Kovács M. Gábor 2011.11.24-i előadása alapján
Előadónk, Kovács M. Gábor az SZTE TTK-n diplomázott biológusként, majd a PhD-fokozatot is itt nyerte el 2002-ben. Jelenleg az ELTE TTK Növényszervezettani Tanszékének docense. Mikorrhizával, gombarendszertannal, molekuláris ökológiával foglalkozik. A kissé csapongó műhelyalkalmon sok mindenről volt szó az újgenerációs szekvenálástól kezdve a tudományos kutatás finanszírozásán át a külföldi tanulmányutakig… Rövid összefoglalómban az első témáról szeretnék írni, különös tekintettel a gombarendszertanra gyakorolt hatására.
Mindehhez előadónk egy cikket is küldött: Hibbett D.S., Ohman A., Kirk P.M.
(2009): „Fungal Ecology Catches Fire”, New Phytologist 184: 279-282. Konkrét (szám)adatokat e cikkből fogok idézni.
Manapság egyre több kutatás kulcsszava a „high throughput” kifejezés: a lehető legrövidebb idő alatt akarunk minél több (párhuzamos) mintát megvizsgálni minél olcsóbban és hatékonyabban – lehetőleg automatizálva/robotizálva. Mindez nagyon hasznos lehet és rengeteg új információval gazdagíthatja a tudományt, de komoly bioinformatikai hátteret igény mind szoftver, mind szaktudást tekintetében. A fentiek iskolapéldái lehetnek az újgenerációs szekvenálási módszerek (next generation sequencing, NGS). Írásomban nem szeretnék belemélyedni ezen módszerek technikai részleteibe, inkább a mind szélesebb körben történő alkalmazásuk hatásait szeretném körüljárni - ahogy tettük ezt a műhelyalkalmon is.
Az újgenerációs szekvenálás mindenképpen paradigmaváltáshoz fog vezetni a biológiában, leghamarabb talán a taxonómia területén. A klasszikusnak tekintett rendszertan alapjában véve egy megfigyelő-leíró tudományág: elsősorban morfológiai szempontok alapján különíti el a fajokat. Gondoljunk bele, hogy néz ki egy növényvagy állathatározó: hány szirma van, hosszú-e a csápja stb. Nyilvánvalóan ez a módszer többé-kevésbé kielégítően működik egy makroszkópikus élőlénynél, de mi a helyzet a mikrobákkal? Hogyan tudom megállapítani, egy hifákkal átszőtt erdei talajmintáról, egy csepp baktériumoktól nyüzsgő tengervízről vagy éppen az ember béltartalmáról, hogy milyen mikroorganizmusok élnek benne? Természetesen itt is léteznek alaktani és élettani kritériumok, de egyrészt ezek meghatározása sokkal inkább körülményes és esetleges, másrészt szinte minden esetben az élőlény laboratóriumi tenyésztését igényli. De mi tehetünk akkor, ha egy faj nem tenyészthető Petri-csészében? Ezekről a teremtményekről (és főleg a számukról) fogalma sem volt
a tudománynak az ún. metagenomikai vizsgálatok előtt. Mit is jelent ez? Össz-DNS-t izolálunk adott mintából (pl. a talajból), azt megszekvenáljuk, majd számítógépes analízissel genomokat „rakunk össze” belőle. Számos ilyen felmérés született az utóbbi években (a leghíresebb talán Craig Venter világkörüli hajóútja, mely során „megszekvenálta az óceánt”). Így tudtuk meg, hogy a mikroorganizmusok kevesebb mint egy ezrede tenyészthető, a többit csak a genomszekvenciája alapján lehet kimutatni. Tehát Földünk élővilága még annál is jóval sokszínűbb, mint amit a
„klasszikus” rendszertan alapján jósolni lehetett…
Így megszületett egy teljesen új tudományterület, a molekuláris taxonómia. Segítségével – a metagenomikai adatok alapján - számos új fajt lehet „leírni”. (Ezeket virtuális taxonként (VT) vagy OTU-ként (operational taxonomic unit) szokás emlegetni.) Viszont mint minden újdonságnak, ennek a módszernek is megvannak a „gyermekbetegségei”. Tekintsük csak magát az eljárást: pl. egy ”random”
talajmintában hányféle élőlény DNS-e lehet benne? A vírusok, baktériumok, egysejtűek és gombák épp úgy, mint magasabbrendűek elhalt maradványai – megannyi DNS-sel… Ez hatalmas szekvenciabeli változatosságot jelent! A pyroszekvenáláson alapuló módszerek pedig rendszerint rövid szakaszokat (ún. read) olvasnak le egyszerre, tehát közel sem biztos, hogy ezek alapján egyértelműen összerakható egy genom! (Konkrétan, hogy a szekvenciákból összeillesztett „genom” valóban egy létező élőlényé-e vagy csak „műtermék”…) Ezeket a műtermékeket el kellene tudni különíteni és kizárni a további vizsgálatokból. Másrészt az összerakott genomokról sok esetben nem lehet eldönteni, hogy az pontosan milyen élőlényhez tartozik. Megoldást jelenthet az ún. amplikon szekvenálás technikája. Ilyenkor a kivont DNS-mintából PCR segítségével homológ géneket amplifikálnak és csak azokat szekvenálják meg. Itt már eleve lehet prokarióta-, ekarióta- stb. specifikus primereket tervezni, leszűkítve ezzel a vizsgálni kívánt csoportot.
A fenti nehézségek azonban mind közös tőről fakadnak: nem rendelkezünk megfelelő referenciákkal. Gondoljunk bele, hány élőlénynek (különösen pl. talajlakó gombának) a genomszekvenciája hozzáférhető! Nagyságrendileg néhány száznak… A ma ismert és korrekten leírt gombafajok 80-90%-áról semmiféle szekvenciális adatunk nincs. Ehhez képest az elmúlt 10 évben átlagosan több, mint ezer „új fajról” számoltak be évente csak szekvenciális eredményekre támaszkodva… Honnan tudjuk, hogy ezek tényleg új fajok vagy csak egy régi, morfológiailag ismert gombák újraleírásai? Tény, hogy ha megszekvenáljuk a már leírt gombákat, nagyon sok molekulárisan „új” taxonba be lehet illeszteni egy jól ismert fajt. Ez persze nem vonja kétségbe azt, hogy a metagenomika komoly fegyver a kutatók kezében, hiszen a gombafajok számát több millióra beszülik, ebből alig százezret írtak le eddig, morfológia alapján, így az újként definiált taxon jó eséllyel tényleg ismeretlen a
tudomány számára.
Azonban napjaink taxonómiájának még mindig sarokköve a korrekt morfológiai karakterizálás is. Ez egy „OTU” esetén sokszor nehézkes vagy lehetetlen. Másrészt a gombák oly’ nagy morfológiai változatossággal bírnak, hogy számos fajt akár tucatnyiszor is leírtak, mindig újként azonosítva és új névvel megáldva… Ez a szinonimnevek hihetetlen elszaporodását eredményezte és eredményezi még ma is. Statisztikák szerint az új nevek mintegy 40%-a egy már ismert gomba újraleírása. Ezért sürgetik – teljesen jogosan – a molekuláris szakemberek, hogy az új (morfológiai) leírásokhoz lehetőleg szekvencia-alapú meghatározás is tartozzon.
Enélkül sokszor lehetetlen a pontos azonosítás (elég a Candida-fajokra gondolnunk…). Ma egyfajta (erősebb vagy gyengébb) ellenségeskedés érhető tetten a „klasszikus” és a molekuláris taxonómusok között, hiszen utóbbiak szeretnék, ha saját módszereik egyenrangúvá válnának a morfológiai rendszertanéval.
Végezetül meg kell említeni azt a komoly problémát, amit a címben is hangsúlyozni igyekeztem. A „high throughput” tehnológiák, de különösen az NGStechnikák olyan iszonyatos adatmennyiséget generálnak, amit egyszerű, felhasználói szinten már-már lehetetlen kezelni. Pedig ez az állapot a jövőben csak fokozódni fog, ahogy a szekvenálás egyre olcsóbb és gyorsabb lesz. Az csak a probléma egyik fele, hogy a „nyers” adatok összerakása, helyes értelmezése (annotáció) már önmagában komoly szoftveres hátteret és nem csekély bioinformatikai tudást igényel. Márpedig ma igazán élvonalbeli kutatást nem lehet végezni ilyen módszerek nélkül. Kérdés, hogy van-e, lesz-e elég szakember, aki ezt kezelni tudja. Már most sokkal gyorsabban növekszik az adatmennyiség, mint a felhasználókör…
Másrészt ezt a csillagászati adattömeget tárolni is kell, illetve gyorsan elérhetővé tenni a bármikor, bárhonnan – lehetőleg „felhasználóbarát” módon… Nagy kérdés, hogy ez miként és mikor fog megvalósulni. Hogy csak egy profán példát említsek: ha a kezünkben lesz a saját, egyéni genetikai kódunk (ami már közel sem science fiction), vajon ki tudjuk-e használni a benne rejlő lehetéségeket vagy csak 3 milliárd betű lesz egy pendrive-on…
Régóta ismert tény, hogy az igazán nagy eredmények a különböző, egymástól (látszólag) távol eső tudományterületek/szakemberek együttműködéséből születnek. Mostanában viszont több műhelyelőadótól hallottuk, hogy a jövő a multidiszciplináris képzettségű és gondolkodású kutatóké, akik nem egy kutatócsoportban, hanem egy „koponyában” egyesítik a molekuláris biológiai, informatikai, matematikai, mérnöki, stb. tudást, emellett még jó üzleti érzékkel megáldott menedzserek is… Vajon ez csak a (közel)jövő vagy mindez már el is kezdődött? Mindenesetre nekünk, leendő kutatóknak mindenképp fel kell készülnünk ezekre a kihívásokra.
Draskovi ts Gábor
II. PhD hallgató
HÍRLEVÉL
MOBIL