقبلات TLRs التي تنشط ردًا خلويًا معقدًا يفعل طرق إشارات داخل خلوية.
التفعيل الزائد قد يؤدي إلى اضطرابات التهابية في حين أن التفعيل غير الكافي قد يجعل المضيف عرضة للإصابة بالعدوى. أساليب الفحص غير المتحيز قد يساعد على تحديد المكونات التي تسمح لجهاز المناعة بالحفاظ على توازن استتبابي في وجه التحديات الميكروبية.
أحد النجاحات التي حققها فرايزر في البدء باستخدام علم أنظمة الأحياء هي مراقبة إمكانية إنزيم الكيناز في بروتين أحادي على تواسط التأثيرات المضادة للالتهاب للأدينوزين أحادي الفوسفات في الإشارات المرسلة بينه وبين TLR4.
يلخص فريزر الوقت الذي قضاه في NIH على أنه: «مراقبة البنية التحتية في تشريح رد فعل البلاعم إلى نطاق أوسع من المحفزات المسببة للأمراض».
اليكساندرا نيتا-لازار Aleksandra Nita-Lazar تُطور أساليب جديدة للحفاظ على معلومات نوعية تطور فهمنا للبيولوجيا الخلوية وتبوّب معلومات أساسية للبناء النموذجي. مجالها هو النظام الواسع للبروتيوم (البروتيوم هو مكمل البروتين الذي يمكن يتم التعبير عنه بالخلية أو النسيج أو مجموعة أعضاء) الذي يندرج تحت التحليل النووي جزئيًا إجابة للحاجة لأدوات لهذا التحليل.
تقول نيتا-لازار: «ينتج الاختلاف عن توفيق طبيعة الحمض النووي. يُميز الحمض النووي بسهولة ويُكرر ويتميز بثباته نسبيًا، فالبناء المُركب للبروتين لا يمكن توسيعه. ورغم ذلك فالدراسات أساس تطوير نماذج مفيدة لأسباب كثيرة». دراسات كهذه قد تكشف المكونات الجزيئية للخلية موفرةً بذلك معلوماتٍ عن الحالة البيوكيميائية للبروتينات، محددةً النسب المحفزة ونسب الارتباط والتفكك للثنائيات الجزيئية.
تستخدم نيتا-لازار مطياف الكتلة للبحث في فسفرة البروتين وهي عملية الربط بمجموعة عناصر فوسفاتية التي تعتبر واحدة من أشهر الأساليب في تنظيم عمل البروتين. تستطيع نيتا لازار استخدام البروتوكولات نفسها التي ساهم فريزر في تطويرها، والنوع نفسه من الخلايا لتحديد أي من البروتينات يتم فسفرتها، وكيف يتم احتواء هذه المعلومات فيما يُعرف بالاستجابة النسخية.
لقد كانت مجموعة نيتا-لازار ومجموعة فريزر تجمعان باستمرار من هذه الشاشات المكونات الأساسية اللازمة للإشارة لتنتقل عبر الطريق، وأيضًا لحث الأحماض النووية الريبية الناقلة للسيتوكينات الالتهابية التي تنشط. تقول نيتا-لازار: «نهج من هذا النوع كان يتم تجاهله وكأنه بعثة صيد سمك». ليس الهدف هو صيد سمكة تونا كبيرة على الرغم من أن ذلك كان ليكون جيدًا، وإنما الهدف هو رؤية أصناف السمك الكاملة أي كل النظام البيئي.
لكن معظم الباحثين في NIH يعلمون أن نهج الاختزال في علم أنظمة الأحياء بشكل بحت لا يكفي لحل المشاكل في البيولوجيا المعقدة وأن الجهود المتكاملة مطلوبة. ديفيد ليفينز David Levens ودان كاميريني Dan Camerini وآلان مايكلسون Alan Michelson بالإضافة لجيرمان يواصلون قيادة الجهود لهذه المبادرة عبرNIH.
مختبر NIAID لعلم أنظمة الأحياء يُعرف بأنه: «نموذج مصغر لما يمكن أن يكون عليه مشروع أكبر». ويذكر جيرمان: «المختبر الجديد جيد لـNIH؛ نتلقى طلبات من خريجي جامعات يريدون المجيء للمختبر للمشاركة».