علم اغلب تحت تأثیر دنیای نادیدنی باکتری‌هایی قرار دارد که در کنار ما زندگی می‌کنند. این موجودات میکروسکوپی نقش حیاتی در بدن ما ایفا می‌کنند و بر جنبه‌های مختلفی از جمله هضم غذا و خلق‌وخو تأثیر می‌گذارند.
محققان دانشگاه گالوی اخیراً مجموعه‌ای متشکل از ۲۴۷,۰۹۲ مدل کامپیوتری از این باکتری‌ها را معرفی کرده‌اند که بزرگ‌ترین کتابخانه دیجیتالی میکروب‌ها تا به امروز محسوب می‌شود.
پروژه آن‌ها که APOLLO نام دارد، روشی نوین برای مطالعه میکروبیوم ارائه می‌دهد، بدون اینکه نیاز به آزمایش‌های کند و وقت‌گیر آزمایشگاهی باشد.
این تلاش بلندپروازانه تحت رهبری پروفسور اینس تیل، محقق ارشد در APC Microbiome Ireland واقع در دانشگاه کالج کورک انجام شده است. او همچنین مدیر مرکز دوقلوی متابولیک دیجیتال دانشگاه گالوی است، جایی که این مجموعه عظیم مدل‌سازی ایجاد شد.
میکروب‌های دیجیتال، تغییر در معادلات علمی
APOLLO شامل مدل‌های کامپیوتری دقیقی است که عملکرد متابولیک هر باکتری را شبیه‌سازی می‌کنند. این عملکردها شامل نحوه تبدیل مواد مغذی به انرژی و فرآورده‌های جانبی است که می‌توانند بر بدن ما تأثیر بگذارند.
این کتابخانه همچنین ۱۴,۴۵۱ شبیه‌سازی جمعیتی را بر اساس نمونه‌های واقعی از گروه‌های سنی مختلف و نقاط گوناگون جهان در بر دارد. با تجزیه و تحلیل این جوامع میکروبی، دانشمندان می‌توانند به الگوهایی مرتبط با رژیم‌های غذایی، مراحل مختلف زندگی و خطر بیماری‌ها پی ببرند.
دکتر سیریل تینس، دانشمند پروژه در دانشگاه گالوی، می‌گوید:
“APOLLO یک نقطه عطف بزرگ در مدل‌سازی شخصی‌سازی‌شده میکروبیوم در مقیاس جهانی محسوب می‌شود.”
او همچنین اشاره می‌کند که بررسی باکتری‌های بدن ما برای کشف تأثیر آن‌ها بر وضعیت‌های مختلف سلامتی حیاتی است.
پل ارتباطی بین میکروب‌ها و سلامت
میکروبیوم مجموعه‌ای زنده از باکتری‌ها، ویروس‌ها و سایر میکروارگانیسم‌ها است. دانشمندان مدت‌هاست که گمان می‌کنند این همراهان زنده بر سلامت ایمنی، جذب مواد مغذی و بسیاری از بیماری‌های مزمن تأثیر دارند.
یکی از ویژگی‌های مهم این کتابخانه، امکان شناسایی نوروتوکسین‌های خاص یا مولکول‌های مفید است. با شبیه‌سازی فعالیت‌های باکتریایی در روده، محققان می‌توانند سیگنال‌های متابولیکی را که ممکن است بر سلامت روان و بیماری‌های مغزی تأثیر بگذارند، بهتر درک کنند.
شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد عدم تعادل در فلور روده می‌تواند بر بیماری پارکینسون تأثیر بگذارد. بررسی این ارتباطات ظریف ممکن است به توسعه ابزارهای جدید تشخیصی منجر شود.
به‌طور کلی، این رویکرد مبتنی بر نرم‌افزار روند تحقیقات را سرعت می‌بخشد. به جای رشد کند میکروب‌ها در شرایط دشوار آزمایشگاهی، دانشمندان می‌توانند ایده‌های خود را به‌صورت دیجیتال بررسی کنند و از طریق همکاری‌های جهانی، به بینش‌های جدیدی دست یابند.
هدف‌گیری بیماری‌ها با ابزارهای شخصی‌سازی‌شده
برخی از شبیه‌سازی‌های دیجیتالی در این کتابخانه ارتباط احتمالی با بیماری‌هایی مانند کرون را نشان داده‌اند. محققان نشانگرهای متابولیکی را کشف کرده‌اند که می‌تواند در شناسایی و پایش این بیماری التهابی مؤثر باشد.
APOLLO همچنین می‌تواند نحوه رفتار باکتری‌ها در بدن کودکان دچار سوءتغذیه را شبیه‌سازی کند. این ویژگی می‌تواند برای تلاش‌های جهانی در زمینه بهداشت، به‌ویژه در مقابله با سوءتغذیه کودکان، مفید باشد.
با شناسایی سویه‌های خاص باکتریایی یا متابولیت‌های مرتبط با یک بیماری، درمان‌های جدیدی می‌توانند توسعه یابند. پزشکان ممکن است با تنظیم رژیم غذایی فرد یا تجویز پروبیوتیک‌های تخصصی، به بازگرداندن تعادل در میکروبیوم روده کمک کنند.
پروفسور تیل تأکید می‌کند:
“میکروبیوم انسانی یک عامل کلیدی در سلامت و بیماری است که به‌طور پویا با میزبان خود تعامل دارد. این مدل‌های دیجیتالی امکان بررسی دقیق‌تر چگونگی پاسخ میکروب‌ها به مداخلات مختلف را فراهم می‌کنند.”
فراتر از روده
اگرچه بیشتر افراد باکتری‌های روده را با هضم غذا مرتبط می‌دانند، اما میکروب‌ها در دهان، پوست و سایر بخش‌های بدن نیز حضور دارند. داده‌های APOLLO شامل مناطق مختلف بدن است و تنوع جغرافیایی و جمعیتی گسترده‌ای را پوشش می‌دهد.
جوامع غیرغربی معمولاً پروفایل‌های باکتریایی متمایزی دارند که ممکن است سرنخ‌هایی درباره مقاومت در برابر برخی بیماری‌ها ارائه دهند. مطالعه این تفاوت‌ها می‌تواند به تدوین راهنمایی‌های بهداشتی در زمینه مصرف آنتی‌بیوتیک و رژیم غذایی کمک کند.
این دیدگاه گسترده‌تر به محققان کمک می‌کند تا ببینند شرایط مختلف زندگی چگونه اکوسیستم‌های میکروبی را شکل می‌دهند. آن‌ها امیدوارند که با مقایسه جمعیت‌های مختلف، الگوهایی مرتبط با سلامت بهتر را شناسایی کنند.
مدل‌های دیجیتالی میکروب‌ها برای مراقبت‌های بهداشتی
این مدل‌های دیجیتال یک منبع در حال توسعه برای پزشکی شخصی‌سازی‌شده محسوب می‌شوند. با ترکیب داده‌های بیماران با شبیه‌سازی‌های میکروبیومی، پزشکان ممکن است به‌زودی بتوانند درمان‌های دقیق‌تری ارائه دهند.
آزمایش‌های انسانی همچنان ضروری خواهند بود، اما کار محاسباتی می‌تواند ایده‌های امیدوارکننده را پالایش کند. به جای اتلاف وقت بر روی حدس‌های کلی، متخصصان می‌توانند سریع‌تر استراتژی‌های مؤثرتر را شناسایی کنند.
کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که در آینده، مدل‌های دیجیتالی از بیماران بتوانند واکنش‌های آن‌ها را به رژیم‌های غذایی و داروها پیش‌بینی کنند. این امر می‌تواند آزمون‌وخطا در درمان را کاهش دهد و راهکارهای دقیق‌تری را به بیماران ارائه کند.
APOLLO ثابت می‌کند که مدل‌سازی در مقیاس وسیع می‌تواند خارج از محیط‌های سنتی آزمایشگاهی نیز موفق عمل کند. این پروژه گامی در جهت جامع‌تر و در دسترس‌تر کردن این شبیه‌سازی‌ها است.
تیم‌های تحقیقاتی سراسر جهان اکنون می‌توانند از این منبع بهره ببرند و ارتباطات جدیدی در حوزه سلامت کشف کنند. این پژوهش در نهایت می‌تواند به پیشرفت‌هایی در تشخیص بیماری‌ها، توسعه داروها و علم تغذیه منجر شود.
نتایج این مطالعه در مجله Cell Systems منتشر شده است.
