ביולוגיה חישובית ומבנית - מחקר ביולוגי בכלים חישוביים

ביולוגיה חישובית, גנומיקה, ורפואה מערכתית: מנתוני עתק להחלטות קליניות

כריית נתונים • ביולוגיה סינתטית • מולטי-אומיקה • מכונות מולקולריות

בפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת בר-אילן אנו מפתחים את האלגוריתמים שמאפשרים לפענח את שפת החיים. גידולים, גנומים ומיקרוביום אינם עבורנו מערכות ביולוגיות נפרדות, אלא רשתות מידע מורכבות המקיימות ביניהן יחסי גומלין. באמצעות שילוב של בינה מלאכותית וריצוף בתפוקה גבוהה, אנו מפענחים את המנגנונים הסמויים של מחלות ומפתחים בסיס לטיפולים מדויקים ומותאמים אישית.

פענוח הרשת: אונקולוגיה חישובית ודינמיקה של RNA

כיצד יכול מחשב לרתום נתוני עתק כדי לסייע לרופא לבחור טיפול מדויק יותר בסרטן?

סרטן הוא מחלה דינמית, המונעת משינויים ברשתות מורכבות של אותות ותהליכים תאיים. במעבדות שלנו אנו משלבים נתונים מולטי-אומיים בהיקף נרחב – ממוטציות ב-DNA וביטוי RNA ועד לשינויים אפיגנטיים – כדי לזהות את האירועים המולקולריים המניעים את המעבר מרקמה בריאה למצב מחלה, תוך התמקדות בסרטן השד ובסרטן הכבד.

אבל הגנום הוא רק הפרק הראשון. המחקר שלנו ממשיך מעבר ל-DNA ומתמקד גם בעולם הדינמי של עריכת RNA מסוג A-to-I. תאים משנים באופן שוטף את הוראות המידע הגנטי ברמת ה-RNA, וכך מרחיבים את מגוון המידע והתוצרים שמקורם בגנום, כחלק מתפקוד תקין, מהסתגלות, ולעיתים גם מתהליכי מחלה. אנו מפתחים כלים חישוביים, אלגוריתמים ושיטות סריקה כלל-גנומיות המאפשרים לזהות ולמפות דפוסי עריכת RNA בבריאות ובמחלה.

באמצעות שילוב של ריצוף ברמת התא הבודד, פרופילים גנומיים רחבי היקף ואפיון רפרטואר הקולטנים של תאי T, אנו יכולים לזהות דפוסים המאפיינים את הגידול ואת תגובת מערכת החיסון. שילוב המידע המולקולרי והקליני מאפשר לבנות תמונה מדויקת יותר של המחלה ולסייע בפיתוח טיפולים המותאמים למאפיינים הייחודיים של המטופל.

המערכת האקולוגית שבתוכנו: חקר הווירום והכימיה של התזונה

אילו נגיפים חיים בתוכנו, וכיצד המזון שאנו צורכים משפיע על בריאותנו?

בריאות האדם מושפעת ממערכת אקולוגית מיקרוסקופית מורכבת, ואנו ממפים את יחסי הגומלין המתקיימים בתוכה. בעוד שחקר המיקרוביום התמקד במשך שנים בעיקר בחיידקים, אנו חוקרים גם עולם מוכר פחות – הווירום האנושי. אנו מתמקדים בבקטריופאג'ים, נגיפים המדביקים חיידקים, כדי להבין כיצד הם משפיעים על הרכב המיקרוביום ועל פעילותו, מווסתים תהליכים דלקתיים, ומשפיעים על תגובת הגוף לתרופות.

גם המזון שאנו צורכים משנה את המערכת הזו. לכן אנו בוחנים תזונה לא רק במונחים של קלוריות, אלא כמערכת מורכבת של תהליכים כימיים וביולוגיים. צוותי המחקר שלנו עוקבים אחר מולקולות שמקורן במזון, בוחנים כיצד הן נעות בגוף וכיצד חיידקי המעי משנים אותן, וחוקרים כיצד המטבוליטים הנוצרים בתהליכים אלה משפיעים על תפקוד הכבד, על המטבוליזם המערכתי ועל התפתחות סרטן.

כדי למפות את המערכת המורכבת הזו, אנו משלבים מטבולומיקה ברזולוציה גבוהה, הפרדות HPLC, מודלים תאיים ובעכברים, ריצוף גנומי וכלים חישוביים מתקדמים. שילוב הכלים מאפשר לנו לזהות מנגנונים ביוכימיים ומיקרוביאליים המשפיעים על הפיזיולוגיה האנושית ועל התפתחות מחלות.

אלגוריתמים ביולוגיים ומבנים מולקולריים: מידול שערי התא

כיצד יכולים אלגוריתמים מתמטיים לחשוף את החוקים הפיזיים והמבניים של מערכות ביולוגיות?

כיצד הופך מידע המקודד ברצף למערכת חיה ומתפקדת? כדי לחבר בין מודלים חישוביים לבין המבנה הפיזי של מערכות ביולוגיות, אנו חוקרים את החיים משני כיוונים משלימים: מפתחים אלגוריתמים ומודלים לחיזוי מבנה ותפקוד, ובמקביל מפענחים את המבנים המולקולריים שבאמצעותם תאים קולטים מידע ומגיבים לסביבתם.

תאים קולטים אותות מסביבתם ומתרגמים אותם במהירות לתגובות פנימיות. אנו חוקרים קולטנים על פני התא, ובפרט קולטני טירוזין קינאז (receptor tyrosine kinases), המתארגנים ומשנים את המבנה שלהם כמכונות מולקולריות זעירות. באמצעות קריסטלוגרפיה בקרני X ומיקרוסקופיית אלקטרונים של חלקיק בודד, אנו מפענחים את המבנים הללו בשלבים שונים של פעילותם. כך ניתן להבין כיצד הם מעבירים מידע דרך קרום התא וכיצד שיבושים במבנה ובאיתות קשורים לתהליכים ביולוגיים ולמחלות, ובהן ניוון עצבי וסרטן.

במקביל, אנו מפתחים אלגוריתמים גנטיים, מודלים של למידת מכונה ורשתות עצביות עמוקות כדי לחקור מבנה וקיפול של חלבונים, RNA שאינו מקודד, ולחזות כיצד וריאנטים גנטיים משפיעים על אינטראקציות בין חלבונים ל-DNA ובין חלבונים ל-RNA. כך אנו משלבים ניתוח של נתונים ביולוגיים רחבי היקף עם מודלים חיזויים במטרה לפענח את העקרונות העומדים בבסיס בקרת גנים, מבנה ותפקוד ביולוגי.