Tính hợp nhất từ protein đến cơ quan: the Physiome Project.

Tính hợp nhất từ protein đến cơ quan: the Physiome Project.

Tính hợp nhất từ protein đến cơ quan: the Physiome Project.

GIỚI THIỆU

Cuộc cách mạng trong sinh học đã thực sự thống trị nghiên cứu sinh học trong suốt hơn 20 năm qua và nó thật sự lên đến đỉnh điểm khi mà toàn bộ bản đồ gene người được hoàn tất trong năm nay (2003). Về mặt đại cương có thể nói bộ gene người không quá phức tạp như người ta tưởng, nó chỉ chứa khoảng 40.000 gene mã hóa protein, nhưng việc tìm hiểu toàn bộ cơ chế điều hòa gene và toàn bộ sản phẩm phiên mã RNAs (gọi là transcriptome) mới thực sự là một thách thức to lớn, một nhiệm vụ nặng nề mà giới nghiên cứu đa lĩnh vực (sinh học, hóa học, vật lý, toán học, triết học ?) phải đối mặt trong tương tai. Có thể hình dung là một gene có thể ảnh hưởng đến 100 gene khác thông qua sự tương tác nhờ các yếu tố phiên mã. Nói một cách đơn giản hơn, việc khám phá toàn bộ các protein được sản xuất từ bộ genome (proteome) cũng như các protein được tạo thành từ quá trình hiệu chỉnh phiên mã và sau phiên mã mới chính là một vấn đề phải bàn trong tương lai. Do vậy, điều quan trong nhất hiện nay là phải tích hợp toàn bộ các dữ liệu sinh học hiện có đang tồn tại ở dạng thông tin di truyền trong geneome, cấu trúc protein, các con đường hoạt động của các hợp chất sinh học thành một hệ thống mô hình toán học đồng nhất. Điều này không chỉ đơn thuần là quản lý toàn bộ hệ thống dữ liệu sinh học hiện có mà cái chính là giúp cho các nhà khoa học có thể dễ dàng vượt qua tính phức tạp nhiều mặt của tế bào, mô và cơ quan.


Sinh lý học từ lâu đã là một ngành khoa học mang tính tích hợp về mặt chức năng của tế bào, mô, cơ quan và toàn bộ cơ thể sinh vật. Tuy nhiên, trong vòng 20 năm trở lại đây, các nhà sinh lý học đang phải đối mặt với nhiều khó khăn trong việc tiếp cận với khối lượng kiến thức khổng lồ có được từ cuộc cách mạng sinh học nói trên. Điều này có thể dễ dàng giải thích là do sự tiến bộ của ngành sinh học phân tử nói riêng và khoa học nói chung, nên quy mô và phạm vi nghiên cứu của các nhà sinh - y học đã thu hẹp lại rất nhiều, bắt đầu từ mức độ cơ thể xuống còn cơ quan rồ mô rồi dần dần xuống mức tế bào và bây giờ là ở mức độ phân tử, tuy vậy tính liên thông giữa các nghiên cứu này cũng thật sự chưa rõ ràng khiến cho việc hiểu rõ thấu đáo toàn bộ cơ chế hoạt động từ tế bào lên đến cơ thể ở mức độ chi tiết hóa là điều không tưởng. Nên nhớ là cơ quan và toàn bộ tập tính cơ thể sinh vật phải được hiểu biết chi tiết ở mức độ hệ thống và cả trong thuật ngữ ?osubcelllar function? (chức năng ở cấp dưới tế bào). Ví dụ để hiểu được hội chứng rối loạn nhịp tim, người ta không chỉ phải hiểu được cơ chế dòng ion tế bào và các con đường chuyển hóa dấu hiệu mà người ta bắt buộc phải nắm bắt được cấu trúc của tế bào tim, sự phân bố theo không gian của các kênh ion cũng như mật độ, vai trò của các cầu nối liên bào giữa các tế bào này; đó là chưa nói đến người ta phải hiểu được sinh hoạt sống của bệnh nhân, tìm hiểu phả hệ di truyền trong giòng họ người bệnh. Như vậy yêu cầu đặc ra là chúng ta cần phải có một mô hình gọi là mô hình sinh lý tích hợp chứa đựng toàn bộ thông tin về đặc đểm đặc tính giải phẫu, sinh học của tế bào mô cơ tim cũng như cơ chế hoạt động điện hóa, cơ chế trao đổi chất của tim ở điều kiện sinh lý bình thường và đương nhiên trong mọi điều kiện bệnh lý. Kỹ thuật máy tính và các công cụ phần mềm máy tính chuyên dụng đã cho phép chúng ta thực hiện thành công dự án này; hơn thế nữa từ mô hình tim chúng ta có thể áp dụng với các cơ quan và hệ thống khác trong cơ thể. Một ví dụ khác liên quan đến phổi đó là dự án do nhiều trường Đại học của UK, USA và New Zealand đang tham gia hợp tác thực hiện, theo đó các thông tin về sự vận chuyển và trao đổi khí, trao đổi máu ở phổi từ mức độ hệ hô hấp đến mức tế bào được tích hợp vào trong một mô hình mô phỏng máy trên máy tính. Để làm công việc này, các nhà sinh học cần có sự trợ giúp của mô hình máy tính và toán học. Tuy nhiên, hệ thống sinh học thì phức tạp hơn chúng ta tưởng. Do đó, để thành công với các dự án này thì người ta lại phải thiết kế riêng những trang thiết bị bao gồm cả dữ liệu phần cứng lẫn phần mềm và các phương tiện hỗ trợ khác. Hơn vậy nữa, các dự án này còn đòi hỏi một sự hợp tác đa lĩnh vực, đa ngành nghề, đa quốc gia ở một quy mô chưa từng thấy. Trên cơ sở các dự án nói trên, người ta nhận thấy cần phải nâng tầm quy mô mức độ công việc từ dự án đơn lẻ lên thành hệ thống các dự án nhằm tích hợp toàn bộ kiến thức ở mức độ genome và proteome vào trong cái gọi là chức năng sinh lý của sinh vật.

DỰ ÁN PHYSIOME PROJECT CỦA IUPS

Thuật ngữ Physiome được đưara trong báo cáo ở Commision on Bioenginnering in Physiology (Ủy ban Kỹ thuật sinh trong Sinh lý học) và tại kỳ hợp lần thứ 32 của International Union of Physiological Sciences (IUPS) Council ?" Hội đồng Hiệp hội Quốc tế các ngành Sinh học Sinh lý tổ chức tại Glasgrow năm 1993. Theo đó Physiome là từ ghép của hai chữ Physio- (nghĩa là sống) và ?"ome (nghĩa là như một tổng thể, toàn bộ). Thuật ngữa này có ý là ?omô tả về mặt định tính động học sinh lý và tập tính chức năng của cơ thể sinh vật?. Một hội thảo nhỏ mang tên ?oOn designing the Physiome Project? được tổ chức tại Petrodvterz, Nga ngay sau Hội nghị thế giới lần thứ 33 của IUPS ở St. Petersburg, Nga năm 1997. Một hội nghị khác về Physiome Project cũng được tổ chức bên lề của Hội nghị quốc tế lần 34 của IUPS tháng 8 năm 2001 tại Christchurch, New Zealand, theo đó Physiome Project được xem là nhiệm vụ trọng tâm của IUPS trong suốt thập kỷ tới.

Mục tiêu lâu dài của Physiome Project là nhằm hiểu biết toàn diện, sâu rộng về hình thái, chức năng sinh lý và bệnh lý cơ thể người và sử dụng các kiến thức hiểu biết này để tăng cường sức khỏe con người. Trong đó, cái đích nhắm chủ yếu là phát triển mô hình mô hình máy tính nhằm tích hợp toàn bộ các dữ liệu quan sát thực nghiệm từ nhiều phòng thí nghiệm khác nhau thành những khối kiến thức mô tả có tính chất bao quát toàn diện, định tính và nhất quán. Cũng như Human Genome Project, dự án về sinh lý người này cũng cần sự hỗ trợ rất đắc lực của hệ thống Internet nhằm tập hợp kết nối một số lượng lớn các phòng thí nghiệm sinh lý và các phòng thí nghiệm khác liên quan lại với nhau. Việc kết nối các phòng thí nghiệm này giúp cho việc thu thập - cung cấp - khai thác thông tin về chức năng hệ thống sinh học, bộ gene người, hình thái và động học các phân tử thành phần, sinh học tế bào cho đến toàn bộ cơ thể chức năng trở nên thuận tiện hơn. Các dữ liệu này, thực chất ban đầu chỉ là các dữ liệu thô, từ đó người ta sẽ xây dựng và phát triển thành các thông tin hữu dụng về mô hình hệ thống sinh lý từ đó xây dựng dần lên mô hình toàn bộ cơ quan cơ thể. Cũng nói thêm là dữ liệu về cấu trúc mô và tế bào cũng như chức năng sinh lý của chúng hiện nay đang gia tăng đến mức chóng mặt do được sự hỗ trợ của các kỹ thuật cao cấp như kỹ thuật chụp hình 3D tế bào. Tương tự, các chuơng trình máy tính và mô hình mô phỏng cũng đã và đang phát triển với tốc độ nhanh với tốc độ không kém, điều này cho phép các nhà sinh học- vật lý- toán học- máy tính có đủ điều kiện phát hoạvà xây dựng các mô phỏng máy tính mang tính hiện thực hơn so với trước đây (vốn chỉ mang tính tượng trưng do thiếu dữ liệu sinh học). Bên cạnh những mục tiêu chính mà chúng ta đề cập ở trên, một mục tiêu khác nằm trong Physiome Project cũng quan trọng không kem đó là thúc đẩy các lĩnh vực nghiên cứu sinh y học có liên quan; tạm thời thì Physiome Project sẽ thương mại hóa các dữ liệu (bài báo, patents, sách ?) và các mô hình tham khảo có khả năng sử dụng rộng rãi cho người sử dụng không chuyên tóan.

QUY MÔ THỜI GIAN VÀ KHÔNG GIAN CỦA PHYSIOME PROJECT


Concay