Zrodzeni z chaosu

Według mitologii greckiej Wszechświat i wszystkie jego elementy pochodzą z Chaosu – pierwotnego, nieuporządkowanego stanu egzystencji. Chociaż daleki od mitologicznego znaczenia tego pojęcia, stan współczesnej szybko rozwijającej się nauki wydaje się czasem niebezpiecznie zbliżać do potocznego rozumienia słowa chaos. Szybkość produkcji danych naukowych wyprzedza nieraz możliwości ich przetworzenia i sensownego wykorzystania. Brak standaryzacji i odpowiedniego opisu sprawia, że wiele wyników badań przynosi niewielki pożytek, a potencjalnie ważne informacje w natłoku innych po prostu się gubią.

Podobnie jak pierwotny mitologiczny Chaos zrodził w końcu istoty, które dały początek uporządkowanemu światu, tak z chaosu informacyjnego na gruncie biologii wyłania się właśnie nowa klasa specjalistów. Ich zadaniem jest wprowadzanie reguł w zbiorach danych, porządkowanie informacji i uważne domontowywanie nowych elementów do wcześniej ułożonej naukowej układanki.

Biokurator – zaciszna praca na drugiej linii.

Charakter zadań biokuratora sprawia, że jego praca różni się od działań typowego naukowca, którego metaforycznie umiejscowić można na pierwszej linii naukowego pola bitwy. Zamiast badacza-odkrywcy spędzającego większość czasu w laboratorium, który jawić się może podobnie do odkopującego artefakty archeologa, biokuratora postrzegać należy raczej jak swoistego współczesnego kustosza epoki cyfrowej, dbającego o właściwe przechowywanie i udostępnianie kolekcji mozolnie zbieranych przez innych danych.

Ze względu na charakter tej pracy, nie każdy planujący związać swoje życie zawodowe z nauką łatwo odnajdzie się w profesji biokuratora. Z drugiej strony, ze względu na mile widziany wcześniejszy staż pracy naukowej i doświadczenie co najmniej na poziomie post-doc, stanowisko biokuratora może być satysfakcjonującą odmianą dla osób pracujących na polu nauk biologicznych, które nie odnalazły pełnego zadowolenia w pracy laboratoryjnej i na typowej ścieżce kariery naukowej.

Osoby pragnące zmienić szalki, mikroskop i pipety na komputer i odnaleźć przyjemność w zawodzie biokuratora powinny przede wszystkim lubić przekopywanie się przez duże ilości literatury oraz odnaleźć w sobie żyłkę detektywa. Zamiłowanie do systematyczności i czerpanie przyjemności z kreowania porządku, to potencjalnie dodatkowe zalety adeptów takiej pracy. W zakresie obowiązków biokuratora znajduje się najczęściej swoista kontrola jakości rezultatów badań przeznaczonych do późniejszej publikacji, ekstrakcja i organizacja informacji pochodzących z baz literatury naukowej oraz właściwy opis i dołączanie nowych danych do zbiorów, umożliwiających ich łatwe wyszukiwanie. Biokuratorzy biorą również udział w projektowaniu i rozwijaniu ontologii mających właściwie reprezentować schemat pojęciowy danych obszarów wiedzy.

Profesja biokuratora pozwala obcować z „żywą” nauką na najwyższym poziomie, chociaż nie łączy się na ogół z koniecznością tworzenia i publikacji własnych prac. Stanowisko takie daje mniej okazji uczestnictwa w konferencjach naukowych, jednak jako jego zaletę można postrzegać także fakt braku konieczności żmudnego pozyskiwania funduszy na własną pracę.

Niewielu dzisiaj, wielu jutro

Obecnie osoby uprawiające zawód biokuratora to jeszcze swoista elita. Założone trzy lata temu zrzeszające biokuratorów stowarzyszenie ISB (International Society for Biocuration) liczy niewiele ponad 300 członków, którzy pracują w około 100 instytucjach naukowych na świecie. Jednak rozwój technologii znacznie ułatwiającej na przykład sekwencjonowania DNA i wiążący się z tym przyrost koniecznych do uporządkowania danych prawdopodobnie szybko ten stan rzeczy zmieni. Już niedługo zamiast profesją nielicznych, specjalizacja „biokurator” może stać się poszukiwanym przez pracodawców i powszechnie oferowanym przez uczelnie kierunkiem rozwoju zawodowego.

Przydatne linki:
O tym, jak biokuratorzy sami definiują swój zawód, jakich narzędzi używają w swym działaniu oraz jak wygląda rynek pracy w tej profesji, dowiedzieć się można na stronie: ISB International Society for Biocuration.
Kolekcja artykułów poświęconych zagadnieniom zawodu biokuratora znajduje się tutaj: PLoS Computational Biology: Biocurators.
Obrazowy przykład wspaniałych rezultatów żmudnej pracy biokuratorów odnaleźć można w postaci: Comparative Toxicogenomics Database.

Źródła:

Bourne, P.E. i McEntyre, J. (2006). Biocurators: Contributors to the World of Science. PLoS Computational Biology, 10. doi:10.1371/journal.pcbi.0020142

Sanderson, K. (2011). Bioinformatics: Curation generation. Nature, 470. doi:10.1038/nj7333-295a

Konektomika w Internecie

Chociaż od stworzenia mapy ludzkiego konektomu opisującego połączenia nerwowe w skali jednego neuronu, dzielą nas być może jeszcze dziesiątki lat, wiedza na temat połączeń nerwowych w makro- i tzw. mezoskali, w pewnej części już istnieje. Ambicją serwisu ConnectomeWiki (opartego na szkielecie MediaWiki) jest stworzenie wyczerpującej bazy informacji – funkcjonującej w przybliżeniu podobnie do Wikipedii – porządkującej właśnie już dostępne dane na temat połączeń między strukturami mózgu z uwzględnieniem wielu gatunków zwierząt. Dane w bazie z założenia obejmować mają właśnie połączenia w makro i mezoskali, zaś funkcjonowanie serwisu – który może okazać się przydatny nie tylko osobom zajmującym się ściśle konektomiką – możliwe jest dzięki wspólnym wysiłkom wolontariuszy. Każdy zajmujący się badaniem sieci nerwowych zachęcany jest, nie tylko do śmiałego korzystania z bazy, ale również – w miarę możliwości – do przyłączenia się do jej rozbudowy.

Serwisem specjalistycznym, poświęconym konektomice w szerokim ujęciu, jest – czekający jeszcze na przysłowiowe „nabranie wiatru w żagle” – Connectomes.org. W założeniu ma być to portal tworzony z pasją przez społeczność zainteresowanych wolontariuszy, mający się stać bogatym i użytecznym źródłem treści, w pełni dedykowanych konektomice. Na razie jest to skromna strona, mającą zostać – wedle zapowiedzi – niedługo uzupełniona o dużą ilość treści i danych. Obecnie znaleźć można na niej przede wszystkim przydatną kolekcją odsyłaczy do oprogramowania tworzonego z myślą o badaniach w obszarze konektomiki oraz inspirujący cytat na powitanie, pochodzący od wielkiego histologa i neuroanatoma Santiago Ramóna y Cajala.

Inne zasoby

Na drodze wdrażania się w świat map połączeń neuronalnych, przydatne mogą okazać się również zasoby pochodzące spoza portali dedykowanych ściśle konektomice. Jeśli chcemy dowiedzieć się jak wygląda schemat jedynego poznanego  dotychczas w pełni konektomu – sieci nerwowej robaka Caenorhabditis elegans – możemy odwiedzić serwis Wormatlas. Zawiera on – poza informacjami o układzie nerwowym – inne szczegółowe informacje o tym nicieniu, a także spory wykaz literatury oraz wiele odsyłaczy, pomocnych dla zainteresowanych systemem nerwowym C. elegans, jak i dla poszukujących informacji o anatomii tego zwierzęcia w ogólnym zarysie. Wspaniałą, interaktywną aplikację, umożliwiającą szczegółowe śledzenie poszczególnych połączeń nerwowych w ciele C. elegans znaleźć można w serwisie Wormweb.org (tutaj odnośnik wprost do aplikacji). Strona i program są dziełem Nikhila Bhatla, byłego pracownika Google, a obecnie doktoranta MIT (ang. Massachusetts Institute of Technology) zajmującego się badaniami nad warunkowaniem Caenorhabditis elegans.

Dla wszystkich poważnie myślących o problematyce badań w zakresie konektomiki, przydatna może okazać się baza danych NeuroMorpho.org. Kryje się tam cyfrowy zbiór trójwymiarowych, morfologicznych rekonstrukcji neuronów. Dane zgromadzone w NeuroMorpho.org obejmują prawie 6000 rekordów pochodzących od 11 gatunków zwierząt, które zebrane zostały przez 47 laboratoriów z całego świata. Zgrupowane materiały dotyczą 39 obszarów mózgu i obejmują kilkadziesiąt rodzajów komórek. Chociaż być może baza ta stanowi zbiór informacji, który okaże się użyteczny dopiero na późniejszym etapie rozwoju badań nad konektomem, warto wiedzieć o jej istnieniu już dziś.

Interesującym serwisem, który może służyć jako swoiste neuroanatomiczne repetytorium, pozwalające odświeżyć wiedzę na temat anatomii ludzkiego mózgu i połączeń pomiędzy jego strukturami, zanim wniknie się w bardziej zaawansowaną konektomikę, jest The Human Brain Info. Strona ta oferuje dostęp do atlasu ludzkiego mózgu stworzonego na bazie dużej ilości jego szczegółowych przekrojów, wzbogaconych starannymi opisami lokalizacji poszczególnych struktur i ważnych dróg nerwowych. Odwiedziny tego serwisu mogą okazać się pożyteczne dla każdego chcącego nabyć podstawową wiedzę z zakresu neuroanatomii, jak i dla wszystkich tych, którzy swoją orientację na mapie OUN chcą sobie tylko poćwiczyć.

Narzędzia do rozplątywania sieci

W globalnej sieci, poza serwisami poświęcanymi konektomice i pokrewnym jej dziedzinom, znaleźć można również informatyczne narzędzia, które używane są obecnie do tworzenia map i obrazowania konektomu. Większość z nich to aplikacje tworzone w oparciu o otwartą licencję, znajdujące się jeszcze na dość wczesnych – jak zresztą cała dyscyplina – etapach rozwoju.

Jednymi z najbardziej zaawansowanych prac nad dedykowanymi specjalnie konektomice, ogólnodostępnymi narzędziami informatycznymi, są te prowadzone obecnie przez zespół badaczy ze szwajcarskiej Lozanny w partnerstwie z Wydziałem Psychologii i Nauk o Mózgu Uniwersytetu Indiana. Badacze z tego zespołu stworzyli między innymi aplikację Connectome Viewer, umożliwiającą analizę danych pochodzących z neuroobrazowania pod kątem budowania map konektomów. Napisany w języku Python, Connectome Viewer działa na platformie Linux (Ubuntu/Debian) i przystosowany jest do obsługi własnego formatu plików bibliotek: CFF (ang. Connectome File Format). Poza wieloma innymi interesującymi cechami wartymi wymienienia, wspomnieć należy o tym, że posiada on wbudowaną integrację ze wspomnianym wcześniej projektem sieciowym ConnectomeWiki. Connectome Viewer wraz z dokumentacją oraz informacje o innych projektach dedykowanych konektomice, nad którymi pracuje zespół z Lozanny, znaleźć można na stronie Connectomics.org.

Programem na bardzo wczesnym etapie rozwoju (pre-alfa), który w zamyśle może pomóc w badaniu konektomów, jest tworzony również na licencji wolnego oprogramowania Cytoseg.  Jego zadaniem ma być zautomatyzowanie procesu segmentacji zestawów trójwymiarowych obrazów, uzyskanych przede wszystkim za pomocą technik mikroskopii elektronowej. Więcej informacji na temat tego projektu dowiedzieć się można tutaj.

Do innych, gotowych już do pracy aplikacji, przydatnych w badaniach konektomu, zaliczyć można ułatwiające rekonstrukcję i śledzenie dróg nerwowych programy: Elegance, Reconstruct i TrakEM2. Jako, że największe nadzieje na postęp w dziedzinie rekonstrukcji map połączeń nerwowych, wiąże się obecnie z zaawansowanymi technikami obrazowania z wykorzystaniem rezonansu magnetycznego, takimi jak obrazowanie dyfuzyjne (ang. DTI – Diffusion Tensor Imaging), warto również zwrócić uwagę na oprogramowanie wspomagające tę metodę badań. Grupę takich programów tworzy kilka niekomercyjnych aplikacji do neuronalnej traktografii, dostępnych bezpłatnie, nieraz opartych również na licencji wolnego oprogramowania. Do grona tego należy, napisana w języku C++ aplikacja do obrazowania medycznego 3DSlicer, program TrackVis oraz stworzony w języku Python Dipy (ang. Diffusion Imaging in Python).  Większe restrykcje licencyjne dotyczą – dostępnego jednak bezpłatnie do użytku w celach niekomercyjnych – pakietu MedINRIA.

Aplikacją, która może pomóc – podobnie jak wspomniany wcześniej serwis The Human Brain Info – w nauce neuroanatomii i poznawaniu dotychczas opisanych struktur mózgu, jest StackVis. Nazywany „odpowiednikiem Google Earth dla mózgu”, umożliwia on wygodne przeglądanie trójwymiarowych i dwuwymiarowych sekcji mózgowia, których zestawy ściągnąć można z serwisu BrainMaps.org.

Chociaż ilość zasobów dotyczących konetkomiki w Internecie jest jeszcze relatywnie niewielka, wyrazić można nadzieję, że ten skromny zestaw linków i informacji stanowić będzie dla Czytelników użyteczny wstęp do bliższego poznania fascynującej dyscypliny nauki, jaką bezsprzecznie jest konektomika. Być może stanie się on również dobrym punktem wyjścia do rozpoczęcia własnych, już głębszych poszukiwań informacji w tym zakresie.

| Źródło: Wikimedia Commons. Licencja: CC-BY

Skatalogowanie wszystkich składników „przepisu”, zgodnie z którym zbudowane są nasze ciała – czyli genomu – to sukces przeszłości. Rozpoznanie wszystkich „smaków” jakie się z nim wiążą – czyli budowa wielkiej księgi proteomu – to zadanie teraźniejszości. Jakie wielkie wyzwanie czeka bioinformatykę w przyszłości? Jest nim kolejny ogromny projekt  ze słowem kończącym się na „om” w nazwie: ludzki konektom!

Narodziny pojęcia konektom – określającego pełną mapę połączeń w układzie nerwowym – łączą się z pewnym paradoksem. Powstało ono omal 20 lat później, niż pierwszy praktyczny przykład tego, co opisuje. Określenie konektom zadebiutowało w piśmiennictwie naukowym za sprawą publikacji autorstwa Olafa Spornsa z 2005 roku. Pierwszą kompletną mapę połączeń nerwowych jednego organizmu udało się zaś stworzyć już w połowie lat 80-tych XX wieku - organizmem tym był nicień Caenorhabditis elegans, a jego konektom jest nie tylko pierwszym, ale pozostaje również jedynym dotychczas w pełni poznanym.

Tworzenie mapy połączeń systemu nerwowego C. elegans było zadaniem bardzo żmudnym i zajęło ponad 12 lat pracy. By tego dokonać, wykonano benedyktyńską pracę rekonstrukcji struktury każdego połączenia nerwowego za pomocą mikroskopii elektronowej z sekcji pociętego robaka. Wysiłek ten zaowocował stworzeniem kompletnej mapy sieci 302 neuronów i ich 7000 wzajemnych połączeń.

Przez ponad ćwierć wieku od opisu konektomu C. elegans nie powtórzono podobnego dokonania. W najbliższych latach sytuacja ta może się jednak radykalnie zmienić. Wyzwanie, jakim jest opisanie sieci połączeń nerwowych organizmów, wydaje się tyleż trudne, co warte wysiłku. Chociaż niewiadomo, czy zmapowanie wszystkich połączeń nerwowych zwierząt wyższych, na przykład ssaków, jest w dającej się przewidzieć przyszłości możliwe, równie nieocenione wydają się zyski jakie dokonanie tej sztuki może przynieść. Gruntowne poszerzenie wiedzy na temat neuropatologii, pogłębienie fundamentów nauki o różnicach indywidualnych, czy rozbudowanie bazy informacji o związkach filogenetycznych oraz ewolucji, to tylko najbardziej podstawowe korzyści, jakie mogą dać mapy konektomów. Kopiarki świadomości, banki danych do przechowywania kopii zapasowych naszych wspomnień czy „mózgoskopy”, to być może fantastycznie brzmiące nazwy, nie nierealnych jednak wynalazków, znajdujących się na kontinuum potencjalnych owoców tego przedsięwzięcia.

Neurony… jak gwiazdy na niebie

Mózg człowieka składa się z ponad 100 miliardów (10¹¹) neuronów. Tworzą one około biliarda (10¹⁵) połączeń –  ta liczba wydaje się niewyobrażalnie wielka w porównaniu z parametrami złożoności systemu nerwowego C. elegans. Biorąc pod uwagę wkład pracy, jaki kosztowało naukowców rozszyfrowanie tamtej mapy połączeń, zasadne zdaje się pytanie, czy projekt odtworzenia ludzkiego konektomu ma w ogóle sens?

Wydaje się, że jak najbardziej tak. Przemawia za tym kilka argumentów. Najważniejszym z nich jest przyjęcie założenia, że rozdzielczość konektomu wcale nie musi opierać się na pojedynczych neuronach. Chociaż pojedyncza komórka nerwowa wydaje się idealnym kandydatem na podstawowy węzeł rozpatrywanej w konektomie sieci, mapowanie połączeń na wyższym poziomie układu nerwowego również może okazać się niezwykle pożyteczne. Konektom rozpatrywać można na trzech głównych skalach, nie stawiając ostatecznej granicy jego rozdzielczości. Na poziomie makroskali opis konektomu dotyczyć może podstawowych dróg nerwowych pomiędzy jądrami i innymi dużymi ośrodkami w mózgu. Dane na tym poziomie są dostępne już teraz i obejmują swym zasięgiem człowieka oraz inne gatunki: kota, makaka i szczura. Makroskalowy opis konektomu jest więc prawie w naszych rękach, a jego uporządkowanie i systematyzacja może być potraktowana jako uwertura przed pójściem dalej i stworzeniem mapy konektomu średniej rozdzielczości (mezoskala). Poziom konektomu w mezoskali obejmować może struktury mniejsze niż jądra OUN, jednak większe od neuronu – dobrym kandydatem na podstawową cząstkę układanki w tym zakresie są kolumny neuronalne kory mózgowej. Dopiero mikroskala, następny w kolejności szczebel konektomu, definiowany może być przez węzły sieci w postaci pojedynczych neuronów. Nie musi być to ostateczna granica konektomiki. Jak proponują niektórzy badacze, konektom może również w przyszłości obejmować bardziej szczegółowe dane, takie jak ilości pęcherzyków w synapsie i molekularne właściwości komórek nerwowych.

Inne argumenty zachęcające do rozpoczęcia przedsięwzięcia mapowania konektomu wiążą się z rozwojem technologii i metod badawczych. Chociaż szacuje się, że rekonstrukcja tylko jednego milimetra sześciennego konektomu mózgu ssaka wygeneruje około 1000 terabajtów danych (pełny opis ludzkiego konektomu w wysokiej rozdzielczości przekroczy prawdopodobnie liczbę  miliona petabajtów!), ilość ta z punktu widzenia obecnych możliwości przetwarzania informacji, nie wydaje się aż tak ogromna jak 10 czy 20 lat temu. Dodatkowo, daleko posunięta automatyzacja i możliwości robotyzacji wielu czynności w laboratorium znacznie zwiększają efektywność pracy. Przede wszystkim jednak, rozwój technologii  doprowadził do rewolucji  w metodach, za pomocą których da się konektom rekonstruować. Zamiast odtwarzania mapy sieci krok po kroku przy pomocy sekcji mózgu i mikroskopii, obecnie proces ten udaje się wykonywać  za pomocą zupełnie nieinwazyjnych metod, przede wszystkim wykorzystujących obrazowanie rezonansu magnetycznego. Już współczesne techniki obrazowania umożliwiają tworzenie dość precyzyjnych map połączeń nerwowych na niskim poziomie rozdzielczości, a potencjał ich dalszego rozwoju jest ogromny. Polem najbardziej zaawansowanych prac w tym obszarze, z którym łączy się największe nadzieje, jest przede wszystkim obrazowanie dyfuzyjne (ang. DTI – diffussion tensor imaging) i  udoskonalenia tej metody (np. HARDI –ang. High-Angular-Resolution Diffusion Imaging), łączące się z poprawieniem stosowanych algorytmów przetwarzania obrazu i innymi modyfikacjami.

Szkielet duszy w praktyce

Istnieją duże rozbieżności w ocenie tego, jak długo potrwać może mapowanie ludzkiego konektomu. Opracowanie  mapy połączeń ośrodków nerwowych w makroskali oraz na średnim poziomie rozdzielczości postrzegane jest w optymistycznych barwach. Jednak stworzenie mapy konektomu na poziomie pojedynczych neuronów – jak ocenia jeden z entuzjastów konektomiki, Sebastian Seung – może być zajęciem nawet dla kilku pokoleń uczonych.

Pomimo wielkości wyzwania, zainteresowanie konektomem wzrosło w ostatnim czasie do tego stopnia, że rozpoczynająca się dekada stała się świadkiem narodzin nowego gigantycznego przedsięwzięcia naukowego – startu „The Human Connectome Project”, czyli „Projektu Poznania Ludzkiego Konektomu”. Podobnie jak przy debiucie poprzedniego podobnego przedsięwzięcia  – Projektu Poznania Ludzkiego Genomu (ang. Human Genome Project) – także i w tym przypadku dobrze określony jest cel, jednak gorzej sprecyzowane są  środki, za pomocą których ma on zostać osiągnięty. Jak w przypadku poprzednika, także teraz, na początku funkcjonowania projektu słyszalne są przede wszystkim donośne głosy krytyki. Podnosi się między innymi kwestię wysokich kosztów przedsięwzięcia, brak jego dostatecznego merytorycznego uzasadnienia, czy – wspomniany wcześniej – brak precyzyjnie określonej drogi osiągnięcia celu. Niektórzy naukowcy pracujący już w obszarze zagadnień konektomiki postrzegają „Projekt Poznania Ludzkiego Konektomu” wrogo, ze względu na obawy, iż systematyzacja danych stanie na przeszkodzie publikacji ich indywidualnej twórczości, zaś wielkie przedsięwzięcie odbierze sens prowadzenia cząstkowych prac badawczych w tym zakresie. Pozytywny przykład i swoiste „szczęśliwe zakończenie” Projektu Poznania Ludzkiego Genomu skłania jednak do optymistycznej postawy i w tym przypadku.

Sieć rozplątana

Nie wolny od wad, projekt poznania konektomu przyczyni się z pewnością do rozwoju neuroinformatyki, polepszenia metod obrazowania medycznego i wzbogacenia wiedzy. Stanie się tak nawet,  jeśli naukowcy nie zbliżą się szybko do osiągnięcia swojego ostatecznego celu. Prawdopodobnie już na niskim poziomie rozdzielczości dane z konektomiki wniosą ogromny wkład w leczenie i rehabilitację neurologiczną. W dalszej kolejności poprawią być może zrozumienie obrazu chorób takich jak otępienie Alzheimera lub schizofrenia. Przewiduje się, że kompletna wiedza konektomiczna zaowocować może wręcz wielką zmianą paradygmatu w medycynie, szczególnie  jej działach związanych z układem nerwowym. Wiedza o szczegółowych nieprawidłowościach połączeń neuronalnych może dać nowy wgląd w etiopatologię chorób i zmienić sposób klasyfikacji zaburzeń, tworząc nową kategorię specyficznych „konektopatii”, łączących się również z wyprowadzonymi z konektomiki metodami leczenia.

Metaforyczne rozplątanie sieci naszego mózgu, czy też „okablowania naszej duszy”, przyniesie więc ogromne poznawcze i praktyczne korzyści.  Być może zmieni również sposób postrzegania przez nas Świata i samych siebie, gdyż – jak stwierdził wspomniany już wcześniej Sebastian Seung – każdy z nas jest ostatecznie „swoim konektomem”.

Przydatne linki:

Wykład Sebastiana Seunga o tym, czym jest konektom i jakie można wiązać nadzieje z jego badaniem (w języku angielskim):
Sebastian Seung: I am my connectome.

Oficjalna strona „Projektu Poznania Ludzkiego Konektomu”:
„The Human Connectome Project”

Źródła:

Lichtman, J.W. i Sanes, J.R. (2008). Ome sweet ome: what can the genome tell us about the connectome? Current Opinion in Neurobiology, 18. doi:10.1016/j.conb.2008.08.010

Sporns, O. (2009). The Human Connectome: Linking Structure and Function in the Human Brain. W: Johansen-Berg, H.  (red.) i Behrens, T.E.J. (red.) Diffusion MRI. From Quantitative Measurement to In vivo Neuroanatomy. Academic Press. doi:10.1016/B978-0-12-374709-9.00014-6

Sporns, O., Tononi, G i Kötter, R. (2005) The human connectome: A structural description of the human brain. PLoS Computational Biology, 1. doi:10.1371/journal.pcbi.0010042

Williams, R. (2010). The human connectome: just another ‘ome? Lancet Neurology, 9.

Do 15 listopada każdy chętny może zgłaszać swoje uczestnictwo, może też zgłosić własny poster lub referat. Opłata rejestracyjna (wpisowe), nie obejmująca noclegu i wyżywienia wynosi 50 zł

Wszystkich entuzjastów biologii serdecznie zapraszamy!

Więcej informacji na stronie konferencji.

Szczęśliwie bioinformatyka i związane z nią gałęzie wiedzy nie występują tylko w przestrzeni literatury ograniczonej do treści podręczników. Bywają one także kanwą intrygujących dzieł, tworzonych w domenie literatury pięknej. Jako, że dynamicznie przesuwająca się granica odkryć, na styku dyscyplin takich jak genomika, proteomika i ewolucjonizm jest niebywale inspirująca, jej beletrystyczne owoce znajdziemy najczęściej – co nie jest zaskakujące – w domenie pisarstwa science-fiction.

Jedną z niedawno wydanych na naszym rynku pozycji, w których genetyka, procesy ewolucyjne i niezbadane białka stanowią trzon rozwijającej się przed oczyma czytelnika fabuły, jest wydana przez Wydawnictwo Solaris „Teranezja” autorstwa, znanego z dzieł należących do kręgu zaawansowanej fantastyki, australijskiego pisarza Grega Egana.

Prabir Suresh, główny bohater opowieści, jest dzieckiem małżeństwa biologów, prowadzących badania naukowe nad dotychczas nieznanym, tajemniczym gatunkiem motyli, zamieszkujących małą wysepkę w archipelagu Południowych Moluków. Podczas gdy jego rodzice próbują rozwikłać niepasującą do dotychczasowej wiedzy o ewolucji zagadkę entomologiczną, mały Prabir, który sam także fascynuje się już nauką, spędza swój czas beztrosko, poznając przyrodę wyspy oraz opiekując się swoją ukochaną młodszą siostrą. To rajskie życie, na skrawku własnego, tropikalnego lądu, kończy się raptownie, gdy południowe rubieże Indonezji ogarnia pożoga wojny domowej. Nie oszczędza ona spokojnej i wydawałoby się, zapomnianej przez wszystkich wysepki. Przyszłość Prabira rzucona zostaje na zupełnie nowy tor – od tej chwili jest on jedynym protektorem swojej siostry, a jego dalsze życie, spędzane daleko od ciepłych wód pogranicza Pacyfiku i Oceanu Indyjskiego, nie ma już nic wspólnego z fascynującym światem nauki i eksplorowaną przez jego rodziców nierozwiązaną zagadką.

Przeszłość, z której tak nagle został wyrwany, ponownie jednak wkracza w jego życie kilkanaście lat później. Omal w jednej chwili, z trudem zbudowane, lecz niekoniecznie ekscytujące, życie niedocenianego programisty, pracującego dla banku, znowu nasycone zostaje wyzwaniami. Prabir w konsekwencji decyzji swojej siostry, która jako studentka biologii postanawia wziąć udział w ekspedycji badawczej w rejon pracy swoich rodziców, zmuszony jest zakwestionować cały dotychczasowy ład swej egzystencji. Nie ma innego wyjścia, jak tylko zmierzyć się ponownie z wyzwaniem narzuconej sobie roli, zastępującego ojca i matkę, opiekuńczego brata oraz porachować się z demonami przeszłości, które kryją się zarówno w jego własnej psychice, jak i coraz bardziej niesamowitym ekosystemie wyspiarskiej dżungli. Wszystko to dzieje się przy okazji powracającego wciąż wątku poszukiwania rozwiązania niezwykłej, biologicznej łamigłówki, którą rozszyfrować, próbowali jego rodzice. Tajemnicze zjawisko, będące odstępstwem od znanych reguł ewolucji, które początkowo objawiało się w istnieniu tylko jednego niezwykłego gatunku motyli, zaczyna rozszerzać się na inne gałęzie drzewa filogenetycznego, w coraz bardziej niezwykłym i dynamicznie zmieniającym się ekosystemie.

„Teranezja” to książka łącząca w sobie zalety dobrej fantastyki z cechami powieści przygodowej. Egzotyczna sceneria akcji, dodaje wiele walorów tej opowieści. Oprócz uczestnictwa w intelektualnym pościgu za prawdą, czytelnik ma poczucie obcowania, w miarę rozwoju opisywanej przygody, z dalekim i na ogół słabo znanym, obszarem geograficznym i kulturowym. Osadzenie akcji w bliskiej przyszłości jest z kolei powodem, dla którego można uznać „Teranezję” za książkę godną polecenia nie tylko zagorzałym miłośników fantastyki naukowej, z jakich na ogół wywodzą się fani prozy Egana, ale również szerszemu gronu czytelników. Jest to powieści dla każdego, kto zainteresowany jest lekką, niepozbawioną odrobiny „akcji”, lekturą, okraszoną intrygującymi pomysłami i spekulacjami odnoszącymi się do obszaru ewolucji biologicznej.

Książka Grega Egana jest bardzo zrównoważona w zakresie narracji. Oprócz rdzenia fabuły, jakim jest swoiste biologiczne śledztwo, rozpoczynające się od badań nad gatunkiem niezwykłych motyli, dalej rozszerzające się coraz bardziej i porywające w końcu czytelnika głęboko w bystry nurt intelektualnej spekulacji, zawarte są w niej również inne wciągające wątki. Nawet, jeśli znika nam na chwilę z oczu motyw ewolucyjnej tajemnicy, z uwagą śledzić możemy realistycznie nakreślone dylematy, jakie dotykają głównego bohatera. Po drodze nie brakuje także wplecionych w fabułę wtrętów o naturze światopoglądowej. W tekście odnaleźć możemy na przykład, niemaskowaną za bardzo, krytykę dyskursu postmodernistycznego i podobnych mu, pojawiających się czasem na styku nauk społecznych i humanistycznych, prądów intelektualnych, które mając wątłe podstawy dla swych twierdzeń, próbują nieraz podważać dorobek nauk ścisłych. W powieści piewcami tego „awangardowego” sposobu myślenia jest dalsza krewna Prabira i jej życiowy partner, z którymi los wiąże na pewien czas rodzeństwo bohaterów. Chronienie siostry przed negatywnymi konsekwencjami przesączenia do jej umysłu dziwnego, quasi-naukowego rozumowania, jest dla Prabira zadaniem omal równie poważnym, jak chronienie jej przed koszmarem wojny. Kontrast pomiędzy nauką, a uprawianą pod jej sztandarem pseudonauką pojawia się zresztą w powieści jeszcze kilkukrotnie. Nie są to jednak jedyne dodatkowe wątki, budujące bogactwo kompozycji książki, z których resztę zapewne bez problemu odnajdzie każdy czytelnik.

Powieść tę trudno zaliczyć do dzieł wybitnych i można się oczywiście spierać, jakie jest jej miejsce w hierarchii twórczości australijskiego pisarza, choćby w porównaniu z innymi jego utworami – na przykład wspaniałym „Miastem Permutacji”. Jednak interesująco zobrazowany pomysł nowatorskiego spojrzenia na potencjał ewolucji, atmosfera przygody i ciągłego odkrywania czegoś nowego oraz niespłycone – co często bywa bolączką literatury science-fiction - lecz dobrze zarysowane, postaci, sprawiają, że może być to nie tylko przyjemna lektura, ale naprawdę stymulująca literacka rozrywka, dla każdego, kto z pasją zajmuje się w swoim życiu rozszyfrowywaniem tajemnic genów, białek i im podobnych molekularnych bytów.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6d/Nutrisls.jpg

Dlaczego cudowne diety nie zawsze przynoszą cudowne rezultaty, a jedzenie owoców i warzyw pięć razy dziennie nie każdego uchroni przed nowotworem? Odpowiedzi na te i podobne pytania może udzielić nutrigenomika, prężnie rozwijająca się dziedzina wiedzy, która coraz częściej i śmielej korzysta z kolejnych odkryć w obszarze genomiki, proteomiki, transkryptomiki i metabolomiki, będących w dużej części owocem pracy bioinformatyków.

Chociaż związek genów z podatnością na choroby, jest powszechnie znany oraz szeroko badany od lat, obraz wpływu różnic genetycznych na występowanie i przebieg konkretnych schorzeń nie jest na ogół prosty. Pomimo, iż znane są związki polimorfizmów pojedynczych nukleotydów, w tym ich kombinacji, z wieloma zaburzeniami, na przykład, o charakterze metabolicznym, na ogół samo zróżnicowanie w obszarze genów, nie jest w całości odpowiedzialne za wytworzenie podatnego na konkretną chorobę fenotypu. W rzeczywistości, ogromną rolę pełnią tutaj także czynniki środowiskowe, które mogą zarówno sprawować funkcję ochronną, jak i niekorzystnie zwiększać prawdopodobieństwo wystąpienia zaburzenia, lub być jego czynnikiem wyzwalającym, bez którego patologia w ogóle by nie zaistniała.

Czynniki środowiskowe można podzielić na takie, które mają charakter egzogenny – przykładem może tu być zanieczyszczenie, obecność alergenów, czy promieniowanie słoneczne – oraz endogenne (i wolicjonalne), obejmujące z grubsza styl życia, w tym zachowania, takie jak uprawianie sportu, skłonność do siedzącego trybu życia, czy ilość konsumowanych kalorii i sposób odżywiania.

Jak można zauważyć, nutrigenomika, czyli nauka badająca związki pomiędzy konsumowanym pożywieniem a genotypem, zajmuje się więc jednym z najbardziej istotnych obszarów interakcji pomiędzy genami a środowiskiem, jako, że pobieranie pokarmu towarzyszy ludziom przez całe życie, a co ważniejsze, nawyki i zachowania z nim związane mogą być kształtowane świadomie i intencjonalnie.

Dlaczego cudowne diety nie dla każdego są cudowne

To, że różne diety i reżimy żywieniowe nie mają jednakowego wpływu na wszystkie stosujące je osoby, można łatwo zaobserwować w życiu codziennym. Jeśli nieskuteczność ta dotyczy tylko chwilowej zmiany nawyków w celu zrzucenia kilku zbędnych kilogramów, poprawienia jędrności skóry, lub innego zabiegu estetycznego, prawda ta może objawić się, co najwyżej, jako przykre rozczarowanie. W przypadku jednak interindywidualnych różnic w odpowiedziach organizmu na stosowanie rekomendowanych przez lekarzy reżimów żywieniowych, mających zmniejszyć prawdopodobieństwo zapadnięcia na poważne, często śmiertelne choroby, sprawa staje się poważna.

Dopiero niedawno odkryto polimorfizmy nukleotydów, odpowiedzialne nie tylko, za skłonność do występowania pewnych chorób, ale także, kryjące się za dramatycznymi różnicami w odbiorze rekomendowanych profilaktycznie sposobów żywienia. Przykładem może tu służyć polimorfizm M235T genu angiotensynogenu (genu AGT), od którego, jak udowodniono, zależy skuteczność reakcji na dietę bogatą w błonnik, w relacji do ciśnienia tętniczego krwi. Innym znaczącym przykładem jest polimorfizm pojedynczego nukleotydu TaqI, w genie VDR (ang. vitamin D receptor gene), który w przypadku homozygotyczności u kobiet, znacznie zwiększa utratę masy kości, w interakcji z dietą zawierającą dawki kofeiny przekraczające 300 mg/dzień.

Jak też dowiedziono, z podobnej przyczyny, również dieta bogata w warzywa, sensowna jest w profilaktyce raka tylko dla niektórych osób. Konkretnie dla tych, u których występuje brak nukleotydów, czyli delecja, w genie GTSM1 (dotycząca około połowy populacji).

Te i inne szczegółowo poznane już przypadki zależności pomiędzy genetyczną wariancją, a skutecznością interwencji dietetycznej, bądź żywieniem, jako czynnikiem zwiększającym ryzyko zachorowania (pełniejszą ich listę można znaleźć w niedawno opublikowanej pracy autorstwa Valerio Costy i wsp.), udowadniają, jak istotne zadanie stoi przed współczesną nutrigenomiką. Z jednej strony, bez postępu w tym zakresie, dotychczas stosowane reżimy żywieniowe i diety profilaktyczne, wypracowane w innych obszarach nauki, mogą okazywać się dla dużej części populacji niepotrzebnym balastem, utrudniającym codzienne życie, w zamian oferującym zaś tylko fałszywą nadzieję na uniknięcie choroby. Z drugiej z kolei strony, dalszy postęp w tej dziedzinie zapewnić może w przyszłości tworzenie szczegółowych, indywidualnie przygotowywanych zaleceń żywieniowych, czy też nawet osobistych diet, szykowanych „na miarę”, dla konkretnej osoby, zgodnie z posiadanym przez nią genotypem. Chociaż pełna realizacja tej ostatniej perspektywy wydaje się być na razie jeszcze dość odległym „śpiewem przyszłości”, prawdopodobnie będzie ona coraz bliższa szybkiej realizacji, poprzez ogromny postęp, jaki ma obecnie miejsce w takich dziedzinach jak genomika, proteomika i metabolomika, dzięki zastosowaniu w nich coraz nowszych narzędzi bioinformatycznych.

(Bio)informatyk i dieta

Pytanie „co ma wspólnego informatyk ze zdrową dietą?”, może wydawać się wstępem do wieloznacznego, abstrakcyjnego dowcipu, jednak odsuwając żarty na bok, zauważyć należy, że niedługo praca niektórych informatyków, w tym przede wszystkim bioinformatyków, dotyczyć będzie także obszaru, będącego molekularną podstawę przyszłej nauki o żywieniu i fundamentu nowoczesnej dietetyki.

Przede wszystkim, wraz z rozwojem bioinformatyki, duże nadzieje pokłada się w docenieniu wagi i rozbudowie wiedzy o zmianach w ekspresji mRNA. Dzięki temu, spodziewane jest lepsze identyfikowanie osób, które, bądź to są bardziej narażone na występowanie pewnych chorób, w których zła dieta może być czynnikiem szkodzącym, lub też są jednostkami, którym konkretny reżim żywieniowy pozwoli skutecznie uchronić się, lub zmniejszyć prawdopodobieństwo choroby. Specjaliści sugerują, że badanie wariancji ekspresji mRNA, może być przydatne w tym względzie, prawdopodobnie, nie samo w sobie, jako źródło biomarkerów źródłowych, ale by umożliwić odkrycie charakterystycznych znaczników, dzięki analizie powtarzalnych schematów jego ekspresji. Analizy oraz eksperymenty wykorzystujące mikromacierze są już zresztą powszechnie prowadzone w badaniach ściśle nutrigenomicznych. W przyszłości, jak się oczekuje, będą jednak one bardziej niż obecnie efektywne, przede wszystkim dzięki lepszym modelom przetwarzania, interpretacji i prezentacji danych. Na przykład dzięki powszechnemu zastosowaniu metody analizy skupień, rozwiązany może być problem zajmowania czasu badaczy, istotnymi statystycznie, lecz niemającymi relewantnego znaczenia, ekspresjami genów w konkretnych schematach eksperymentalnych.

Najbardziej płodnym jednak źródłem nowych danych dla nutrigenomiki, wydaje się być w przyszłości proteomika. To właśnie tam upatruje się najwięcej możliwych odkryć w obszarze biomarkerów, dla wskazań ewentualnej dietetycznej interwencji, lub też znaków, mówiących o zwiększonej podatności na zachorowanie, przy takim, lub innym sposobie odżywiania. Publikowane były już prace, w których wyniki pochodziły z łączonych studiów wykorzystujących zarówno mikromacierze, jak i techniki stosowane w dziedzinie proteomiki. Dotyczyły one między innymi obszarów zagadnień, związanych z ochronnym wpływem diety na choroby serca i nowotwory. Wielu badaczy uważa proteomikę za bezsprzecznie najważniejszą z wszystkich „omik”, potencjalnie mogących wnieść ogromny wkład do nauk żywieniowych. Poza wysokiej klasy urządzeniami stosowanymi w laboratoriach, fundamentem praktycznej pracy w tej dziedzinie, jest powszechne zastosowanie wyrafinowanego oprogramowania do przetwarzania danych. Właśnie w tym kierunku zwracają swe przyszłe oczekiwania naukowcy, w nadziei na powiększenie możliwości przeprowadzania nowych, istotnych odkryć.

Perspektywy wyglądają więc zachęcająco, zarówno dla pracujących w „mokrych” laboratoriach naukowców, przed którymi jeszcze wiele nieeksplorowanych obszarów i zjawisk do poznania, jak i towarzyszących im bioinformatyków, mających mnóstwo potencjalnych danych do przetworzenia i prawdopodobnych, kryjących się za nimi odkryć do ujawnienia. Także pozostali z nas, przegryzający właśnie „małe, co nieco”, lub jedzący wystawną kolację, zyskają na rozwoju tej dziedziny nauki. Wiedza z nutrigenomiki pozwoli nam zapoznać się z czyhającymi na nas zagrożeniami, wynikającymi ze złej dla nas diety, jak i pozwoli nam cieszyć się zdrowymi, skrojonymi pod nasz indywidualny genotyp posiłkami, które nie tylko nie będą nam szkodzić, ale także pomogą nam chronić się przed schorzeniami, na które możemy być podatni.

Źródła:

1. Costa, V., Casamassimi, A. i Ciccodicola, A. (2010). Nutritional genomics era: opportunities toward a genome-tailored nutritional regimen. Journal of Nutritional Biochemistry, 21, 457 – 467. doi:10.1016/j.jnutbio.2009.10.012
2. Kussmann, M. i Affolter, M. (2009). Proteomics at the center of nutrigenomics: Comprehensive molecular understanding of dietary health effects. Nutrition, 25, 1085 – 1093. doi:10.1016/j.nut.2009.05.022