Bioinformatik pomáhá genovým archeologům hledat prapůvodní organismy

Miloš Musil z Ústavu informačních systémů FIT stojí za novou webovou aplikací, která pomáhá vědcům při tzv. ancestrální rekonstrukci. Unikátní nástroj vyvinul ve spolupráci s vědci z Mezinárodního centra klinického výzkumu Fakultní nemocnice u sv. Anny a výzkumníky z Loschmidtových laboratoří Masarykovy univerzity. Tam aplikaci využívají ke studiu molekulární evoluce a hledání prastarých, dnes již neexistujících, proteinů. Ty mohou pomoci např. ve farmakologii, medicíně či v biotechnologii.  

Genová archeologie. Tak se někdy říká ancestrální rekonstrukci - technice, jejímž prostřednictvím vědci, podobně jako archeologové, zkoumají stopy minulosti. Biologové je však nehledají na vykopávkách, ale prostřednictvím počítačů. Zkoumají na nich genové sekvence a hledají dnes již neexistující organismy. Nový unikátní nástroj FireProt-ASR, za jehož vývojem stojí Miloš Musil z Fakulty informačních technologií VUT, vědcům zásadně pomůže s hledáním miliony let starých proteinů, ze kterých se ty současné vyvinuly. 

 "Zjistit, jak taková evoluce vypadala, je důležité nejen z vědeckého hlediska. Takové poznání má dnes velký význam také v průmyslu. Čím dále se dostaneme zpátky do minulosti po evolučním stromu, tím více se přiblížíme k prapůvodním organismům. A ty, jak se zdá, bývají mnohdy výrazně stabilnější než ty současné," vysvětluje Miloš Musil. 

Teorií, proč tomu tak je, je několik. Jedna z nich hovoří o tom, že proto, aby organismy přežily nehostinné podmínky, které na Zemi před miliony let panovaly, musely být zkrátka odolnější. Jiná teorie zase tvrdí, že proteiny musely být v minulosti stabilnější, aby přežily velké množství mutací, kterým byly v průběhu evoluce vystaveny. "Tak či tak, opravdu se zdá, že většina organismů, které v současné době existují, se vyvinuly, aby fungovaly v relativně mírných podmínkách. To stačí, aby přežily v přírodě, ale pokud je chceme využít například v průmyslu, je třeba, aby vydržely vyšší teploty nebo třeba jim nepříznivé pH. A v tom jsou ancestrální proteiny opravdu odolnější," dodává. 

Takové poznatky se pak využívají například ve farmakologii, medicíně či v biotechnologii. "Typickým příkladem je třeba prací prášek. Ten využívá aktivní enzymy, které mají pomoci odstranit špínu. Ale proteiny, jež se dnes vyskytují v přírodě, nevydrží teploty, ve kterých se běžně pere. Je proto třeba zvýšit jejich odolnost, a právě k tomu slouží ancestrální rekonstrukce. Zavede nás ke společnému předkovi, který bývá stabilnější," popisuje Miloš Musil. 

Webová aplikace, kterou vyvinul, to vědcům značně usnadní. "Dříve člověk potřeboval velké množství expertních znalostí, aby to dal všechno dohromady. Jednak potřeboval znát biologický systém, tedy mít prostudovaný daný protein, znát rodinu, ze které protein prochází a vědět, jak funguje. A pak také bylo třeba, aby uměl používat bioinformatické nástroje, které by mu pomohly zarovnat sekvence nebo sestavit fylogenetický strom, který je pro ancestrální rekonstrukci klíčový, protože je v něm zanesené, které organismy, či právě třeba proteiny, se vyvinuly z kterých," říká doktorand z FIT. 

Jeho programu, jako jedinému na světě, stačí jako výchozí bod pro výpočet jedna proteinová sekvence. Zbytek zvládne za uživatele udělat FireProt-ASR, jak se nástroj vědců z Brna jmenuje. Zkušeným výzkumníkům dokáže ušetřit hodiny až dny, těm, kteří se systémem teprve začínají, dokonce až měsíce práce. "Program je plně automatizovaný, je tedy vhodný i pro začátečníky. Uživatel navíc může použít vlastní data a zahájit výpočet z různých částí výpočetního prostředí," vyjmenovává Miloš Musil výhody nástroje. Ten teď používají instituce z celého světa. "Provedl již analýzu téměř 1300 proteinů. Je volně dostupný na webových stránkách Loschmidtových laboratoří a je přístupný pro jakékoliv použití. Asi dvě třetiny tvoří uživatelé z akademického prostředí, zbytek komerční sféra," dodává. 

Program standardně pracuje s přibližně 150 sekvencemi, a tak výpočet fylogenetického stromu často trvá i několik hodin. I když teoretické základy ancestrální rekonstrukce jsou již více než padesát let staré, opravdový potenciál této metody se rozvinul až v posledních deseti letech, s nástupem výkonných počítačů. A také další vývoj této techniky se bude odvíjet zřejmě právě od výpočetního výkonu.

Ancestrální rekonstrukci a stabilitě proteinů se v Loschmidtových laboratořích věnuje Miloš Musil už šest let. | FOTO: J. Prokopius 

"Zkoušeli jsme již také rekonstrukci o 620 sekvencích, ale výpočet na poměrně výkonném počítači trval kolem dvou týdnů. Hovoříme přitom jen o proteinech, které jsou produktem pouze malého kousku genetické informace. Z hlediska toho, jak samotná metoda funguje, nám ale teoreticky nic nebrání v tom, abychom udělali rekonstrukci nad celým DNA, třeba i celé živočišné říše. To už by si ovšem žádalo obrovský výpočetní výkon, který zatím nemáme k dispozici," vysvětluje Miloš Musil.  

Řadu lidí přitom může napadnout, kam až tato metoda může zajít. "Je to podobné jako ve všech dalších oblastech vědy - může posloužit k dobrému i zlému. Rozštípnout atom můžete v reaktoru i v jaderné hlavici," říká. Mohl by se tedy Jurský park stát skutečným? "Mohl. Ačkoliv si umím představit, že by bylo snažší a především přesnější nasekvenovat něco z kusu jantaru, podobně jako ve filmu. Stejně tak je možné, že by se takto daly 'probudit' prehistorické bakterie nebo viry, na které by náš imunitní systém nebyl připravený. Ale kdybych chtěl ukončit svět, dovedu si představit jednodušší způsob než v zubech dinosaura," říká s úsměvem.

Ancestrální rekonstrukci a stabilitě proteinů se v Loschmidtových laboratořích věnuje Miloš Musil už šest let. Zavál ho sem zejména zájem o přírodní vědy. "Bioinformatika je na pomezí obou oborů, a to je pro mě fascinující. Jsem rád, že můžu využívat IT jako nástroj pro bádání i v této oblasti," říká. FireProt-ASR, jehož vývoji se věnoval poslední tři roky, je ústředním tématem jeho disertační práce, kterou bude zanedlouho na Fakultě informačních technologií obhajovat. 

V laboratořích chce zůstat i v budoucnu. S týmem kolegů chtějí program rozšířit o některé další nástroje, aby dali zkušeným uživatelům více možností, jak data zpracovat. A v plánu mají také vylepšit další členy z "rodiny" FireProt - web, jenž slouží k návrhu stabilních vícebodových mutantů, a databázi, která shromažďuje data o proteinové stabilitě. Tato data by v budoucnu vědci rádi využili pro strojové učení a vytvoření nového sofistikovanějšího systému, jenž pomůže vědcům lépe vybírat mutace, které jim pomohou s další stabilizací proteinů.