Ahli bioteknologi sedang mengembangkan algoritme untuk membandingkan sel antar spesies – dengan hasil yang mengejutkan

Para peneliti telah membuat algoritme untuk mengidentifikasi jenis sel serupa dari spesies – termasuk ikan, tikus, cacing pipih, dan spons – yang telah menyimpang selama ratusan juta tahun, dan itu dapat membantu menjembatani kesenjangan dalam pemahaman kita tentang evolusi.

Sel adalah bahan penyusun kehidupan, dan mereka hadir di setiap makhluk hidup. Tapi menurut Anda seberapa mirip sel Anda dengan tikus? Ikan? cacing?

Membandingkan tipe sel dalam tipe berbeda di seluruh pohon kehidupan dapat membantu ahli biologi memahami bagaimana tipe sel berasal dan bagaimana mereka beradaptasi dengan kebutuhan fungsional berbagai bentuk kehidupan. Hal ini telah menjadi subjek yang semakin menarik minat para ahli biologi evolusi dalam beberapa tahun terakhir karena teknologi baru sekarang memungkinkan pengurutan dan identifikasi semua sel di semua makhluk hidup. “Pada dasarnya ada gelombang dalam komunitas ilmiah untuk mengklasifikasikan semua jenis sel dalam berbagai organisme yang berbeda,” jelas Bo Wang, asisten profesor bioteknologi di Universitas Stanford.

Menanggapi peluang ini, lab Wang mengembangkan algoritme untuk menghubungkan jenis sel serupa melintasi jarak evolusioner. Metode mereka, dirinci dalam makalah yang diterbitkan pada 4 Mei 2021, di eLife, Dirancang untuk membandingkan tipe sel dalam tipe yang berbeda.

Dalam penelitian mereka, tim menggunakan tujuh jenis untuk membandingkan 21 pasangan berbeda dan mampu mengidentifikasi jenis sel yang ditemukan di semua spesies beserta persamaan dan perbedaannya.

Bandingkan jenis sel

Menurut Alexander Tarashansky, seorang mahasiswa pascasarjana di bidang bioteknologi yang bekerja di lab Wang, ide untuk membuat algoritme muncul ketika suatu hari Wang memasuki lab dan bertanya apakah dia dapat menganalisis set data tipe sel dari dua jenis worm yang berbeda. studi laboratorium dilakukan. Waktu yang sama.

“Saya kagum pada betapa jelas perbedaan di antara mereka,” kata Tarashansky, yang merupakan penulis utama makalah dan rekan lintas disiplin di Stanford Bio-X. Kami pikir mereka harus memiliki jenis sel yang serupa, tetapi ketika kami mencoba menganalisisnya menggunakan standar teknik, metode tidak mengenalinya karena Mereka sama. “

Dia bertanya-tanya apakah itu masalah dengan teknologi atau apakah tipe sel terlalu berbeda untuk dicocokkan antar spesies. Kemudian Tarashansky mulai mengerjakan algoritme untuk mencocokkan jenis sel dengan lebih baik di seluruh spesies.

“Misalkan saya ingin membandingkan spons dengan manusia,” kata Tarashansky. “Tidak begitu jelas gen spons mana yang sesuai dengan gen manusia mana pun karena dengan evolusi organisme, gen tersebut berkembang biak dan berubah dan berulang lagi. Sekarang Anda memiliki satu gen dalam spons yang mungkin terkait dengan banyak gen pada manusia. “

Alih-alih mencoba menemukan pencocokan genetik satu-ke-satu seperti metode pencocokan data sebelumnya, metode pemetaan para peneliti mencocokkan satu gen dalam spons dengan semua kemungkinan gen manusia yang sesuai. Kemudian algoritma melanjutkan untuk melihat mana yang benar.

Tarashansky mengatakan mencoba menemukan hanya pasangan gen individu telah membatasi para ilmuwan yang telah mencari peta jenis sel di masa lalu. “Saya pikir inovasi utama di sini adalah kami memperhitungkan fitur-fitur yang telah berubah selama ratusan juta tahun evolusi untuk perbandingan yang lebih luas.”

“Bagaimana kita bisa menggunakan gen yang terus berkembang untuk mengenali jenis sel yang sama yang juga terus berubah pada spesies yang berbeda?” Kata Wang, penulis pertama makalah itu. “Evolusi telah dipahami dengan menggunakan gen dan sifat organik, saya pikir kita sekarang berada di titik balik yang menarik untuk menjembatani skala dengan melihat bagaimana sel berevolusi.”

Isi pohon kehidupan

Dengan menggunakan pendekatan pemetaan, tim tersebut menemukan sejumlah gen yang dilestarikan dan famili jenis sel di seluruh spesies.

Tarashansky mengatakan puncak dari penelitian ini adalah ketika mereka membandingkan sel punca antara dua cacing yang sangat berbeda.

“Fakta bahwa kami menemukan kecocokan satu-satu dalam kelompok sel induk benar-benar menarik,” katanya. “Saya pikir pada dasarnya ini telah membuka banyak informasi baru dan menarik tentang bagaimana sel induk muncul di dalam cacing pipih parasit yang menginfeksi ratusan juta orang di seluruh dunia.”

Hasil pemetaan tim juga menunjukkan bahwa terdapat perlindungan yang kuat dari neuron dan sifat sel otot dari spesies hewan yang sangat sederhana, seperti spons, hingga mamalia yang lebih kompleks seperti tikus dan manusia.

Wang berkata, “Ini benar-benar menunjukkan bahwa jenis sel ini muncul sangat awal dalam evolusi hewan.”

Sekarang tim telah membuat alat perbandingan sel, para peneliti dapat terus mengumpulkan data tentang berbagai spesies untuk dianalisis. Karena lebih banyak kumpulan data dari lebih banyak spesies dikumpulkan dan dibandingkan, ahli biologi akan dapat melacak jalur jenis sel dalam organisme yang berbeda dan kemampuan untuk mengenali jenis sel baru akan meningkat.

“Jika Anda hanya memiliki spons dan kemudian cacing dan kehilangan semua yang ada di antaranya,” kata Tarashansky, “sulit untuk mengetahui bagaimana jenis sel spons berevolusi atau bagaimana nenek moyang mereka berdiversifikasi menjadi spons dan cacing.” “Kami ingin mengisi sebanyak mungkin simpul di sepanjang pohon kehidupan sehingga kami dapat memfasilitasi jenis analisis evolusioner ini dan mentransfer pengetahuan lintas spesies.”

Referensi: “Memetakan Atlase Sel Tunggal Sepanjang Metazoa Mengungkapkan Evolusi Jenis Sel” Diposting oleh Alexander J. Tarashansky, Jacob M. Moser, Margarita Khariton, Penjiang Lee, Detlev Arendt, Stephen R. Kwake, Bo Wang, 4 Mei 2021, eLife.
DOI: 10.7554 / eLife.66747

Rekan penulis Stanford lainnya termasuk mahasiswa pascasarjana Margarita Khariton, Bingyang Lee, dan Stephen Kwik, profesor bioteknologi Lee Otterson dan profesor fisika terapan dan ketua bersama Chan Zuckerberg Biohub. Rekan penulis lainnya berasal dari Laboratorium Biologi Molekuler Eropa dan Universitas Heidelberg. Wang juga anggota Stanford Bio-X dan Wu Cai Institute of Neurosciences. Kwik adalah anggota Bio-X, Institut Kardiovaskular Stanford, Institut Kanker Stanford, dan Institut Ilmu Saraf Wu Tsai.

Penelitian ini didanai oleh Stanford Bio-X, Beckman Young Investigator Award dan National Institutes of Health. Wang dan Kwik akan melanjutkan pekerjaan ini sebagai bagian dari Neuro-Omics Initiative yang didanai oleh Wu Tsai Institute of Neuroscience.