تفسير الجوانب الأساسية للتطور بالاعتماد على طريقة التعلم الآلي (Machine learning)
طور فريق من الباحثين في قسم علم الأحياء المحوسب (CBD) في جامعة كارنيغي طرق جديدة لتحديد أجزاء الجينوم المهمة لفهم كيفية تطور سمات معينة لدى الأنواع.
نُشر العمل في مجلة Science بقيادة الأستاذ المساعد في كلية علوم الكمبيوتر أندرياس بفينينج ، في مشروع زومونيا Zoonomia، وشمل تسلسل الجينوم الكامل لـ 240 من الثدييات مع التركيز على المظاهر الأساسية للجينات والسمات التي تلعب دورًا مهمًا في حماية الإنسان، والحفاظ على التنوع البيولوجي. تستخدم أحدث تقنيات الذكاء الاصطناعي (AI) والتعلم الآلي (ML) لفهم ومعالجة مجموعات البيانات الكبيرة.
تشفر أجزاء معينة فقط من الجينوم تعليمات إنتاج البروتينات، وتسمى هذه الأجزاء الحمض النووي المشفر، وهي ضرورية لتنظيم وظيفة الخلية. بمرور الوقت، تظهر اختلافات طفيفة في تعليمات ترميز الحمض النووي لإنتاج البروتين، وتعتبر هذه الاختلافات من أهم عوامل التطور.
تشكل أجزاء الحمض النووي المسؤولة عن إنتاج البروتينات نسبة ضئيلة من الجينوم البشري، وتقدر نسبتها بحوالي 1% من ثلاث مليارات من أزواج النوكليوتيدات. تعرف مناطق الحمض النووي الأخرى غير المشفرة باسم المعززات، وتعتبر مسؤولة عن تنشيط جينات معينة.
أنشأ فريق بحث جامعة كارينغي ميلون CMU نهج تعلم آلي يسمى مجموعة أدوات استدلال حفظ الأنسجة (TACIT) يهدف إلى معرفة المزيد حول كيفية عمل هذه المناطق. يظهر النموذج التقليدي للتطور تغييرات في حجم الدماغ تحدث من خلال مجموعة من الطفرات في العديد من الجينات، تستطيع المعززات تفعيل الجينات أو إيقاف تشغيلها وتحقيق النتيجة نفسها.
تركز معظم الأبحاث في مجال تطور الثدييات على أجزاء الجينوم التي تغيرت بشكل طفيف على مدى ملايين السنين. تمثل هذه المناطق المحفوظة، وخاصة الجينات، العناصر الأساسية في الحمض النووي للثدييات وهي التي تعبّر عن الصفات المميزة لدى الأنواع.
مع مرور الوقت قد تتغير مناطق مُعززات الحمض النووي في التسلسل ولكن ليس في الوظيفة وهو ما يشكل تحديًا بالنسبةً لبفينينج وفريقه. ينظم مُعزز Islet مستويات التعبير الجيني لدى البشر والفئران وأسماك الزيبرا والإسفنج بشكل متماثل على امتداد أكثر من 700 مليون سنة من التطور، ما يجعل تحديدها وتتبعها أكثر صعوبة باستخدام الطرق التقليدية لفحص النيوكليوتيدات الفردية.
تواجه طريقة TACIT مشكلة التنبؤ الدقيق بما إذا كان المُعزز سيكون فعالًا لدى نوع معين من الخلايا أو الأنسجة. تسمح هذه الطريقة للعلماء بتحديد مناطق التعزيز المهمة في تسلسلات الجينوم الجديدة من دون إجراء تجربة مخبرية جديدة، ما يوفر تطبيقات محتملة في مجال علم حفظ الأحياء الحيوي. يمكن بالاستفادة من هذه الطريقة التنبؤ بكيفية عمل المعززات لدى الأنواع المهددة بالانقراض وحين تكون التجارب المخبرية الخاضعة للرقابة مستحيلة.
قالت إيرين كابلو، مؤلفة رئيسية في اتحاد postdoctoral وعضو زميل في اتفاقية التنوع البيولوجي: «نظرًا لتحسن أساليب وطرق التعلم الآلي وازدياد قدرتها على تحديد المعززات في أنواع خلايا معينة، أتوقع أننا سنكون قادرين على توسيع وظائف وتطبيقات TACIT، وتوفير أنواع جديدة من النظريات عن تطور الثدييات».
بعد التنبؤ بوظيفة التسلسل الجينومي لدى 240 من الثدييات، طبق فريق البحث طريقة TACIT لتحديد أجزاء الجينوم التي تطورت لجعل أدمغة الثدييات أكبر حجمًا، اكتشفوا أنها توجد بالقرب من الجينات التي أدت طفراتها إلى الإصابة باضطرابات حجم الدماغ لدى الإنسان. لم يتوقفوا عند ذلك بل تمكنوا من تحديد أنواع المعززات التي ترتبط بالسلوك الاجتماعي لدى الثدييات أيضًا، والتي توجد داخل نوع فرعي معين من الخلايا العصبية، وهو العصبون الداخلي المثبط الإيجابي البارفالبومين.
قال بفينينج، المشرف على هذه الدراسة: «نعتقد أن ما توصلنا له مجرد غيض من فيض. لقد اكتشفنا علاقات في غاية الأهمية من خلال تطبيق TACIT على عدد قليل من الأنسجة وعدد صغير من السمات، ولا يزال هناك الكثير لاكتشافه».
ترجمة: ولاء سليمان.
المصدر: phys.org
