Uncovering Genome Mysteries (Concluso)
Dalla realizzazione che il fungo della Penicillina uccide i germi, alla scoperta del batterio che si nutre dei versamenti di petrolio e all’identificazione dell’aspirina nella corteccia del salice, una conoscenza più approfondita del mondo naturale è risultata in grandi miglioramenti nella salute umana, nel benessere, nell'agricoltura e nell'industria. D'altra parte milioni di microrganismi si sono già adattati in miliardi di anni a vivere in qualsiasi condizione immaginabile, e capendo come riescono a fare ciò, potremmo forse usare la loro forza per aiutare il genere umano. Conosciamo già organismi con proprietà che potrebbero aiutare a risolvere alcuni dei più grandi problemi che la società umana sta fronteggiando, come patogeni resistenti ai farmaci, inquinamento e carenza di energia. Ve ne sono certamente molti altri, se solo potessimo trovarli. Quest’area di studi è ancora nella sua infanzia: la maggior parte degli organismi nella biosfera terrestre devono ancora essere identificati, per non parlare della conoscenza a livello genetico.
Il primo passo nella conoscenza dei potenziali di un organismo sconosciuto è di decodificare la sua sequenza di DNA. Questa sequenza rivela i geni dell’organismo: il comando specifico codificato nel DNA che controlla cosa ciascuna cellula fa e come da vita alla sua sorprendente diversità. Capire i geni e cosa essi fanno è cruciale per comprendere il ruolo dell’organismo nell’ambiente, così come per lo sviluppo di una potenziale applicazione medica o industriale a partire dalle proteine che scopriamo essere enzimi nella cellula. Gli enzimi sono utilizzati per convertire il cibo in componenti utili, e costruire tutte le tipologie di molecole di cui la cellula ha bisogno per sopravvivere.
Grazie ai recenti progressi nella tecnologia di sequenziamento del DNA, è ora possibile decodificare il DNA degli organismi molto rapidamente, ed identificare i loro geni.. Tuttavia il passo successivo, capire la funzione di ciascun gene e la proteina che codifica, è molto più complicato, rendendo molto difficile procedere in larga scala.
Uncovering Genome Mysteries prevede di cambiare questo esaminando quasi 200 milioni di geni da una larga varietà di forme di vita, come microrganismi trovati nelle alghe delle coste australiane e nel fiume amazzonico. Le proteine previste nei geni saranno comparate tra di loro per verificare la loro somiglianza. Quando due proteine sono simili, e la funzione di una proteina è già nota, questa somiglianza permette ai ricercatori di fare previsioni accurate riguardo le funzioni dell’altra.
La quantità di lavoro necessario è imbarazzante. È fattibile esclusivamente grazie alla massiccia potenza computazionale di World Community Grid. Non appena le sequenze di ogni forma di vita saranno processate, i microrganismi riceveranno un’attenzione particolare.
Uncovering Genome Mysteries creerà e pubblicherà un database di informazioni sulla comparazione di sequenze proteiche per la referenza di tutti gli scienziati.
Una volta pubblicato, questi risultati dovrebbero aiutare i ricercatori nei seguenti compiti:
- Scoprire nuove funzioni delle proteine, ed aumentare la conoscenza riguardo i processi biochimici in generale;
- Identificare come gli organismi interagiscono tra di loro e con l’ambiente;
- Documentare l’attuale linea di fondo della diversità microbica, consentendo una miglior conoscenza di come i microrganismi cambiano quando sottoposti a stress ambientali, come il cambiamento climatico;
- Capire e modellare sistemi microbici complessi;
Inoltre, una miglior conoscenza di questi organismi e le loro proteine e enzimi sarà probabilmente utile per lo sviluppo di nuove medicine, accedere a nuove fonti di energia rinnovabili, migliorare la nutrizione, pulire l’ambiente, creare processi industriali verdi e molto altro ancora.
Dettagli
Il Problema
Viene spesso da pensare che il genere umano sia in uno stato conflittuale con il mondo naturale. Gli agenti patogeni stanno sviluppando resistenza a molti importanti antibiotici attuali, stiamo consumano molte risorse terrestri ad un ritmo insostenibile, mentre l’inquinamento dell’aria e dell’acqua minaccia la salute e il sostentamento di molte comunità umane.
Fortunatamente, stiamo iniziando a capire che la natura potrebbe avere già sviluppato soluzioni a molti di questi problemi, e queste sono nascoste al primo sguardo: nelle foreste, negli oceani e nel suolo. Ad esempio, lo studio di campioni esotici di terreno ed estratti di piante hanno rivelato sostanze con l’abilità di uccidere particolari tipi di batteri che causano malattie. Abbiamo trovato piante tropicali esotiche che si mostrano promettenti come efficienti e sostenibili sorgenti di energia. Dei microrganismi sono stati usati per pulire l’acqua in impianti di trattamento di liquame e perfino aiutare a consumare i versamenti di petrolio. Molte di queste scoperte sono state portate a termine attraverso tentativi ed errori dispendiosi di tempo. Se potessimo capire meglio il sorprendente raggio dei poteri della natura, potremmo essere capaci di accelerare lo sviluppo di tecnologie pratiche e soluzioni.
Un approccio di identificare i “superpoteri” nascosti della natura è quello di analizzare il profilo genetico di diversi organismi per aiutarci a capire come funzionano. Tradizionalmente questo è stato un processo estremamente costoso e dispendioso di tempo, ma in tempi recenti gli scienziati hanno sviluppato metodi più economici ed efficienti per decodificare il DNA. Il risultato è quello di un esplosione di dati genetici di animali, piante e particolari microrganismi. Una volta che il DNA è stato decodificato, i ricercatori devono condurre ulteriori studi per scoprire la funzione di ciascun gene e la sua proteina corrispondente. Ciascun gene specifica la sequenza dell’amminoacido da assemblare in una catena molecolare che poi è ripiegata in una molecola di proteina. Questa è anche conosciuta come sequenza proteica.
I geni e le loro proteine corrispondenti giocano ruoli importanti in molti processi vitali e, come risultato, sono spesso validi in medicina e in applicazioni industriali. Alcune proteine sono fabbriche chimiche, chiamate enzimi, che possono ridurre molecole in componenti più semplici o aiutare a costruire molecole più complesse. Altre proteine formano i mattoni da costruzione per tutti i tipi di strutture in piante e animali. Altre proteine ancora contribuiscono a controllare tutti i tipi di attività delle cellule in risposta a vari stimoli.
È chiaro che una grande quantità di conoscenze utili possono essere trovate conoscendo cosa fanno i geni sconosciuti e le loro proteine corrispondenti. Questa conoscenza può anche aiutare gli scienziati a risolvere molti dei problemi più gravi del mondo. Tuttavia, vi sono due importanti sfide per raggiungere questo risultato:
Per prima cosa, stiamo perdendo rapidamente molte sorgenti potenziali di DNA da diverse forme di vita. Questo perché molti acri di foresta vergine inesplorata e habitat acquatici stanno scomparendo a causa dello sviluppo umano, del cambiamento climatico e altri fattori. Stiamo perdendo delle ricche risorse naturali che nascondo una valida, ma ancora nascosta, soluzione ai problemi del mondo. Abbiamo bisogno di modi più rapidi ed efficienti per scoprire cosa la natura ha ancora da darci prima che sia troppo tardi .
In secondo luogo, se vogliamo cercare geni utili in organismi sconosciuti, il lavoro da fare è davvero enorme. Ciascun organismo potrebbe avere migliaia di geni, e potrebbero esserci decine di migliaia di organismi anche in un piccolo campione di acqua o di terreno. Se vogliamo sbloccare i poteri nascosti della natura, abbiamo bisogno di nuovi metodi per trattare con i “big data” dalle centinaia di milioni di geni che sono stati decodificati.
La soluzione proposta e la giustificazione
Uncovering Genome Mysteries si aspetta di esaminare quasi 200 milioni di geni da una larga varietà di forme di vita, come le alghe delle coste australiane e i microbi trovati in campioni dei fiumi amazzonici. Questi geni saranno comparati tra di loro per verificare la loro somiglianza. Quando due geni sono simili, e la funzione dell’altro gene è già nota, gli scienziati sono in grado di fare accurate previsioni riguardo la funzione dell’altro gene. Questo significa circa 20 milioni di miliardi (2x1016) di comparazioni. Il tempo computazionale totale stimato è equivalente a quello di un computer funzionante ininterrottamente per 40000 anni… non una piccola cosa, ma fattibile grazie alla potenza computazionale di World Community Grid. Non appena le sequenze di DNA di tutte le forme di vita saranno analizzate, i microrganismi riceveranno un’attenzione particolare.
Cosa sono i microrganismi, e perché studiarli?
Le moderne tecnologie di sequenziamento del DNA possono ora determinare rapidamente milioni di sequenze di DNA a costi ragionevoli. Le nuove tecnologie hanno fatto importanti passi avanti per aumentare questa capacità di diversi ordini di grandezza. Questo consentirà ai ricercatori di determinare tutte le sequenze di DNA nascoste nel mondo microbico sconosciuto. Essi lo hanno già fatto per diversi organismi unicellulari e pluricellulari, animali, piante e individui umani per molti scopi medici e industriali negli ultimi anni. Fin dagli anni Novanta, l’analisi del genoma si è concentrata nello studio di tre tipologie di organismi: “organismi modello” in biologia, poiché sono stati studiati per decenni nei laboratori (come Escherita Coli, lieviti, elminto e topi); importanti patogeni di uomini, animali e pianti (come il batterio che causa tubercolosi e lebbra, o patogeni delle coltivazioni) e, finalmente, organismi rappresentativi dell’albero della vita. In decenni più recenti, molti scienziati in tutto il mondo hanno cominciato a sequenziare a analizzare dati di metagenoma da molti altri biomi, arricchendo la nostra conoscenza riguardo la biodiversità nell’aria, sulla terra e nel mare, dall’artico alle foreste tropicali. Da questo lavoro, sta emergendo un disegno davvero complesso della diversità degli organismi viventi sul nostro pianeta.
Lo scoraggiante compito di interpretare questo enorme ed esponenzialmente crescente quantitativo di dati di sequenze di DNA (“big data”) non è banale. Le informazioni delle sequenze di DNA hanno solo un utilità e un significato se possono essere decodificate e interpretate comparandole con sequenze di altri geni con funzioni conosciute e non, un processo chiamato “annotazione del genoma”, mappando le variazioni. Questo processo di decodificazione e annotazione richiede un grande quantitativo di potenza computazionale, e al momento è il principale collo di bottiglia nel dare senso al genoma che è già stato sequenziato.
Il progetto mira ad utilizzare la potenza computazionale di World Community Grid per dare significato biologico ai dati disponibili dal sequenziamento dei geni disponibili per microrganismi e altre forme di vita. Questo sarà fatto sia al livello della comparazione tra genomi microbici individuali così come al livello di informazioni genetiche dell’intera comunità microbica dell’ambiente (metagenoma). Decodificare i genomi e i metagenomi fornirà nuove informazioni sulla diversità e sul ruolo funzionale che i microrganismi giocano nell’ambiente. La comparazione di queste informazioni con dati funzionali conosciuti di altri organismi già studiati nel dettaglio sarà cruciale per l’interpretazione e il commento dei codici di DNA.
Obiettivi del progetto
Gli obiettivi specifici del progetto sono:
- Creare un database di informazioni sulla comparazione di sequenze proteiche, basate sul DNA rilevato da diverse sorgenti, per la referenza di tutti gli scienziati;
- Scoprire nuovi funzioni dei geni, aumentare la nostra conoscenza riguardo i processi biochimici in generale;
- Scoprire come gli organismi interagiscono tra di loro e con l’ambiente;
- Documentare l’attuale lineabase della diversità microbica, permettendoci di capire come i microrganismi cambiano sotto stress ambientali, come il cambiamento climatico.
- Capire meglio e modellare il complesso sistema microbico.
Mentre il risultato computazionale del progetto è solo ai primi passi nel raggiungimento di questi obiettivi, questo sarà definitivamente utile in molti modi. Per esempio, le conoscenze risultanti possono aiutare ad identificare, progettare e produrre nuovi antibiotici e farmaci contro patologie croniche, così come nuovi enzimi per applicazioni industriali, come produzione del cibo, sintesi chimica o produzione di plastiche ecologiche o biocarburanti. Nel lungo termine questa conoscenza può aiutarci a gestire le funzioni importanti dei diversi organismi nell’ecosistema mondiale, in tutti gli ambienti: in contesti industriali, e nelle interazioni tra uomini, animali e piante.
Domande frequenti
Cosa farà questo progetto?
Il progetto comparerà circa 200 milioni di proteine codificati dai geni un una larga varietà di organismi conosciuti e sconosciuti. Questi geni provengono da organismi presenti in campioni prelevati da una varietà di ambienti, compresi acqua e terreno, così come su piante e animali. Il DNA di tutti gli organismi in questi campioni (il metagenoma) è stato estratto e analizzato per identificare i geni che codificano le proteine, la maggior parte delle quali che sono enzimi. Uncovering Genome Mysteries comparerà le proteine codificate da questi geni con altre, sia individualmente che a gruppi, per identificare somiglianze genetiche. Alcune somiglianze possono rilevare le funzioni di questi organismi in diversi processi naturali. I ricercatori possono utilizzare questa conoscenza per escogitare soluzioni per risolvere importanti problemi ambientali, medici ed industriali.
Perché la comparazione dei geni è importante?
Grazie ai recenti sviluppi nella tecnologia di sequenziamento del DNA, vi è ora un largo quantitativo di informazioni genetiche disponibili per una vasta varietà di organismi, e altri vengono decodificati ogni giorno. Molti di questi organismi, in particolare microrganismi, non sono mai stati studiati nel dettaglio prima d’ora. Pertanto sappiamo poco su quello che possono fare, e come interagiscono con l’ambiente. Tuttavia, è probabile che molti geni degli organismi sconosciuti sono simili con i geni di organismi di cui conosciamo di più. Quando vengono trovate delle somiglianze, i ricercatori ottengono un punto di partenza per la comprensione di organismi precedentemente sconosciuti.
Quale sarà il risultato del progetto?
I ricercatori pubblicheranno un database ad accesso libero delle comparazioni delle sequenze proteiche elaborate su World Community Grid.
Ci aspettiamo che queste informazioni aiuteranno gli scienziati a scoprire nuove funzioni enzimatiche, scoprire come gli organismi interagiscono tra di loro e con l’ambiente, documentare l’attuale diversità microbica, e capire meglio il complesso modello dei sistemi microbici.
Quali benefici si aspettano da questo progetto?
Vi sono due aree principali in cui si aspetta che questa ricerca abbia un effetto benefico: ricerca scientifica attuale, e future tecnologie.
Sul lato della ricerca, il risultato dovrebbe aiutare a migliorare la conoscenza scientifica riguardo le funzioni di geni e proteine e processi biochimici in generale, così come aiutare gli scienziati a capire come le comunità microbiche stanno cambiando in risposta alle condizioni mutevoli del mondo naturale.
Vi sono anche diversi modi eccitanti in cui questa conoscenza può aiutare a risolvere i problemi del mondo. Ad esempio, nuove conoscenze riguardo gli organismi dovrebbe aiutare ad identificare, progettare e produrre nuovi antibiotici e farmaci contro le patologie, così come nuovi enzimi per applicazioni industriali, come produzione del cibo, sintesi chimica o produzione di plastiche biodegradabili o biocarburanti. Nel lungo termine, questa conoscenza dovrebbe aiutarci a gestire le funzioni dei diversi organismi nell’ecosistema mondiale.
Cos’è il DNA?
DNA significa acido deossiribonucleico. I filamenti di DNA sono molecole che fungono da stampo per ogni cosa vivente. Una singola molecola di DNA consiste in un filamento ad elica (di forma arrotolata) o una catena, consistente di quattro lettere chimiche, che formano frasi (geni) e il codice genetico. Queste lettere sono A, C, T e G e stanno per i quattro tipi di composti (adenina, citosina, timina e guanina), che sono assemblati per formare le molecole di DNA.
Cosa sono i geni?
I geni sono “frasi di DNA” che codificano le proteine. Specifiche sequenze di tre lettere di DNA sono ciascuna codificata in uno specifico amminoacido. Catene di amminoacidi formano proteine, alcune delle quali contribuiscono alla struttura di una cellula (come microrganismi), mentre altre funzionano da enzimi.
Cosa sono le proteine?
Una proteina è una catena di amminoacidi che si piega in una struttura particolare necessaria per la funzione di quella proteina. La catena può essere composta da fino a 20 differenti tipi di amminoacidi, e i tipi e l’ordine degli amminoacidi è codificata nella sequenza di geni (il codice genetico). La sequenza degli amminoacidi è anche conosciuta come “sequenza proteica” perché vi sono multiple sequenze di geni che possono specificare la stessa sequenza proteica. Una cellula è formata da migliaia di proteine (insieme a molecole grasse chiamate lipidi, zuccheri e altre sostanze) che possono avere una funzione strutturale o un’attività enzimatica. Gli enzimi sono proteine che aiutano a rompere altre molecole o costruirne di nuove. Diversi enzimi possono lavorare insieme per convertire molecole in altri mattoni chimici per la cellula (ad esempio, zuccheri in lipidi) o estrarre energia dagli zuccheri.
Cosa sono gli enzimi?
Gli enzimi sono proteine che convertono sostanze o fungono da catalizzatori. Alcuni enzimi nelle piante, ad esempio, possono aiutare l’assorbimento delle molecole di anidride carbonica e incorporarle nelle altre molecole cellulari.
Cos’è il sequenziamento del DNA?
Il sequenziamento del DNA è una tecnologia per determinare la sequenza delle quattro lettere (A, C, T, G) che codificano i geni, analizzando chimicamente le molecole di DNA.
Come si capisce la funzione di un organismo da una sequenza di DNA?
Per prima cosa convertiamo la sequenza di DNA in una sequenza di amminoacidi. Questa sequenza poi definisce le proprietà di una proteina. Comparando la sequenza di amminoacidi con un’altra sequenza nota presente nei database, possiamo utilizzare le informazioni riguardanti proteine precedentemente studiate per prevedere la funzione della nuova proteina che si sta studiando. Se conosciamo le funzioni di tutte le proteine codificate nel genoma, possiamo definitivamente capire come una cellula o un microrganismo funziona.
Che differenza c’è tra un genoma e un metagenoma?
Un genoma consiste in tutto il codice genetico di un singolo organismo, mentre un metagenoma descrive tutti i geni e gli elementi codificati in un gruppo o in una comunità di organismi, ad esempio tutti gli organismi compresi in un campione di suolo o di oceano.
Cosa sono i microrganismi?
I microrganismi sono microscopiche forme di vita, in maggioranza unicellulari, e includono batteri, archaea, protozoi, lieviti e alghe microscopiche. I membri di questi diversi gruppi sono presenti in praticamente tutti gli ambienti della terra: nell’aria, nell’acqua, nella terra, nelle rocce, e anche quando le condizioni sono decisamente difficili, come nell’oceano profondo o in ambienti polari. Essi giocano un ruolo cruciale nel mantenimento di tutti i sistemi ecologici e interagiscono a stretto contatto l’uno con l’altro e con altre forme di vita. Sono presenti all’interno e intorno di altri sistemi viventi, come piante, animali ed esseri umani.
Perché i microrganismi sono importanti?
I microrganismi rappresentano il grande ignoto, e la sotto apprezzata maggioranza di vita del nostro pianeta. Essi sono ovunque nell’ambiente e in organismi più grandi e complessi. Sono importanti per una grandissima varietà di processi naturali, che includono la salute umana, l’agricoltura e la produzione di cibo. Per praticamente ogni tipo di molecola organica, vi sarà un microrganismo che ha sviluppato la capacità di decomporla, modificarla o costituirla.
Perché è importante capire la funzione dei microrganismi?
Senza un funzionamento appropriato dei microrganismi la salute del nostro pianeta si deteriorerebbe rapidamente e organismi superiori, inclusi gli esseri umani, cesserebbero di esistere. Nonostante la loro importanza per la salute del nostro pianeta, sappiamo poco riguardo la diversità e la funzione dei microrganismi nell’ambiente. I microrganismi ospitano anche nuove e inaspettate funzioni, che possono essere impiegate per processi biotecnologici, come la produzione di cibo o di farmaci.
Cosa mostra la grafica del progetto?
La grafica mostra una porzione di coppie di sequenze proteiche, che sono state comparate sul tuo computer o dispositivo nella forma di “codice-lettera”. Le lettere (A, R, N, D, C, E, Q, G, H, I, L, K, M, F, P, S, T, W, Y, V) rappresentano i venti tipi di amminoacidi che sono assemblati in una catena per formare la proteina. Le lettere uguali nelle due sequenze di proteine sono evidenziate. Quando due sequenze corrispondono, significa che l’organismo sconosciuto produce una proteina che è simile ad una proteina meglio conosciuta. Questo può indicare che le due proteine hanno una funzione simile, e dare agli scienziati un punto di partenza nel comprendere l’organismo sconosciuto.
Cosa mostra la barra progressiva?
La barra mostra approssimativamente quanto manca al tuo dispositivo per calcolare il lavoro attuale. Essa mostra quante proteine sono state comparate rispetto a una serie di altre proteine. Quando il tuo dispositivo ha completato il lavoro e l’indicatore raggiunge il limite destro della barra, l’elaborazione è completata e il risultato sarà poi spedito a World Community Grid prima di essere pacchettizato e mandato indietro alla squadra di ricercatori.