Aleksei Aksimentiev يجعل الدواء شخصيًا مع أجهزة الكمبيوتر العملاقة

يقوم ألكسي أكسيمنتييف بتطوير طريقة غير مكلفة لتسلسل الحمض النووي للشخص. بمعنى آخر ، يتعلم هذا الفيزيائي الحسابي من جامعة إلينوي كيفية تحديد الترتيب الدقيق للقواعد (A ، T ، G ، C) التي منها DNA - جزيء الحلزون المزدوج الشهير الذي ينقل الخصائص الوراثية من كل من الوالدين إلى كل الطفل - يتكون. إنه يستخدم بعضًا من أسرع أجهزة الكمبيوتر في العالم ، مثل جهاز Ranger الذي يعمل بنظام AMD Opteron في مركز Texas Advanced Computing Center. هدفه هو خلق ما يسمى الطب الشخصي. تحدث الدكتور أكسيمنتييف مع خورخي سالازار من EarthSky.

تعطينا تناولك للطب الشخصي وكيف يحدث عملك مع أجهزة الكمبيوتر العملاقة فرقًا في تقدم العلوم.

الهدف من الطب الشخصي هو جعل الإجراءات الطبية أكثر فاعلية عن طريق تكييفها مع التركيب الوراثي والكيميائي الحيوي للأفراد.

كما تعلمون ، فإن جميع البشر مختلفون بعض الشيء جزئيًا بسبب البرنامج المكتوب في الحمض النووي الخاص بنا. لذلك ، فإن اكتشاف ما هو مكتوب في الحمض النووي الخاص بي ، وحمض النووي ، هو الخطوة الأولى نحو جعل الطب الشخصي حقيقة واقعة. هنا في جامعة إلينوي ، نستخدم أجهزة الكمبيوتر العملاقة لاكتشاف طرق جديدة لتسلسل الحمض النووي لجعل هذا الإجراء أسرع وأقل تكلفة حتى يمكن استخدامه كإجراء طبي روتيني.

ما هو التسلسل ، ولماذا هذا مهم في فهم الحمض النووي؟

الحمض النووي جزيء طويل جدا. يمكنك التفكير في الأمر على أنها كلمة طويلة جدًا مكونة من أربعة أحرف فقط ، A و C و G و T.

والتسلسل هو تحديد التسلسل الدقيق لهذه الحروف في هذه الكلمة الطويلة جدا. إنها ضرورية لأننا نرغب في معرفة سبب إصابة بعض الأشخاص بالمرض وبعض الأشخاص لا يفعلون ذلك - لماذا تعمل بعض الأدوية مع بعض الأشخاص بينما لا تعمل بعض الأدوية. إن فهم التسلسل الجيني يعطينا صورة أكثر عمومية عن سبب اختلافنا إلى حد ما.

من الضروري تحديد طريقة لتحديد التسلسل بسعر رخيص لأنه إجراء مكلف للغاية الآن.

هل تعطينا بعض الأرقام هنا؟

هذه قصة مثيرة للغاية لأنه منذ 10 سنوات مضت ، كانت تكاليف تسلسل الجينوم الشخصي فلكية. كان مليار دولار [لتسلسل الحمض النووي للشخص]. قبل خمس سنوات ، كان عشرة ملايين دولار. تكاليف التسلسل الحالية حوالي خمسين ألف دولار.

أخبرنا عن مشروعك لإنشاء آلات لتسلسل الجينوم الشخصي والتي ستكون أقل تكلفة وأكثر سهولة في الوصول إلى المستشفيات. كيف يعمل هذا كله؟

الفكرة الأساسية هي أننا نأخذ جزيء الحمض النووي ونخيطه من خلال مسام صغير جدًا - نانوبوري - في غشاء رقيق جدًا.

انقر هنا لعرض التوضيح الفيديو. (يتطلب مشغل QuickTime ، متوفر هنا.)

وبما أن الجزيء يمر عبر هذا المسام ، فإننا نسجل الإشارات الكهربائية الناتجة عن تفاعلات الحمض النووي مع المسام النانوي. وبالتالي نسجل تسلسل الحمض النووي خارج الجزيء مباشرة.

ما هو nanopore ، وكيف هو قادر على قراءة هذه الرموز الحمض النووي؟

أولاً وقبل كل شيء ، يبلغ قطر النانومتر مسامًا واحدًا نانومترًا - يبلغ المليار من المتر - مع غشاء رقيق جدًا. فقط لإعطائك فكرة عن مدى رقة الغشاء ، فهو أرق بنحو 1000 مرة من الرقائق التي نستخدمها لف البقالة لدينا. ويبلغ قطر المسام نفسها حوالي 10،000 مرة عن شعر الإنسان.

الآن ، هذا الحجم يشبه حجم الحمض النووي للشخص. لذلك ، عندما يقتصر الحمض النووي على هذا المسام ، فأنت بالفعل توطين جزء ضئيل للغاية من الحمض النووي ، فقط عدد قليل من الحروف.

إذن ، هذه الجسيمات النانوية ثقوب صغيرة ، صغيرة بشكل لا يصدق مثل مسام جلدنا ، والحواسيب قادرة على إنشاء محاكاة واقعية للحمض النووي تمر بالفعل بهذه الثقوب الصغيرة؟

هذا صحيح. يمكننا محاكاة التفصيل الذري لعملية نقل الحمض النووي من خلال هذه المسام نانومتر. ويمكننا مقارنة نتائج المحاكاة مباشرة بالتجارب ، مما يمنحنا الثقة بأن نموذجنا الحسابي صحيح.

كيف هذه التكنولوجيا تغيير الدواء؟ كيف تحسن صحة الناس ورفاههم؟

بادئ ذي بدء ، إنها حقا أداة تشخيصية نهائية لتحديد جميع أنواع الاضطرابات الوراثية. ثانياً ، سيكون من الأهمية بمكان تطوير علاجات للسرطان. ذلك لأن السرطان مرض الحمض النووي ، كما تعلمون. والطريقة الأكثر مباشرة لمعرفة نوع السرطان - وربما معرفة الأدوية التي قد تؤثر على السرطان - هي تسلسل الجينوم.

هل تعطينا مثالاً على كيفية استخدام الطب الشخصي لمساعدة المريض من الرعاية الوقائية إلى التشخيص إلى العلاج؟

الفكرة الرئيسية هي أنه عندما يأتي المريض إلى المستشفى ، فإنه أو هي ستتبرع بالدم. وفي الوقت الحقيقي ، ربما خلال أقل من ساعة ، يمكن للطبيب الوصول إلى تسلسل الحمض النووي للمريض. عندها سيرى الطبيب الأمراض التي يمكن أن ترتبط بالتركيب الوراثي للفرد ويصف الأدوية الأكثر فعالية.

في أي مرحلة يتم البحث الآن؟

هذا سؤال جيد جدا. يجب أن أقول أنه لا يزال قيد البحث الأساسي. تمكن الباحثون من التسلسل ، حتى الآن ، فقط شظايا قصيرة جدا من الحمض النووي. ولكن ، من المتصور أنه خلال فترة عامين قد نشهد مظاهرة تجريبية لتسلسل الحمض النووي باستخدام نانوبوريس.

وبعد ذلك ، قد يستغرق الأمر عامين آخرين قبل أن يتوفر أول جهاز تجاري في السوق.

بعد ذلك ، يمكن أن تشق طريقها إلى مستشفى قريب منك. لكن هذا يعتمد حقًا على قوى السوق ، وقانون براءات الاختراع ، والعوامل الأخرى التي تتجاوز العلم.

لكن الحواسيب العملاقة تسمح لنا بتطوير تقنيات جديدة لتحسين صحة الإنسان ، أحدها الطب الشخصي. شيء واحد عن الطب الشخصي الذي أود حقاً أن أقوله هو أنه سيأتي .

ما هو التأثير العام الذي تعتقد أن الحواسيب العملاقة تقوم به في فهم علم الوراثة البشرية؟

تقدم أجهزة الكمبيوتر العملاقة - والطريقة التي تطورت بها خلال السنوات العشر الماضية - منظوراً جديداً بالكامل. تتيح الحواسب العملاقة لنا أن نفهم الآلية المعقدة للخلية البيولوجية.

لذا في مجال الفيزياء البيولوجية ، فإن السؤال الأكبر هو ، حقاً ، ما هي الحياة؟ كيف تصبح مجموعة البروتينات والماء والملح والدهون التي تشكل خلايانا حية؟

وهناك عدة طرق يحاول الناس من خلالها معالجة هذا السؤال. يرغب البعض تجريبياً في دمج وصنع خلية اصطناعية من خلال تجميع مركبات مختلفة. وكان الآخرون يأخذون خلية حية ويقطعون الجينوم لعمل خلية صغيرة.

أعتقد أن الإجابة ستأتي أيضًا من قدرتنا على محاكاة خلية في جهاز كمبيوتر. ثم يمكننا حقا تحديد ما هي الحياة وما هو ليس كذلك.

ما مدى قربك من قدرة العلماء على القيام بذلك؟

ما زلنا بعيدين عن ذلك. تقديري هو أن أقرب وقت سيكون في 10 سنوات على الأقل - ربما 20 سنة - من الآن. لكن تطوير الكمبيوتر قد فاق بالفعل توقعاتي وتوقعات الجميع.

برعاية Advanced Micro Devices. AMD - تمكين مستقبل مستدام.