Dziesięć tysięcy lat po tym, jak ostatnie mamuty włochate zniknęły wraz z ostatnią epoką lodowcową, zespół biologów komputerowych ma misję przywrócenia ich z powrotem w ciągu pięciu lat.

Kierowana przez pioniera biologii syntetycznej, George’a Churcha, firma Colossal Biosciences stara się również zwrócić ptaka dodo i tygrysa tasmańskiego, a także pomóc w ratowaniu zagrożonych gatunków.

„Mamut włochaty to bardzo kultowy gatunek, który należy przywrócić” – powiedziała Eriona Hysolli, szef nauk biologicznych w Colossal Biosciences z siedzibą w Austin w Teksasie. „Ponadto postrzegamy ten rurociąg jako zastępczy środek ochrony, biorąc pod uwagę, że słonie są zagrożone, a wiele z tych prac przynosi im bezpośrednie korzyści”.

Jest też wiele do zrobienia w przypadku zagrożonych gatunków.

Krytycznie zagrożony wyginięciem afrykański słoń leśny zmniejszył się o prawie 90% w ciągu ostatnich trzech dekad, według Colossal. Według firmy kłusownictwo zabrało ponad 100 000 słoni afrykańskich tylko w latach 2010-2012.

„Możemy stracić te gatunki słoni za naszego życia, jeśli ich liczba nadal będzie się zmniejszać” – powiedział Hysolli.

Ludzie spowodowali wyginięcie wielu gatunków, ale biolodzy obliczeniowi próbują teraz przywrócić je za pomocą CRISPR i innych technologii edycji genów, skoków w sztucznej inteligencji oraz narzędzi i technologii bioinformatycznych, takich jak pakiet oprogramowania NVIDIA Parabricks do analizy genomicznej.

Aby przywrócić mamuta włochatego, naukowcy z Colossal rozpoczynają od sekwencjonowania genomu mamuta i słonia i określają, co czyni je podobnymi i różnymi. Następnie wykorzystują komórki słonia azjatyckiego do inżynierii zmian u mamutów odpowiedzialnych za cechy adaptacyjne do zimna, przenosząc jądra edytowanych komórek do pozbawionych jądra jaj słonia przed wszczepieniem ich zdrowemu surogatowi słonia azjatyckiego.

Postęp technologiczny napędza skoki w genomice

Pierwsze sekwencjonowanie ludzkiego genomu wymagało ogromnego wysiłku w ciągu dwóch dekad, nie wspominając o finansowaniu w wysokości 3 miliardów dolarów. Ale teraz zostało to zredukowane do zaledwie godzin i poniżej 200 USD za cały genom, dzięki transformacyjnemu wpływowi sztucznej inteligencji i przyspieszonych obliczeń.

To historia dobrze znana współzałożycielowi firmy Colossal, Church. Profesor Harvard Medical School i współzałożyciel około 50 start-upów biotechnologicznych od dziesięcioleci stoi na czele badań genetycznych.

„Nastąpiło około 20-milionowe obniżenie ceny i podobna poprawa jakości w ciągu nieco ponad dekady lub półtorej dekady” — powiedział Church w niedawnym wywiadzie dla podcastu TWiT.

Badania, aby ukończyć referencyjną zagadkę genomu

Praca Colossala polegająca na zbudowaniu referencyjnego genomu mamuta włochatego jest podobna do próby ułożenia puzzli.

Sekwencje DNA z próbek kości są składane in silico. Jednak degradacja DNA w miarę upływu czasu oznacza, że ​​nie ma tam wszystkich fragmentów. Luki, które należy wypełnić, można określić za pomocą genomu słonia azjatyckiego, najbliższego żyjącego krewnego mamuta.

Po skonfigurowaniu przybliżonej reprezentatywnej sekwencji genomu następuje analiza wtórna, w której pojawia się akceleracja GPU za pomocą Parabricks.

Zestaw narzędzi bioinformatycznych w Parabricks może zapewnić ponad 100-krotne przyspieszenie standardowych narzędzi branżowych używanych do wyrównywania i wywoływania wariantów. Na etapie dopasowywania krótkie fragmenty lub odczyty z sekwencjonowanej próbki są dopasowywane we właściwej kolejności, przy użyciu genomu odniesienia, którym w tym przypadku jest genom słonia azjatyckiego. Następnie, na etapie wywoływania wariantów, narzędzia Parabricks identyfikują warianty lub różnice między zsekwencjonowanymi próbkami całego genomu mamuta a odniesieniem słonia azjatyckiego.

We wrześniu firma Colossal Biosciences stworzyła Form Bio, która oferuje przełomową platformę obliczeniową dla nauk przyrodniczych, aby wspomóc jej wysiłki i komercjalizować innowacje naukowe. Form Bio jest członkiem NVIDIA Inception, programu, który zapewnia firmom wsparcie technologiczne i wskazówki dotyczące platform AI.

Parabricks zawiera niektóre z tych samych narzędzi, co te open-source, z których korzystał Form Bio, co ułatwia zastąpienie ich wersjami tych narzędzi akcelerowanymi przez GPU NVIDIA, powiedziała Brandi Cantarel, wiceprezes ds. bioinformatyki w Form Bio.

W porównaniu z oprogramowaniem typu open source na procesorach, Parabricks działający na procesorach graficznych umożliwia firmie Colossal ukończenie kompleksowej analizy sekwencji 12 razy szybciej i za jedną czwartą kosztów, przyspieszając badania.

„Otrzymujemy bardzo porównywalne lub dokładnie takie same wyniki, a było to szybsze i tańsze” — powiedział Cantarel.

Analiza ukierunkowana na tolerancję na zimno dla mamuta włochatego

Wiele zależy od sekwencjonowania i analizy.

Platforma Form Bio zawiera narzędzia, które mogą ocenić, czy badacze dokonują właściwych edycji CRISPR i pomagają w analizie, czy komórki są edytowane.

„Czy możemy określić, jakie są cele, do których faktycznie musimy dążyć, edytować je i konstruować? Odpowiedź brzmi: zdecydowanie tak, a my bardzo dobrze wyselekcjonowaliśmy wpływowe różnice genetyczne” – powiedział Hysolli.

Innym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest zanieczyszczenie próbek przez ludzi. Tak więc dla każdej badanej próbki badacze muszą przeprowadzić analizę w odniesieniu do odniesień do komórek ludzkich, aby odrzucić te zanieczyszczenia.

Naukowcy zgromadzili wiele okazów mamutów włochatych na przestrzeni lat, a najlepsze są próbki zębów lub kości znalezione w wiecznej zmarzlinie. „Korzystamy z faktu, że mamuty włochate były dobrze zachowane, ponieważ żyły w środowisku arktycznym” – powiedział Hysolli.

Według Bena Lamma, dyrektora generalnego i współzałożyciela Colossal, słoń azjatycki jest w 99,6% taki sam jak genetycznie mamut.

„Celujemy po prostu w około 65 genów, które reprezentują tolerancję na zimno, podstawowe fenotypy, których szukamy”, powiedział niedawno na scenie w South by Southwest w Austin.

Korzyści dla różnorodności biologicznej, ochrony przyrody i ludzkości

Colossal ma na celu stworzenie genomów referencyjnych dla gatunków, takich jak mamut, które reprezentują szerokie próbki populacji. Przyglądają się mamutom z różnych regionów globu i okresów. Zdaniem naukowców z firmy konieczne jest przeanalizowanie różnorodności biologicznej i wykonanie więcej sekwencjonowania.

„Ponieważ tracimy różnorodność biologiczną, ważne jest, aby przywrócić lub przywrócić gatunki i ich ekosystemy, co z kolei pozytywnie wpływa na ekologię i wspiera ochronę”, powiedział Hysolli.

Genetyka populacji jest ważna. Naukowcy muszą zrozumieć, jak różne i podobne są do siebie te zwierzęta, aby w przyszłości mogły tworzyć dobrze prosperujące populacje – powiedziała.

To zapewnia większe szanse przeżycia. „Musimy się upewnić – to właśnie sprawia, że ​​​​populacja kwitnie, gdy ponownie się dziczy” – powiedział Hysolli, odnosząc się do sytuacji, gdy zespół wprowadza gatunek z powrotem do siedliska arktycznego.

Odkryto również, że słonie są bardziej odporne na raka — dlatego naukowcy przyglądają się czynnikom genetycznym i ich wpływowi na ludzi.

„Ta praca przynosi korzyści nie tylko wysiłkom Colossala na rzecz przeciwdziałania wyginięciu i ochronie, ale te technologie, które budujemy, można zastosować do poprawy zdrowia ludzkiego i leczenia chorób” – powiedział Hysolli.

Dowiedz się więcej o NVIDIA Parabricks do przyspieszonej analizy sekwencjonowania genomu.