חוקרים פיתחו אלגוריתם הקורא את ה-DNA שלנו כשפה אנושית

ד"ר ברק עקביוב: "בעזרת הכלי שפיתחנו ניתן לשלוט על אינטראקציה ספציפית שבין DNA לחלבון, לזהות רצפים ב-DNA החשובים לשכפול התקין של החומר הגנטי לפני חלוקת התא ולהערכתי יהיה ניתן להיעזר בשיטה זו לטובת תכנון תרופות חדשניות בעתיד בהתאם לצורך"

מדענים מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב פיתחו אלגוריתם המאתר רצפים ב-DNA, בעזרתם ניתן לשכפל את החומר התורשתי בתא. שיטה מולטי-דיסציפלינרית זו תאפשר בעתיד תכנון תרופות חדשניות בהתאם לצורך. ממצאי השיטה פורסמו בכתב העת  Nucleic Acid Research.

הקוד להוראות ההפעלה בכל תא חי אצור בחומר התורשתי שלנו, ה-DNA. בדומה לטקסט המורכב מאותיות, המסתדרות למילים ומשפטים היוצרים סיפור בעל משמעות, ההרכב הכימי של ה-DNA המכיל אותיות, מאפשר לאגור מידע המקודד להוראות הפעלה של התא החי. למעשה, ה-DNA הינו דוגמא לטקסט של שפה לא אנושית עם הוראות הפעלה הדרושות לשמירה על קיום החיים.

אמנם, השפה המקודדת ב-DNA אינה אנושית, אך היא מקיימת תנאי סמנטיקה ותחביר כך שהכלים המשמשים אותנו כיום בניתוח טקסטים, יכולים לשמש אותנו גם בניתוח רצפי DNA בעלי משמעות ביוכימית בתוך התא. באופן דומה למציאת מילים בעלות הֶקשֵׁר דומה בטקסט ארוך, או מציאת קבוצת מילים עם שורש זהה, אפשר למצוא רצפים בעלי משמעות ב-DNA. נתון זה מאפשר הבנה עמוקה יותר של תהליכים ביוכימיים בתאים התלויים במשמעות רצף ה-DNA.

תכונות הטבועות ברצף ה-DNA משפיעות על אינטראקציות עם חלבונים. ל-DNA יש יכולת לזמן אליו חלבון מפתח (פרימאז) לשכפול הקוד הגנטי. קשירה ספציפית של הפרימאז לרצף מסוים מתאפשרת בזכות תכונות האצורות ברצף ה-DNA. תכונות אלו מאפשרות לרצפי היכרות ספציפיים לחלבונים לקבל משמעות סמנטית ותחבירית ממש כמו במילים בעלות שורש משותף, כך נעשה זיהוי למאפיינים דומים.

לצורך הבנת שפת ה-DNA, פיתחו חוקרים במעבדה הביוכימית-חישובית של ד"ר ברק עקביוב מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, אלגוריתם המפצח את הקוד ברצף ה-DNA כמו שפה אנושית ואפילו מנבא את יכולת החלבון לבצע פעילות שאפשר למדוד אותה. האלגוריתם לומד את אוסף החוקים המקודדים ב-DNA וחשובים לקישור החלבון.

מטרת השיטה הייתה לאתר מאפיינים חבויים ב-.DNA בתחילה רצפי DNA סווגו לקבוצות בעלות סממנים משותפים שהתבררו כחשובים לקישור. כך למשל, התגלו קבוצות המכילות סממנים, תכונות ומבנים משותפים שקבעו ערך קישור גבוה של DNA לפרימאז, ערך קישור נמוך לפרימאז וגם קבוצה עם ערכי קישור מעורבים.

התובנות שהתקבלו אפשרו לבנות מודל חיזוי המתחשב בערכי הקישור שנמדדו לכל הרצפים. המודל אפשר לקבוע באופן מדויק ערכי קישור לכל רצף DNA ואפילו שימש לתכנון רצף חדש. החוקרים לא הסתפקו בבדיקת טיב המודל באמצעות מדגם הבדיקה, אלא בדקו בניסוי ומצאו התאמה מלאה בין פעילות הפרימאז לערכי הקישור שנחזו עבור רצפי DNA שונים.

המודל החישובי שפותח יאפשר לקבוע מוטיבים של רצף ב-DNA החשובים גם במנגנונים אחרים בתא התלויים בקישור ספציפי של חלבון ל-DNA (מעבר לשכפול DNA). הבנה של קישור DNA ספציפי לחלבון תאפשר לשלוט על ביטוי גנטי, למשל על ידי תיאום חלבונים המזהים רצפים ספציפיים ומגייסים את מכונת שעתוק הגן.

"הצלחנו לפתח שיטה מולטי-דיסציפלינרית שהביאה עימה כמה רמות של חדשנות", מסביר ד"ר ברק עקביוב. "בעזרת הכלי שפיתחנו ניתן לשלוט על אינטראקציה ספציפית שבין DNA לחלבון, לזהות רצפים ב-DNA החשובים לשכפול התקין של החומר הגנטי לפני חלוקת התא ולהערכתי יהיה ניתן להיעזר בשיטה זו לטובת תכנון תרופות חדשניות בעתיד בהתאם לצורך".

קבוצת המחקר כללה את: ד"ר דן וילנצ'יק מהמחלקה להנדסת מערכות תקשורת באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, אדם סופר, שרה אייזדורף, מוריה יפרח, סטפן איליץ׳ וד"ר ברק עקביוב– כולם מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב.

מחקר זה (מס' 1023/18) נתמך על-ידי הקרן הלאומית למדע.