הקהילות מיקרוביאלית בטבע מעבדה - ראיון

שמי אד דלונג, ואני פרופסור במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT). למעשה, יש לי מינוי כפול בהנדסה אזרחית וסביבתית ובהנדסה ביולוגית, מה שעשוי להיראות כשילוב לא שגרתי כיוון שאני פועל בשני תחומים שונים. אחד ההיבטים של המחקר שלנו עוסק בסביבה ובמיקרואורגניזמים באופן ספציפי – כיצד הם משפיעים על הסביבה וכיצד הסביבה משפיעה עליהם; זהו החלק האזרחי והסביבתי של התוכנית שלנו.

הדבר השני שאנו חוקרים קשור יותר להנדסה ביולוגית. מה גורם למיקרובים לפעול? כיצד הם בנויים?

כיצד החלקים השונים המרכיבים מיקרוב, מיקרובים או קהילות מיקרוביאליות פועלים יחד בסינרגיה? כך שסוג הברית הזה בין שני התחומים עובד באופן די טוב. הרקע הספציפי שלי הוא במיקרוביולוגיה כללית, בשילוב עם מעט אוקיינוגרפיה.

קיבלתי את התואר הראשון שלי בבקטריולוגיה ב-uc Davis, ואת הדוקטורט שלי קיבלתי ב-Scripps Institute of Oceanography. הדוקטורט שלי הוא למעשה בביולוגיה ימית, אם תאמינו לכך.

והנה אני כאן ב-MIT. איך זה קרה? תחום המיקרוביולוגיה השתנה במהירות רבה.

ואחת ההשפעות, מההשפעות הגדולות, על מה שאנו מבינים כיום על מיקרובים הייתה התקדמות טכנולוגית בתחום הגנומיקה. בדרך כלל, כאשר בוחנים מיקרובים תחת מיקרוסקופ, קשה מאוד לזהותם. קיימים צורות וגדלים שונים, אך הם אינם באמת מספקים מידע רב על זהות האורגניזם או על הפעילות שלו.

וכך בדרך כלל, מיקרוביולוגים היו מוגבלים למעשה לבחינת מיקרובים במעבדה, דבר שהיה רב עוצמה להפליא. זוהי מעין התפתחות של המיקרוביולוגיה הרפואית. כך ניתן לבודד מיקרוב מהסביבה, בדיוק כפי שניתן לבודד חומר כימי.

וברגע שיש בידיכם את המיקרואורגניזם הטהור הזה, את המין המיקרוביאלי הטהור, תוכלו ללמוד על הפנוטיפ שלו, על מאפייניו, על התכונות השונות המאפשרות לו לתפקד בסביבה, וכן הלאה. עם זאת, ישנן שתי בעיות בכך, בכל הנוגע להבנת העולם המיקרוביאלי במלואו. ואלו הן שמיקרואורגניזמים במעבדה לא תמיד מתנהגים באותו אופן שבו הם עשויים להתנהג בסביבה.

והבעיה השנייה, שהיא גדולה אף יותר, היא שמינים מיקרוביאליים, ברובם, קשים מאוד לביות. "גנבי המיקרובים" שיש לנו במעבדה מייצגים בדרך כלל אולי 0.1% ממה שקיים בטבע. לכן, ישנו מרכיב עצום של העולם המיקרוביאלי שפשוט לא הצלחנו לגדל במעבדה עדיין, ומכאן שאיננו מבינים אותו.

ועם זאת, הדבר מייצג את חלק הביו-מסה העצום בטבע. ישנן סיבות רבות לכך שזה חשוב, אך אחת העיקריות שבהן היא שמיקרובים הם המנועים, אם תרצו, של התמירות של אנרגיה וחומר בטבע.

לפיכך, שטפי של חומרים כגון גזי חממה ואנרגיה דרך מערכות אקולוגיות, שהם עצומים במידותיהם במונחים של חלק מהגזים הללו, מתווכים באופן מפוזר על ידי מינים מיקרוביאליים, למרות היותם קטנים מאוד. העוצמה של המספרים והטבע המפוזר של העולם המיקרוביאלי ברחבי כדור הארץ הם שאלו שמעבירים כמויות גדולות של מסה ואנרגיה.

וזוהי אחת הסיבות המשכנעות להבנת המיקרובים בסביבתם הטבעית, הבנתם בטבע. ובכן, ברגע שהגנומיקה עלתה על הבמה, הפך רצף גנומים מיקרוביאליים שלמים לקל יותר ויותר וזול יותר ויותר. וכמובן, הדבר החל להתרחש בערך באמצע שנות התשעים.

ברגע שזה התחיל לקרות, אנשים הבינו שניתן להשתמש באותן טכניקות כדי ללמוד על תכונות של גנומים, של מיקרובים בסביבה הטבעית, מבלי שיהיה צורך אפילו לבייבם. זהו מעין נ derivative של מחקרים מוקדמים יותר שנעשו על ידי Carl Woese ו-Norm Pace. באמצע שנות השמונים, Norm Pace הבין שניתן לזהות מיקרובים מבלי שיהיה צורך לגדל אותם.

הדרך שבה הדבר נעשה הייתה לגשת לכל תוואי מחיה מיקרוביאלי ולבודד ממנו ביומסה, ולאחר מכן להפיק ממנה DDNA או RNA, ומתוך חומצות גרעיניות אלו ניתן היה, למשל, לרצף מולקולות בעלות ערך טקסונומי כגון ribosomal RNAs. כך ניתן היה לקבל רשימה של ribosomal RNAs שונות.

הם דומים כמעט לברקודיים עבור סוגים טקסונומיים מסוימים. ובאמצעותם ניתן לזהות את סוגי המיקרובים בכל בית גידול ספציפי. המגבלה של גישה זו היא שכל מה שיש בידך הוא גן RN.

זה אומר לכם מי המיקרואורגניזם, אך זה לא אומר לכם בדיוק מה הוא עושה. כעת, עם יישום הגנומיקה, ניתן להתקדם צעד נוסף; ניתן לבודד חומצות גרעין כמעט מכל סביבת מחיה מיקרובית שניתן להעלות על הדעת, וזאת באמצעות מגוון טכניקות. ניתן לבודד מקטעי גנום גדולים, שהם חלק מהפרוטוקולים הניסיוניים שנגיש לכם היום.

לחלופין, ניתן לפרק את ה-DNA למקטעים קטנים ולבצע ריצוף שוטגאן (shotgun sequencing). הדרך הפשוטה ביותר להבין זאת היא שאתם מקבלים רשימת חלקים של הרכיבים של כל המיקרובים שהרכיבו את הקהילה הזו. וזוהי רשימת חלקים שמעולם לא הייתה לנו גישה אליה בעבר.

לכן, מתוך רשימת החלקים הזו, נוכל להסיק מהם המיקרובים שנמצאים שם, ומהן חלק מהפונקציות הפוטנציאליות שלהם. למעשה, מה שאנו עושים בסופו של דבר הוא לייצר היפותזות שנוכל לבחון לאחר מכן באמצעות אמצעים ביוכימיים, אמצעים פיזיולוגיים, או על ידי חזרה לסביבה ומעקב אחר גנים במרחב ובזמן.

כל התחום הזה שהתפתח, הממזג גנומיקה עם גישות אקולוגיות, מכונה כיום מטגנומיקה או גנומיקה סביבתית. כיום ניתן לראות שגישות מסוג זה מיושמות בסביבות מחיה שונות, בקרקעות, במסגרות חקלאיות ובאוקיינוס. אחד המחקרים הגדולים והראשונים מסוג זה נערך על ידי קרייג ונטר בים סרגסו, ובאופן חשוב לא פחות, גם מיקרוביום האדם.

רוב האנשים עשויים שלא להבין זאת, אך עם גוף האדם מזוהים תאים מיקרוביאליים רבים יותר מאשר תאים אנושיים. ישנם כ-10¹⁴ מיקרובים ורק 10¹³ מאיתנו. לכן, מה שאני אוהב לומר לפעמים הוא שאלוהים ודאי חש חשק בלתי רגיל למיקרובים, כיוון שיש מהם יותר מאשר מאיתנו.

אך מושגים אלו חשובים מאוד. חשבו עלינו. אנחנו אף פעם לא לבד.

תמיד יש עימנו קהילה מיקרוביאלית שבסבירות גבוהה ממלאת פונקציות שונות רבות. קיימות כיום ראיות לכך שבעובדה, בהפרעות מסוימות כמו השמנת יתר, לרכיב המיקרוביאלי עשויה להיות השפעה גדולה על הפנוטיפ האנושי ועל כמות האנרגיה שאנו מפיקים ממקורות המזון שלנו. לכן, אנו מערכת חיה המורכבת לא רק מאיתנו, אלא גם מהסימביוזה, אם תרצו, שאנו נושאים עימנו.

מה שגישות חדשות אלו המשתמשות בגנומיקה מאפשרות לנו לעשות, הוא להתחיל לנתח את אותם חלקים בעולם הביולוגי שלא יכולנו לבחון בעבר. ושם טמון כוחן. מה שקורה כעת בתחום הוא יותר מאשר רק איסוף של רשימת רכיבים, אלא הגעה למעשה לתפיסה של קיומה של דינמיקה ממשית.

בתחילה, כאשר החל רצף הגנומים, כמובן שרצף גנומי בודד, כישות יחידה, הגיע מהבנה שבידנו זן מטוהר של מיקרואורגניזם, שיש לו גנום, וניתן לקבוע, נניח, את 2 מיליון הבסיסים, זוגות הבסיסים המרכיבים את אותו גנום. וזה נראה כישות קבועה וסטטית מאוד. עם זאת, כאשר אנו בוחנים את הטבע, אנו מגלים שלמעשה כמעט ואין דבר כזה כזן בודד של מיקרואורגניזם.

כשבוחנים אוכלוסיות מיקרוביאליות טבעיות אלו, ניתן לראות שישנו מוטיב, מוטיב גנומי שסביבו נבנה המין, אם תרצו. אך בכל אוכלוסייה נתונה קיימים וריאנטים רבים מאוד, וריאציות רבות על אותו מוטיב, זנים רבים. ומה שמתחילים לראות הוא שגנומים אינם באמת ישויות סטטיות, אלא הם נמצאים בשינוי מתמיד.

הם דינמיים. ולמעשה, הם פועלים כך באוכלוסיות. לכן ניתן להבין שכאשר ישנם שינויים עדינים בסביבה, שעשויים להיות קשורים לחומרי הזנה, טמפרטורה או מליחות, חלק מהוריאנטים באוכלוסייה יכולים להגיב לשינוי סביבתי זה בצורה טובה יותר.

קיימת תזוזה מתמדת, אך גם הם, שוב, משתנים. לפיכך, וריאציה מסופקת באופן רציף על ידי סחף ניטרלי ולאחר מכן פועלת עליה הברירה. דבר זה מעניק נקודת מבט שונה, מבט דינמי יותר על מהם הגנומים.

וזה יותר, במקום תמונה סטטית של גנום, זה יותר כמו צפייה בסרט. ואחד הדברים העוצמתיים בחלק מהמחקרים החדשים הוא שאנחנו מתחילים לקבל את פרמי העצירה כדי להרכיב את הסרט על האופן שבו גנומים מתפתחים, ומה המשמעות של כך ביחס לפנוטיפ של האורגניזם, לתגובתו לסביבה ולהשפעתו על הסביבה גם כן. לכן, זה באמת מרגש למדי, מכיוון שזהו תחום חדש עבור מיקרוביולוגיה; גנטיקה של אוכלוסיות, למרות שניתן היה לחשוב שהיא מפותחת היטב במיקרוביולוגיה, למעשה אינה כזו, כיוון שלא הייתה לנו באמת דרך ללמוד את הגנטיקה של אוכלוסיות מיקרוביאליות טבעיות באופן מפורט מאוד.

ובנוסף, זהו מרכיב נוסף מסוג זה של מחקר, שכעת אנו יכולים להעמיק בגנטיקה של אוכלוסיות ובגנומיקה של אוכלוסיות כדי לצפות ב"סרט" של התהליכים. וזוהי יכולת עוצמתית מאוד, ויש לה השלכות מעשיות רבות על ההבנה שלנו לגבי האופן שבו מיקרואורגניזמים רוכשים תפקודים, וכיצד תפקודים ותכונות מופצים בקהילות. אחד הדברים המפתיעים עבורנו הוא שזה משנה מעט את התפיסה לגבי האופן שבו תכונות פנוטיפיות ותכונות תפקודיות עשויות לעבור בין מיקרואורגניזמים; בביולוגיה של אורגניזמים מיניים, כמובן, אנו רגילים לחשוב על תכונות המועברות מאם לבת וכן הלאה.

וכך תכונות ביולוגיות מועברות באמצעות סוג כזה של העברה תורשתית גנטית. עם זאת, לעולם המיקרוביאלי יש דינמיקה שונה, ואנו מתחילים לראות זאת בחלק מהסקרים המטגנומיים, הנוגעים למה שנקרא העברה אופקית, שבה גנים או פלסמידים שלמים מועברים בין אורגניזמים שונים מאוד בתהליך של העברת DNA; ואם DNA זה מתבטא באורגניזם המקבל ובעל ערך ברירה חיובי, הוא יכול להתחיל להתפשט בקרב אורגניזמים שונים רבים. לאחרונה ראינו זאת באמצעות סוגי הטכניקות שאנו בוחנים במעבדה; האופן שבו זה עובד הוא שאנו מסוגלים לבודד מקטעי גנום גדולים מאוד מאוכלוסיות מיקרוביאליות.

ואנו עושים זאת בנקודות שונות של זמן ומרחב. במקרה זה, הצלחנו לבודד חלקים נרחבים של גנומים לאורך מדרג אנרגיה, מדרג האור החודר לאוקיינוס. זהו מדרג מוגדר היטב באזורים שאנו חוקרים באוקיינוס הפתוח.

האזור הפוטי (pho zone) הוא למעשה עמוק למדי. הוא משתרע עד לעומק של 200 מטרים מתחת לפני海 הים. ואולם, האנרגיה משתנה כמובן באיכותה ובכמותה.

ככל שהאור נחלש, הוא הופך לכחול יותר ככל שיורדים לעומק, כך שרק טווח צר יותר של אורכי גל זמין לאורגניזמים החיים בעומק. כמו כן, גם אנרגיית האור פוחתת. לכן, ניתן להתחיל לבחון כיצד אורגניזמים המשתמשים באור עשויים להסתגל ולהשתנות לאורך פונקציה זו של מדרג האנרגיה, איכות האור השונה וכמותו.

הדבר המעניין הוא שניתן לעקוב אחר גנים מסוימים ואחר סוגי המיקרואורגניזמים הקשורים אליהם לאורך מדרגי אור אלו. ובקיצור, מה שמצאנו הוא שגנים מסוימים המעורבים בבצירה של אנרגיית אור, הנקראים rodopsins, הם כל כך קלים לביטוי ודורשים כל כך מעט גנים כדי להרכיב את מערכת הפוטו-קולט, שהם "הקפיצו" את עצמם בין סוגים שונים של מיקרובים.

והסיבה שניתן לומר זאת היא שבודדנו מקטעי גנום מקבוצות ידועות ושונות מאוד, השונות עד כדי הבדלים בין חיידקים ל-Archaea. ומצאנו את אותה מערכת פוטוסינתזה בעלת תכונות כמעט זהות. לכן ניתן לעקוב אחר חלקים אלו של גנים פונקציונליים בעודם נעים בין אורגניזמים בסביבה.

אין מדובר רק במיפוי גנים באורגניזמים, אלא גם במיפוי הגנים הללו לאורך המדרג הסביבתי. לכן, הדבר הנוסף שאנו מבחינים בו בבחינת מקטעי הגנום הגדולים הללו, המכילים את מערכות הפוטוסינתזה הללו, הוא שהם נפוצים למדי באזור הפוטי (photo zone) מעומקים של כ-0 מטרים ועד 130 מטרים. אך כאשר מגיעים לבסיס האזור הפוטי ומיד מתחתיו, הגנים הללו נעלמים.

הם נעלמו למרות שאותם אורגניזמים קיימים במעמקים רבים יותר. ומה שזה מראה לנו הוא שבהיעדר ברירה, כלומר בהיעדר אור המאפשר לגנים אלה לתפקד, הם אובדים בקרב סוגים שונים של אורגניזמים כפונקציה של העומק. לכן הסיבה לכך שזה מעניין היא, ראשית, שזה מלמד אותנו על מנגנון מסוים להפקת אנרגיה המשתמש באור, היכן הוא נמצא בסביבה, כיצד הוא מפוזר בין האורגניזמים והדינמיקה שמעבירה אותו הלאה.

אך זה מעניין גם באופן כללי, כדרך חדשה לחשוב על אופן מיפוי של גנים וגנומים, לא רק באורגניזמים, אלא היכן אורגניזמים אלו מופיעים בזמן ובמרחב, היכן גנים אלו מופיעים בזמן ובמרחב והיכן נמצאת נקודת החיתוך ביניהם. אנו רק מתחילים ללמוד כיצד לעשות זאת. זו הייתה דוגמה למערכת אחת בלבד של גנים.

אך ניתן לשאול את השאלה הכללית: ובכן, כמה קטגוריות של גנים קוסמופוליטיים אלו, אשר נוטים לנוע רבות, קיימות? איננו יודעים את התשובה לשאלה זו לגבי כל בית גידול נתון, וכמה זה נפוץ, או מהם המנגנונים להעברת הגנים הללו. האם מדובר ב-DNA חופשי בסביבה? האם זהו נגיף המפיץ את הגנים מאורגניזם לאורגניזם?

כל אלו הם דברים שאינם ידועים במידה רבה, אך כעת ניתן לגשת אליהם באמצעות סוגים אלו של טכניקות של מיפוי גנים על גבי אורגניזמים המתרחשים באופן טבעי, מיפוי האורגניזמים הללו אל הסביבה והבנת השונות שלהם. לכן, זהו באמת זמן חדש עבור המיקרוביולוגיה, ויש לנו גישה חדשה לצפייה ב"סרט" של הדינמיקה הגנומית בחוץ, בסביבה, וזה באמת הציב אותנו בעמדה חדשה להבנה טובה יותר של האופן שבו העולם המיקרוביאלי באמת פועל בטבע. אחד האתגרים, כמובן, וזהו אתגר הן עבור מדעי הסביבה והייתי אומר גם עבור המדעים הביו-רפואיים, הוא ללכוד את כל סוגי הנתונים הנכונים.

ובמקרה זה אני מתייחס למטא-דאטה, כאשר מטא-דאטה הוא כמובן נתונים על נתונים. אם תחשבו על הדוגמה שנתתי באוקיינוס, ישנם מספר דברים שתרצו לדעת. תרצו לדעת מהי הרדיאנס הספקטרלי, מהו שטף הפוטונים, מהם אורכי הגל של האור העובר, מה הייתה הטמפרטורה של אותו מים, המליחות, הלחץ, מכיוון שלכל אחד מהמשתנים הללו יש השלכות חשובות ביחס לאופן שבו האורגניזמים מתפתחים.

לכן, מעבר להשגת נתונים על הגנומים ועל האורגניזמים, עלינו להשיג נתונים עשירים למדי על הסביבה, אותם נוכל להשוות לזמנים אחרים, למקומות אחרים ולנתונים של חוקרים אחרים. בעוד שמדעני סביבה עובדים עם מערכי נתונים כאלה זמן רב, המיזוג הזה בין ביואינפורמטיקה, גנומיקה ומדעי הסביבה הוא חדש למדי. ומסדי נתונים כפי שהם קיימים כעת אינםו בהכרח מוכנים להכיל נתונים מסוג זה.

וכך מתרחש כעת מעט תהליך של אבולוציה, הייתי אומר, הן מהצד הסביבתי והן – מכיוון שאני אוקיאנוגרף וביולוג ימי – מהצד האוקיאנוגרפי, בניסיון ליצור קשר עם אנשים העוסקים בגנומיקה ובביואינפורמטיקה ולהיפך. אני יכול לתת לכם דוגמה אחת. אני מעורב במרכז מדע וטכנולוגיה של ה-NSF הנקרא המרכז למחקר וחינוך באוקיאנוגרפיה מיקרוביאלית, או Seymour.

ובסימור אנחנו באמת מעוניינים ללכוד את כל הדינמיקה הזו, את הרצף מהגנומים ועד לביומים, את כל הרמות השונות הללו של מורכבות ביולוגית מהגנום לטרנסקריפטום, לפרוטאום, לתאים, לאוכלוסיות, לקהילות ולמערכות אקולוגיות. מדובר בכמות גדולה של מידע מסוגים שונים. זוהי שאיפה שאפתנית למדי.

וכך הפרויקט הזה, מרכז המדע והטכנולוגיה של ה-NSF, Seymour, ממוקם בהוואי, והוא כולל קבוצה של אוקיאנוגרפים, מיקרוביולוגים וביולוגים מולקולריים המנסים לשתף פעולה כדי להבין כיצד לאפיין מערכת מסוימת בדרך זו. ובמקרה זה, המערכת היא בעיקר השכבות העליונות של האוקיינוס במרכז האוקיינוס השקט. סיבה חשובה לכך היא שהדבר תופס מרכיב ביולוגי עצום המכסה את הגלובוס שלנו, שני שלישים מכדור הארץ. בשיתוף פעולה, Seymour משתף פעולה למעשה עם פרויקט אחר הממומן על ידי קרן Moore הנקרא camera.

פרויקט Camera מובל על ידי Larry Smar ו-Craig Venter כאתר לרישום של נתונים גנומיים רבים שנאספו מהסביבה, ולהצגתם לצד נתונים סינופטיים או סביבתיים. כלומר, אלו הם הנתונים הסביבתיים שנאספו בו-זמנית עם איסוף הנתונים הגנומיים. כך שזהו למעשה מיזם חדש לחלוטין.

זה רק מתחיל וזה יחייב יותר תיאום ודיונים על תקני נתונים ותקני מטא-נתונים. וכיצד בונים מאגר נתונים שיכול להכיל מידע כזה? מכיוון שנכון לעכשיו הדגש הוא בעיקר על האוקיינוס, מה שמעניק מיקוד מסוים.

אך ניתן לדמיין שבוודאי חוקרים של המיקרוביום האנושי יזדקקו למערכי נתונים דומים, לצד נתונים קליניים, נתונים על פרטים, וכן הלאה. מדובר במערכת שונה לחלוטין של בעיות, אך במובנים רבים זוהי אותה סוגיה: לכידת הנתונים הגנומיים מאוכלוסיות מיקרוביאליות טבעיות יחד עם כל המטא-דאטה הרלוונטי והנלווה לגבי מקום מחייתם, התנאים ששררו שם וכו'. התקווה היא, כמובן, שיהיו קיימים מאגרי נתונים רלציוניים גדולים שבאמצעותם ניתן יהיה לשאול שאלות מעניינות למדי על סוגי גנים או קטגוריות מסוימות.

ניתן לחשוב על גנים מסוימים שבדך כלל אנו מקשרים להיותם פתוגניים, כגון pill I; האם ישנם pill I ספציפיים שתמיד מקשרים אותם, נניח, לסביבות קליניות או פתוגניות, או שמא pill I אלו נפוצים יותר ולמעשה רק הותאמו לנסיבות מסוימות, במונחים של היווצרות פתוגנים וכדומה. קיים פוטנציאל רב להצלבה (crosstalk) בין מערכי נתונים אלו במטרה להבין כיצד העולם המיקרוביאלי מתפתח וכיצד התאמות מסוימות עשויות להוביל למערכת מסוימת של קשרים סביבתיים או סגנונות חיים. האם אני חי באופן חופשי?

האם אני סימביוטי, האם אני פתוגן? כל הדברים הללו קשורים זה לזה. לכן, מאגרי נתונים יחסיים אלו, ככל שיגדלו, יהיו ככל הנראה חשובים מאוד הן עבור היישומים המעשיים והן עבור פיתוח התאוריה.

והם עדיין לא הגיעו לשם. יש להם דרך ארוכה לעבור במהלך ה-5 או 10 השנים הבאות. אני סבור שיהיו מספר התפתחויות, כמובן בהקשר של הגנום האנושי, הרפואה האנושית והגנטיקה.

הגנום בעלות של אלף דולרים היה מעין גביע קדוש, והטכנולוגיות מתפתחות במהירות רבה, לפחות עבור רצף חוזר (re-sequencing). לכן, אחת ההשפעות הגדולות תהיה מעין הורדה של הרף להשגת מידע גנומי. בכך אני מתכוון פשוט להיבטים הכלכליים.

זה יהיה זול בהרבה ומהיר בהרבה. ובסרט העתיד הקרוב, יהיו ככל הנראה מכשירים בגודל של שעון יד שבאמצעותם תוכלו לרצף את הגנום שלכם אם תרצו. זה בהחלט נמצא בתחומי האפשרות.

כאשר זה קורה, חוקי המשחק משתנים מעט. נכון לעכשיו, חלק גדול מהריצוף הגנומי מתבצע במרכזים מיוחדים וגדולים מאוד עם אנשים רבים. מה שיקרה עם ריצוף הגנום, בוודאי, וזה כבר קורה כעת, הוא שחלק גדול מהתהליך יהפוך למבוזר הרבה יותר.

והדבר המעניין בכך הוא שהיא מציבה אתגרים חדשים לאיסוף נתונים, לסטנדרטים של נתונים ולהפצת נתונים, ככל שמקורות הנקודה של ייצור הנתונים הופכים למבוזרים יותר ויותר. כך שזהו אתגר מרתק. ושוב, הדבר קשור לסוגיית מסדי הנתונים כולה.

דבר נוסף שמתחיל לקרות ויקרה אף יותר הוא שבימים זהם אנו נוהגים לחשוב על השגת נתונים גנומיים כמיזם שבו אנו מפקידים מידע במאגר, הוא הופך למסד נתונים ואז ממשיכים הלאה. למעשה, לרצף DNA יש יישומים עוצמתיים מאוד במדע הניסויי. עם חלק מהטכנולוגיות החדשות שעולות על הבמה, אני סבור שנראה שאנשים יאספו נתונים גנומיים יותר במודוס ניסויי מאשר רק במודוס של איסוף והפקדת נתונים.

ניתן לדמיין מעקב אחר אוכלוסיות בסביבה באמצעות בחינת ביטוי גנים, והשלכת דפוסי ביטוי גנים על דפוסים פרוטאומיים. כל הדברים הללו עומדים להתרחש. ולכן, אנו נתייחס כנראה לריצוף גנומי יותר ככלי ניסויי מאשר כדרך להרחבת מאגרי נתונים.

כך שדברים מסוג זה נמצאים על הפרס, וכמובן שמרכזי לכולם יהיה לכיד הנתונים – התשתית החשובנית, הן בחומרה והן בתוכנה, כדי להתמודד עם כל הנתונים הללו, כיוון שהכמויות הן עצומות. ובנוסף לכך, סוג של פיתוח תיאורטי; אם חושבים על התאוריה הביולוגית כפי שהיא חלה על אקולוגיה בפרט, חלק גדול ממנה מבוסס על אורגניזמים גדולים, אורגניזמים גדולים השוכפלים מינית, ולמעשה חלק מכללי המשחק וחלק מהתיאוריה לאו דווקא חלים על העולם המיקרוביאלי. לכן אני חושב שעבור מתמטיקאים ותאורטיקנים, ישנו פוטנציאל עצום בעתיד לשימוש בנתונים שנאספים כעת ויאספו בעתיד, כסוג של מודלי נתונים, אם אפשר לומר כך, לצורך פיתוח תיאוריה חדשה ותיאוריה ניבויית.

ובסופו של דבר, המטרה הסופית היא להבין כיצד כוכב הלכת שלנו פועל, בין היתר משום שהאוויר שאנו נושמים, וזרימות החומר והאנרגיה שמאזנות את המחזורים האלמנטריים על פני כדור הארץ, מוסדרים במידה רבה על ידי פעילותם הקולקטיבית של מינים מיקרוביאליים. מכיוון שכמין אנו מפעילים כעת לחץ חזק על חלק ממחזורי האנרגיה והחומר, קחו לדוגמה את ה-CO2 באטמוספירה, הופך זה להחשוב יותר ויותר להבין את הדינמיקה ואת הפרטים של האופן שבו נוצר האיזון הטבעי, בעודנו משבשים אותו בעצמנו ומתחילים לחשוב על דרכים שבהן נוכל לחיות באיזון רב יותר עם מחזורי החומר והאנרגיה על פני כוכב הלכת שלנו. לכן, אני מאמין שחלק מהמדע הבסיסי הזה, שנתפס כרדוקציוניסטי, יתפתח בסופו של דבר באמצעות מטאגנומיקה וטכניקות אחרות שציינתי, וכן באמצעות תיאוריה, למדע הוליסטי יותר במונחים של הבנת מערכות מורכבות – לא רק ברמת התא, אלא ברמה של כוכב הלכת שלנו.

וכך, למעשה, כעת, עם חלק מהטכניקות שהראינו לכם במעבדה ובנקודה שבה התחום נמצא כיום, אנו רק עושים את הצעדים הראשונים. אך אני חושב שניתן כבר להתחיל להבחין, במידה מסוימת, במבטים קטנים על הכיוון אליו הדבר עשוי להתפתח. ויהיה זה מרגש אם נצליח להבין כיצד לתאם זאת, שכן הדבר דורש מיומנויות של קשת רחבה של טכנולוגים, תיאורטיקנים, מתמטיקאים ומהנדסים, במטרה לנסות ולחבר את כולם יחד.

אז אלו זמנים מעניינים, וסביר להניח שזה יהפוך למעניין עוד יותר בשלב זה.