Focus on Bioinfo Researches

Bioinformatics Researches in Science and Nature

ภัสสร วรรณพินิจ

สวัสดีค่ะ ท่านผู้อ่านทุกท่าน พบกันอีกเช่นเคยนะคะสำหรับ “Focus on Bioinfo Researches” ซึ่งในฉบับนี้ดิฉันก็ขอหยิบยกงานวิจัยและข่าวคราวความเคลื่อนไหวในแวดวง bioinformatics จากวารสารชั้นนำ Nature และ Science ในช่วงเดือนแรกของปี พ.ศ. 2553 มาฝากกันค่ะ

เริ่มกันที่วารสาร Nature กันก่อนนะคะ สำหรับฉบับแรกของปีนี้ Nature ได้สัมภาษณ์นักวิทยาศาสตร์ชั้นนำในสาขาต่างๆเกี่ยวกับแนวโน้มความเป็นไปได้ของงานวิจัยที่กำลังจะเกิดขึ้นภายในอีก 10 ปีข้างหน้า ในหัวข้อ “2020 Vision” ซึ่งในบทความดังกล่าวได้พูดถึงศาตร์ต่างๆที่น่าจะเกี่ยวข้องกับการประยุกต์ใช้ความรู้ทางด้านชีวสารสนเทศศาสตร์มาช่วยในการศึกษา ยกตัวอย่างเช่น Microbiome หรือการศึกษา microbial communities ในร่างกายมนุษย์, personalized medicine ซึ่งมีความมุ่งหมายในการพัฒนาวิธีการรักษาโรคที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับมนุษย์แต่ละคน, hominin paleontology หรือการศึกษา human evolution และ synthetic biology ซึ่งเป็นการผสมผสานองค์ความรู้ในด้านต่างๆเพื่อการสังเคราะห์สิ่งมีชีวิตชนิดใหม่ที่สามารถตอบสนองความต้องการของมนุษย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เป็นต้น

ในส่วนของงานวิจัยในฉบับปฐมฤกษ์นี้ Nature นำเสนอการค้นพบ bornavius elements ใน human genome ซึ่ง bornavius จัดเป็น non-retrovirus ที่มีความสามารถพิเศษทำให้การติดเชื้อใน cell nucleus เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในหัวข้อ “Virology: Bornavirus enter the genome” และ “Endogenous non-retroviral RNA virus elements in mammalian genomes” โดยทีมนักวิจัยชุดนี้ใช้วิธีการทาง sequence alignment และ phylogenetic analysis ในการศึกษา ซึ่งผลการศึกษาพบว่า borna-like N (EBLN) elements สามารถพบได้ใน mammalian genome ของสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิด ตั้งแต่มนุษย์ไปจนถึง non-human primate อื่นๆ ซึ่งในบาง mammalian genome เราสามารถพบ open reading frame (ORF) ของ EBLN element ทำให้ element นี้สามารถถูกสังเคราะห์เป็น mRNAได้ จากผลการทดลองโดยใช้ cultured cell ที่ได้รับการติดเชื้อ borna disease virus (BDV) อย่างต่อเนื่อง สามารถยืนยันผลการศึกษาโดย sequence alignment ได้ โดยพบว่า EBLN-like element ของ BDV สามารถ insert เข้าไปใน nuclear genome ของ cultured cell ได้จริง

ในฉบับที่สองของเดือนนี้ Nature นำเสนองานวิจัยที่เกี่ยวข้อง drug discovery ไว้ใน research highlights ในหัวข้อ “Drug discovery: Virtual antibiotic screen” ซึ่งงานวิจัยที่ Nature นำมาพูดถึงได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร PNAS ในหัวข้อ “Blueprint for antimicrobial hit discovery targeting metabolic networks” โดยทีมนักวิจัยชุดนี้ศึกษาประสิทธิภาพของ antibiotic ในการกำจัดเชื้อ Escherichia coli และ Staphylococcus aureus ผ่านทางการศึกษา metabolic network profile ของจุลินทรีย์ทั้งสองชนิดนี้ร่วมกับ molecular simulation ในการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่าง essential catalytic enzymes ของจุลินทรีย์ทั้งสองชนิดนี้กับ 41 antibiotic compounds ผลการศึกษาบ่งชี้ว่าถึงประสิทธิภาพของ antibiotic บางชนิดที่สามารถกำจัดจุลินทรีย์ทั้งสองชนิดนี้ได้ โดย antibiotic เหล่านั้นจะทำงานโดยการลดระดับการทำงานของ essential enzymes ของจุลินทรีย์ทั้งสองชนิด นอกจากนี้ Nature เองก็นำเสนอเรื่องราวเกี่ยวกับการสร้าง genetic profile ของ soybean (Glycine max) โดยการใช้ whole-genome shortgun approach ในการอ่าน 1.1 gigabase genome sequence ของ soybean จากนั้นจึงสร้าง chromosome-scale draft sequence map โดยเปรียบเทียบกับ physical และ high-density genetic maps จากนั้น 46,430 protein-coding genes จึงถูก predict ขึ้นโดยใช้ full-length complementary DNAs, expressed sequence tags, homology และ ab initio methods หรือการ predict protein coding gene จาก pattern ที่ปรากฏใน genome sequence ทีมวิจัยคาดว่าผลการศึกษานี้ จะเป็นประโยชน์ในการศึกษา soybean สายพันธุ์อื่นๆ และการพัฒนาสายพันธุ์ใหม่ๆ อีกด้วย ท่านผู้อ่านท่านใดที่สนใจรายละเอียดของงานวิจัยนี้ก็สามารถหาอ่านเพิ่มติมได้จาก “Genome sequence of the palaeopolyploidy soybean” นอกจากการศึกษา soybean genome sequence แล้ว ในฉบับนี้ Nature ยังได้เสนอผลความก้าวหน้าในการศึกษา human cancer genome ในการศึกษาการกลายพันธุ์ของ DNA จากการสุบบุหรี่ที่เป็นสาเหตุของการเกิดมะเร็งปอด ในหัวข้อ “A small-cell lung cancer genome with complex signatures of tobacco exposure” ซึ่งคณะวิจัยใช้ massively parallel sequence technique (next generation sequencing) ในการหาลำดับเบสของ lung cancer cell ซึ่งการศึกษา cancer genome นี้ช่วยในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับกระบวนการกลายพันธุ์, การซ่อมแซม mutant base และ gene network ที่เกี่ยวข้องกับ cancer

สำหรับ Nature ฉบับล่าสุดประจำเดือนนี้ highlight ของฉบับนี้คงหนีไม่พ้นความสำเร็จในการสร้าง draft แรกของ giant panda genome โดยการใช้ Next-generation sequencing technology และ de novo assembly (SOAPdenovo software) ในการสร้าง complete genome sequence ของ giant panda นอกจาก genome sequence แล้ว ทีมวิจัยชุดนี้ยัง predict gene โดยการเปรียบเทียบ panda genome sequence กับ genome sequence ของมนุษย์และสุนัข และศึกษา heterozygosity โดยใช้ SNP marker คณะวิจัยคาดว่าความสำเร็จในการสร้าง profile ของ giant panda genome จะเป็นตัวผลักดันให้เกิดความก้าวหน้าทางด้าน mammalian genetic research และยังเป็นการประเมินความเป็นไปได้ของการใช้ next-generation sequencing ในการศึกษาลำดับเบสของสิ่งมีชีวิตอื่นๆ รายละเอียดของงานวิจัยชิ้นนี้ท่านผู้อ่านสามารถหาอ่านได้ที่ “The sequence and de novo assembly of the giant panda genome” นะคะ นอกจากการศึกษา genome sequence แล้ว Nature ฉบับนี้ยังนำเสนอเรื่องราวความเคลื่อนไหวรวมไปถึงความเป็นไปได้ของการสร้างสิ่งมีชีวิตใหม่โดยใช้วิธีการทาง synthetic biology ซึ่งดูเหมือนว่ายังมีอุปสรรคอยู่พอสมควรทีเดียว ท่านผู้อ่านท่านใดที่สนใจว่าอุปสรรคที่ว่านั้นคืออะไรก็สามารถติดตามรายละเอียดได้จาก “Bioengineering: Five hard truths for synthetic biology” ซึ่งนอกจากบทความนี้แล้ว Nature ยังนำเสนองานวิจัยที่เกี่ยวข้องในหัวข้อ “Synthetic biology: Synchronized bacterial clocks” และ “A synchronized quorum of genetic clock” ซึ่งในงานวิจัยนี้ ทีมผู้วิจัยได้ใช้ความรู้ทางด้าน genetic regulatory network ในการออกแบบและสร้าง E. coli community ที่สามารถเรืองแสงได้พร้อมๆกัน ความสำเร็จของงานวิจัยชิ้นนี้นับได้ว่าเป็นตัวบ่งชี้ความเป็นไปได้ในการสังเคราะห์สิ่งมีชีวิตโดยใช้องค์ความรู้ทาง synthetic biology ในอนาคต

มาต่อกันที่วารสาร Science กันบ้างนะคะ ในฉบับปฐมฤกษ์นี้ Science นำเสนอความก้าวหน้าของ DNA sequencing technology ในหัวข้อ “Human genome sequence using unchained base reads on self-assembling DNA nanoarrays” โดยคณะวิจัยได้คิดค้น platform รูปแบบใหม่ที่สามารถลดปริมาณ reagent โดยแต่ละเบสจะถูกอ่านแยกจากกันโดย patterned nanoarrays ของ self-assembling DNA nanoballs platform นี้ถูกใช้ในการอ่าน 3 human genomes ซึ่งสามารถอ่านลำดับเบสได้ถึง 45-87 fold coverage per genome และระบุความหลากหลายของลำดับเบสใน human genome ได้ถึง 3.2-4.5 million sequence variants per genome นอกจากนี้ความผิดพลาดของ platform นี้ในการอ่านลำดับเบสยังต่ำเพียงแค่ 1 false variants per 100 kb และด้วยต้นทุนเพียง 4,400 เหรียญสหรัฐ ทำให้ความเป็นไปได้ในการใช้ platform นี้ในการศึกษา rare variants ที่สัมพันธ์ต่อการเกิดโรคในมนุษย์ สำหรับ large-scale genetic study สูงขึ้น

ในฉบับถัดมา Science นำเสนอการศึกษา secondary structure ของ RNA โดยใช้ความรู้ทาง Topology ซึ่งเป็นสาขาวิชาหนึ่งทาง mathematics ที่มุ่งเน้นการศึกษาคุณลักษณะของการจัดเรียงตัวของวัตถุที่ถูกรักษาไว้หลังจากที่วัตถุนั้นถูกเปลี่ยนแปลงรูปร่างโดยแรงในรูปแบบต่างๆ คณะผู้วิจัยสร้าง 3D maps ที่แสดงถึงการจัดเรียงตัวระหว่าง A-form helices และ RNA junction และประเมินความถูกต้องของ model นี้ โดยการเปรียบเทียบกับ model ที่ได้วิธีการอื่นและ NMR spectroscopy จากการศึกษาพบว่าโครงสร้างโดยรวมของ RNA secondary structure ถูกกำหนดโดย topological constraint ในระดับ secondary structure และ tertiary structure ซึ่งการจับกันของ RNA และ protein เป็นตัวช่วย stabilize โครงสร้าง secondary structure ของ RNA รายละเอียดของงานวิจัยชิ้นนี้ ท่านผู้อ่านสามารถหาอ่านได้จาก “Topology links RNA secondary structure with global conformation dynamics and adaptation”

สำหรับในฉบับที่สามของเดือนนี้ Science นำเสนองานวิจัยที่น่าสนใจเกี่ยวกับการศึกษา genome ของ parasitoid wasps จำนวน 3 สปีชีส์ คือ Nasonia vitripennis, N. giraulti และ N. longicornis โดย parasitoid wasp เป็นแมลงชนิดหนึ่งที่ในช่วง larvae จะอาศัยอยู่เป็น parasite ในร่างกายของแมลงหรือสิ่งมีชีวิตจำพวก arthropod อื่นๆ ดังนั้น parasitoid wasp จึงมีบทบาทสำคัญในการควบคุมประชาการแมลงหรือ arthropod ต่างๆ ได้ งานวิจัยนี้ คณะวิจัยได้ใช้วิธีการทาง phylogeny และการสร้าง recombination maps ในการศึกษา ซึ่งทำให้ค้นพบคุณลักษณะที่สำคัญหลายประการของ Nasonia genome ที่น่าจะมีประโยชน์ทั้งในด้านงานวิจัยพื้นฐานทาง genetics และการนำ parasitoid wasp ไปใช้ในการควบคุมประชาการแมลงศัตรูพืชในอนาคต รายละเอียดงานวิจัยของงานวิจัยชิ้นนี้สามารถหาอ่านได้ที่ “Functional and evolutionary insight from the genomes of three parasitoid Nasonia species”

และสำหรับฉบับสุดท้ายของเดือนนี้ Science ได้ตีพิมพ์การสร้าง genome-scale genetic interaction maps ทั้งในเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณของยีสต์ในสปีชีส์ Saccharomyces cerevisiae ที่ได้จากการศึกษา 5.4 million gene-gen pairs synthetic genetic interaction ในหัวข้อ “The genetic landscape of a cell” ผลของการสร้างแผนที่นี้ช่วยให้เราเข้าใจ genetic network และ functional map ของ budding yeast นี้ได้กระจ่างขึ้น ซึ่ง ผลการศึกษาชิ้นนี้น่าจะเป็นประโยชน์ในการทำความเข้าใจ chemical-genetic interactions และ drug target identification ของสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ได้ในอนาคต