خارطة طريق علوم الحاسبات في الكشف عن علاج لكوفيد 19 (كورونا)

في الأشهر القليلة الماضية ، شهد العالم ظهور أزمة جائحة كورونا.  تفشى الفيروس في ووهان ، الصين ، في كانون الأول 2019 وأصاب أكثر من 27 مليون شخص وتسبب في وفاة أكثر من 880 ألف شخص حول العالم. تكمن إحدى الخطوات المهمة نحو تطوير علاج ضد COVID-19 (أيضا يدعى SARS-CoV-2) في فهم تركيبته الجينية. في كانون الثاني 2020، تم إصدار تسلسل جينوم SARS-CoV-2  للمجتمع العلمي ونشره على قاعدة بيانات NCBI GenBank. . منذ ذلك الحين ، أظهرت تحليلات الجينوم المقارن أن هذا الفيروس الجديد ينتمي إلى عائلة فيروس كورونا بيتا ويتشابه تسلسله الجيني مع SARS-CoV . في ضوء ذلك ، كيف يستفيد العلماء من المعلومات الجينومية المتاحة لـ SARS-CoV-2 لفهم هذا الفيروس الجديد بشكل أفضل والعثور على علاج له؟

اللغة

كقاريء عربي ، تعلم أن اللغة العربية مؤلفة من (28) حرفا. من خلال هذه الأحرف المعدودة تستطيع أن تؤلف الكلمات بتراتيب وأساليب محددة لتعكس المعاني الواقعية لها. بنفس الأسلوب، تتواجد العديد من اللغات الطبيعية كالأسبانية والأنكليزية وكل يمتاز بقواعد وصيغ محددة ومستقلة. بشكل مشابه تماما، أستطاع العلماء أن يجدوا مركبات أربع محددة (تدعى بالقواعد النتروجينية) ، تشترك فيها جميع الكائنات الحية في تمثيل ذاتها الوجودي. تم تمثيل هذه المركبات على شكل أربع حروف هي A, T, G, C. أليست هذه لغة بسيطة؟ بهذه المكونات أو الأحرف الأربع، مكن الخالق سبحانه وتعالى الكائن الحي من نقل صفاته وملامحه و فعالياته الداخلية عبر أيراث تلك الصفات الوراثية بين مختلف الأجيال.

التركيب الداخلي

لنتصور أن لدينا كائنا بسيطا كالقلم. يمكن وصف القلم بعدة أمور. مجموعة الأوصاف هذه مؤلفة من مزدوج (الصفة : القيمة). مثلا، (اللون: أزرق)، (النوع: حبر) ، (الصناعة: اليابان) ، (الطول: 15سم)، (نصف القطر الأسطوانة الخارجية: 0.5 سم) ، (نصف قطر أسطوانة الحبر: 0.2سم). نجد أن هناك العشرات من الصفات الممكنة لوصف القلم ، قد تمتد حتى الى التركيب الكيميائي لمركباته. نجد أن تعداد الصفات المعرفة لدينا يستهلك وقتا، حتى مع كونه قلم مفرد. قد تشترك صفات القلم المعطى مع أقلام من نوع أو ألوان او صناعات أخرى. يزداد التعقيد في الصفات بزيادة المكونات والترابط الداخلي بينها. خذ مثلا سيارة ، كم قطعة داخلية و ما هي صفات كل قطعة من هذه القطع؟ أنه شيء كبير. بشكل مشابه، يتكون الكائن الحي كبقية الكائنات من مجموعة من الصفات التي تحدد نوعه وصفته. الان، لك ان تتخيل عدد الصفات التي يمتلكها كائن بسيط مكون من خلية مفردة أو متعدد الخلايا كالبكتريا والفايروسات وغيرها. فالأنسان مثلا، (وهو كائن متعدد الخلايا) له ملايين الصفات الجزئية مثلا : لون العين ، لون القزحية ، لون الجلد، لون الشعر، عدد مسارات بصمة الأبهام ، تركيبها الداخلي ، نوع فصيلة الدم ، عدد شرايين منطقة ما، أبعاد مختلف المكونات (طول، عرض ، أرتفاع، عمق) وغيرها. نجد أن الكائنات تزداد تعقيدا بزيادة مكوناتها المتفاعلة. وعلى كل حال، في علوم الأحياء وخاصة المجهرية نجد أن أبسط الكائنات تجريدا كالخلية مؤلفة من الالاف من المكونات. كل مكون ممثل بتركيب منفرد يميزه عن غيره موصوفا بقيمته. أن تنوع القيم المختلفة يخلق التغاير بين كائنات الجنس أو الصنف الواحد. ساعدت تقنيات الحاسبات والهندسة الطبية في الكشف عن تلك المحارف (أو السلاسل الجينيةDNA ) وقراءة كل هذه الصفات لمجموعة كبيرة من الكائنات الحية على شكل سلسلة محارف مؤلفة من A,T,G,C.

المشكلة

في الواقع، ليست قراءة تفاصيل الكائن الحي المعطى تسلسله الجيني بهذه السهولة. تكمن المشكلة ببساطة أن التسلسل المعطى خالي من القسم الأول من المزدوج (الصفات) وبترتيب مجهول. تخيل ان تعطى نصا يصف القلم السابق بالأسلوب التالي :

• (ازرق حبر اليابان 15سم 0.5سم 0.2سم) مرتبة ، مع التقطيع بدون الصفات.
• (ازرقحبراليابان15سم0.5سم0.2سم) مرتبة بدون تقطيع
• (15سمحبر0.5سماليابانحبر0.2سم) غير مرتبة وغير مقطعة.

ان الترتيب مجهول! تخيل أن تعطى نصا يصف مكونات كائنا أكبر كالسيارة بالأسلوب السابق! بنفس الأسلوب تقع سلاسل DNA للكائنات الحية، بشكل سلسلة طويلة ومكررة في أماكن مختلفة مع قيم فاعلة ومؤثرة وأخرى محبطة ومهملة وكلها بدون معرفة أية جزء يشير الى أية تركيب. أستطاع العلماء أن يجدوا تصنيف عدد كبير من السلاسل الجينية الى بروتينات وجينيات وعوامل وراثية وغيرها ومعرفة التفاعلات بينها والتي تؤدي الى تنظيم العمل الداخلي للخلية بشكل خاص وللكائن بشكل عام. يعد بروتين Bovine Insulin  أول بروتين علمت سلسلته المؤلفة من 51 حرفا وذلك عام 1955م. أنشئت بتقدم الزمن والعلم قواعد بيانات خاصة لحفظ التراكيب الجينية المكتشفة وذلك لأغراض الدراسة المستقبلية، أشهرها (مركز معلومات التقنية الأحيائية) أو (NCBI GenBank) في الولايات المتحدة.

الحلول

توفر برمجيات علوم الحاسبات (1) العديد من التقنيات التي تعمل على أيجاد تشابه بين مقاطع محددة من سلاسل الـ DNA  وبنسب أحصائية عالية لقياس التكرار وذلك بين مختلف الكائنات الحية والمتقاربة، فعلاوة على البرمجيات الخاصة توجد برمجيات عامة أهمها:

• Blast: برنامج يعمل على مقارنة السلاسل الجينية وذلك عن طريق محاذاة المقاطع (Sequence Alignment) المجتزئة من سلاسل الكائنات وأيجاد التشابه بينها.
• Fasta: برنامج يعمل على أيجاد التشابه والتماثل عبر محاذاة السلاسل، وهي تعتمد بشكل أساس على مبادئ البرمجة الأجتهادية (Heuristics Algorithms).
• RasMol: يحدد تركيبة الحمض النووي والبروتينات ، يستخدم لأستكشاف وظائف البروتينات.

أيجاد العلاج

يعمل الباحثون (2) على تتبع الأصل المحتمل لفيروس SARS-CoV-2  باستخدام تركيبه الجزيئي. وبالتالي أتخاذ علاجات مشابه لها. نظرًا للتشابه بين فيروسات كورونا SARS-CoV-2 والخفافيش الشبيهة بـ SARS-CoV ، فقد اشتبه الباحثون في أن الخفافيش تعمل كمستودع لأسلاف  SARS-Cov-2. ومن المثير للاهتمام ، وجد أن البروتين الشائك لفيروسات كورونا يحمل أكبر فرق وراثي بين SARS-CoV-2 وبين RaTG13 (وهو فيروس مأخوذ من خفاش Rhinolophus affinis). قد يوفر البروتين المغطي لسطح الفيروس (والذي يشبه التاج) والذي يرتبط بأغشية خلايا الثدييات أثناء العدوى، أدلة على كيف يمكن لـ SARS-CoV-2 أن يصيب الخلايا البشرية الآن. وجد عبر التحليل المقارن لسلاسل جينومية لفيروسات كورونا متعددة ، أن البروتين (التاج) في الكورونا يرتبط مع أنزيم ACE2 البشري، هذا الأنزيم سبق للسارس SARS-CoV أن أستخدمه كنقطة لدخول العدوى. وبالتالي أكتشف أن هناك تطابقا بنيويا بين ثلاثة من أصل ستة أجزاء (أحماض أمينية) مهمة بين كورونا والسارس (SARS-CoV-2 و SARS-CoV) يمكن أستهدافها عند صناعة العلاج. بصرف النظر عن استخدام علم الجينوم المقارن لتحليل تسلسل البروتين الشائك في سلالات مختلفة من فيروس كورونا ، يمكن أيضًا تطبيق المعلوماتية الحيوية لنمذجة كيفية تفاعل المركبات الكيميائية مع البروتين (التاج) ، مما يساعد في اكتشاف الأدوية. استخدم بعض علماء الفيزياء الحيوية في جامعة تينيسي الحاسوب العملاق SUMMIT الذي صنعته شركة IBM لفحص 9000 مركب من مكتبة SWEETLEAD ، والتي تتكون من الأدوية والمواد الكيميائية والأدوية العشبية والمنتجات الطبيعية ، ووجدوا أن هناك ما لا يقل عن 77 مركبًا يمكن أن يمنع العدوى في الخلايا البشرية. بعبارة أخرى ، يمكن للمركبات القادرة على الارتباط ببروتين السارس- CoV-2 ، أن تمنع نظريًا ارتباطها المستقبلي بأنزيم ACE2 البشري، وبالتالي أيقاف الفيروس عن غزو الخلايا البشرية. بشكل عام ، يقدم هذا العمل إطارًا للباحثين لدراسة سلوك تلك المركبات الكيميائية في الخلايا.