מחקר חושף תובנות חדשות על אבולוציה של שמרים באמצעות ניתוח בינה מלאכותית של למעלה מ-1,000 זנים, מאתגר פרדיגמות ישנות ומתן מערך נתונים מקיף לקידום מחקר במספר תחומים מדעיים. מושבות שמרים (בצבע מלאכותי). קרדיט: UNC Charlotte
אוניברסיטת צפון קרוליינה בשרלוט עוזרת פרופסור לביואינפורמטיקה אביגיל לאוויט לבלה הייתה שותפה להובלת מחקר מחקר שאפתני – שפורסם בכתב העת היוקרתי מַדָע – שמדווח על ממצאים מסקרנים שנעשו באמצעות ניתוח חדשני של בינה מלאכותית על שמרים, פטריות קטנות שתורמות מפתח לביוטכנולוגיה, ייצור מזון ובריאות האדם.
הממצאים קוראים תיגר על מסגרות מקובלות שבהן נלמדת אבולוציה של שמרים ומספקים גישה למערך נתונים עשיר להפליא של ניתוח שמרים שיכול להיות בעל השלכות משמעותיות על מחקר עתידי בביולוגיה אבולוציונית וביואינפורמטיקה.
לבלה, שהצטרפה למחלקה לביואינפורמטיקה של UNC שרלוט במכללה למחשוב ואינפורמטיקה בתור עוזרת פרופסור וחוקרת בקמפוס המחקר של צפון קרוליינה ב-2022, ערכה את המחקר עם הסופרת המובילה שותפה דנה א. אופולנטה מאוניברסיטת וילאנובה. הם שיתפו פעולה עם חוקרים עמיתים מאוניברסיטת ונדרבילט ומאוניברסיטת ויסקונסין במדיסון, יחד עם עמיתים ממוסדות מחקר ברחבי העולם.
זהו מחקר הדגל של פרויקט Y1000+מאמץ ענק בין-מוסדי לריצוף גנום שמרים ופנוטייפ אליו הצטרפה לבלה כחוקרת פוסט-דוקטורט באוניברסיטת ונדרבילט.
"שמרים הם פטריות חד-תאיות שממלאות תפקידים קריטיים בחיי היומיום שלנו. הם מייצרים לחם ובירה, משמשים לייצור תרופות, עלולים לגרום לזיהום, וכפי שקרובים קרובים לבעלי חיים עזרו לנו ללמוד כיצד הסרטן עובד", אמרה לבלה. "רצינו לדעת איך הפטריות הקטנות האלה התפתחו למגוון כל כך מדהים של פונקציות ותכונות. עם אפיון של למעלה מאלף שמרים, מצאנו ששמרים אינם מתאימים לפתגם 'ג'ון בכל המקצועות, אדון אין'".
ממצאי מחקר והשלכות
מחקר זה תורם להבנה בסיסית של האופן שבו החיידקים משתנים לאורך זמן תוך יצירת יותר מ-900 רצפי גנום חדשים לשמרים – שרבים מהם ניתנים למינוף בתחומים ביולוגיים כמו הדברה חקלאית, פיתוח תרופות וייצור דלק ביולוגי.
לבלה ושותפיה – באמצעות ניתוח של לימוד מכונה בעזרת בינה מלאכותית של מערך הנתונים של פרויקט Y1000+ הכולל 1,154 זנים של השמרים החד-תאיים העתיקים Saccaromycotina – ניסו לענות על שאלה חשובה. כלומר: מדוע חלק מהשמרים אוכלים (או עוברים חילוף חומרים) רק כמה סוגי פחמן לאנרגיה בעוד שאחרים יכולים לאכול יותר מתריסר?
אביגיל לאוויט לבלה. קרדיט: UNC Charlotte
המספר הכולל של מקורות הפחמן המשמשים שמרים לאנרגיה ידועים במונחים אקולוגיים כרוחב נישה הפחמן שלו. בני אדם משתנים גם ברוחב נישת הפחמן שלהם – לדוגמה, אנשים מסוימים יכולים לבצע חילוף חומרים של לקטוז בעוד שאחרים לא יכולים.
מחקר ביולוגיה אבולוציונית תמך בשתי פרדיגמות-על מרכזיות לגבי רוחב נישה, התופעה שמסבירה מדוע חלק מאורגניזמי השמרים ("מומחים") מתפתחים כדי להיות מסוגלים לבצע חילוף חומרים רק מספר קטן של צורות פחמן כדלק בעוד שאחרים ("גנרליסטים") מתפתחים להיות. מסוגל לצרוך ולגדול על מגוון רחב של צורות פחמן. אחת מהפרדיגמות הללו ממחישה שלהיות כלליסט יש פשרות מסוימות בהשוואה להיותו מומחה. יש לציין שבמקרה האחרון, היכולת לעבד מגוון רחב של צורות פחמן באה על חשבון היכולת של השמרים לעבד ולגדול על כל צורת פחמן ביעילות. השני הוא שמומחי השמרים והגנרליסטים הללו מתפתחים כדי להתאים לכל אחד מהפרופילים בשל ההשפעות המשולבות של תכונות פנימיות שונות של הגנום בהתאמה שלהם והשפעות חיצוניות שונות המבוססות על הסביבות השונות שבהן קיימים אורגניזמים של שמרים.
מאתגר פרדיגמות קיימות
לבלה ועמיתיה מצאו ראיות רבות התומכות ברעיון שיש הבדלים גנטיים ניתנים לזיהוי בין מומחי שמרים לעומת גנרליסטים, במיוחד שלגנרליסטים נוטים להיות מספר כולל גדול יותר של גנים מאשר מומחים. לדוגמה, הם גילו שלגנרליסטים יש סיכוי גבוה יותר להיות מסוגלים לסנתז קרניטין, מולקולה המעורבת בייצור אנרגיה ולעתים קרובות נמכרת כתוסף פעילות גופנית.
אך באופן בלתי צפוי, המחקר שלהם מצא ראיות מוגבלות מאוד לפשרה האבולוציונית הצפויה של יכולתם של שמרים לעבד צורות רבות של פחמן באות על חשבון יכולתו לעשות זאת ביעילות ולגדול בהתאם, ולהיפך.
"ראינו שהשמרים שיכולים לגדול על הרבה מצעי פחמן הם למעשה מגדלים טובים מאוד", אמרה לבלה. "זה היה ממצא מאוד מפתיע עבורנו."
בעוד שלממצאי הניסוי הספציפי הזה ומנגנוני למידת המכונה החדשניים המשמשים בניתוח שלו עשויות להיות השלכות גדולות על ביואינפורמטיקה, אקולוגיה, מטבוליקה וביולוגיה אבולוציונית, פרסום המחקר הזה אומר שהאוסף העצום של פרויקט Y1000+ של נתוני שמרים נמצא כעת זמין עבור חוקרים ברחבי העולם לשימוש כנקודת התחלה להגברת מחקר השמרים שלהם.
"מערך הנתונים הזה יהווה משאב עצום בעתיד", אמרה לבלה.
