כאשר שיאוקסי מנג וז'קאי ליאנג הציעו את הרעיון לראשונה לפני מספר שנים, ג'יימס שנבל היה ספקן. בלשון המעטה.
"'ובכן, אתה יכול לנסות, אבל אני לא חושב שזה יצליח', נזכר הפרופסור לאגרונומיה ולגננות ואמר למנג וליאנג, אז חוקרים פוסט -דוקטורט במעבדת שנבל באוניברסיטת נברסקה - לינקולן.
הוא טעה, ובדיעבד, מעולם לא היה שמח יותר. אולם באותה תקופה הייתה לשנאבל סיבה הוגנת להרים גבה. הרעיון של הצמד-שרצפי ה- DNA של גידולים רגישים לקור שנכנעים לכפור קשה יכולים לעזור לחזות כיצד צמחים פרועים וקשים יותר סובלים תנאי הקפאה-נראו נועזים. בלשון המעטה. ובכל זאת, זו הייתה הצעה בעלת סיכון נמוך ותגמול גבוה. כי אם מנג וליאנג היו יכולים לגרום לזה לפעול, זה עשוי רק לבצע פעולות מהירות להפוך גידולים רגישים לקור קצת יותר או אפילו הרבה יותר כמו עמיתיהם העמידים בפני קור.
כמה מהגידולים החשובים בעולם בייו באזורים טרופיים - תירס בדרום מקסיקו, דורה במזרח אפריקה - שלא הפעילו עליהם לחץ סלקטיבי לפתח הגנות מפני קור או הקפאה. כאשר גידולים אלה גדלים באקלים קשה יותר, רגישותם לקור מגבילה את מוקדם לשתילתם וכמה מאוחר ניתן לקצור אותם. עונות גידול קצרות יותר שוות פחות זמן לפוטוסינתזה, וכתוצאה מכך תשואות קטנות יותר ופחות מזון לאוכלוסייה גלובלית שצפויה להתקרב ל -10 מיליארד בני אדם עד שנת 2050.
אקלים קר
מינים של צמחים שכבר צומחים באקלים קר יותר, התפתחו בינתיים טריקים כדי לסבול את הקור. הם יכולים להגדיר מחדש את ממברנות הסלולר שלהם כדי לשמור על נזילות בטמפרטורות נמוכות יותר, ולמנוע מהקרום לקפוא ולשבור. הם יכולים להוסיף נטיפי סוכרים לנוזלים בקרומים אלה וסביבם, ולהוריד את נקודת ההקפאה שלהם באופן דומה למלח של המדרכה. הם יכולים אפילו לייצר חלבונים שמחנקים גבישי קרח זעירים לפני שקריסטלים אלה גדלים להמונים פורצי תאים.
כל אותן הגנות מקורן ברמה הגנטית, אם כי לא רק ברצפי ה- DNA עצמו. כאשר הצמחים מתחילים לקפוא, הם יכולים להגיב על ידי כיבוי או הפעלה של גנים מסוימים - מניעה או מתן אפשרות לתמלל ולבצע את מדריכי ההוראה הגנטית שלהם. הידיעה אילו גנים צמחים עמידים לקור נכבים ונדלקים לנוכח טמפרטורות הקפאה, אם כן, יכולה לסייע לחוקרים לתפוס את יסודות הביצורים שלהם ובסופו של דבר להנדס הגנות דומות לגידולים רגישים לקור.
אבל שנבל גם ידע, כמו מנג וליאנג, שגם גן זהה מגיב לעתים קרובות אחרת לקור בין מיני צמחים, אפילו קרובים. מה שאומר, באופן מתסכל, שההבנה כיצד גן מגיב לקור במין אחד נוטה לספר למדעני הצמחים כמעט שום דבר מכריע לגבי התנהגות הגן באחר. חוסר הצפי הזה, בתורו, מעכב את המאמצים ללמוד את הכללים המכתיבים מה ינטרל או יפעיל גנים.
"אנחנו עדיין ממש ממש לא מבינים מדוע גנים נכבים ונדלקים", אמר שנבל.
צמחי תירס
מחוסר ספר החוקים, פנו החוקרים ללמידת מכונה, צורה של בינה מלאכותית שיכולה בעצם לכתוב משלה. הם פיתחו במיוחד מודל סיווג בפיקוח-מהסוג שיכול, כאשר מוצגים לו מספיק תמונות מסומנות של, למשל, חתולים ולא חתולים, בסופו של דבר ללמוד להבחין בין הראשון לשני. הצוות הציג בתחילה מודל משלו עם ערימה עצומה של גנים רצופים מתירס, יחד עם רמות הפעילות הממוצעות של אותם גנים כאשר הצמח היה נתון לטמפרטורות קפואות. הדגם הוזן גם "בכל תכונה שיכולנו לחשוב עליה" עבור כל גן תירס, אמר שנבל, כולל אורכו, יציבותו והבדלים בינו לבין גרסאות אחרות שלו הנמצאות בצמחי תירס אחרים.
מאוחר יותר, החוקרים בדקו את המודל שלהם בכך שהסתירו ממנו רק מידע אחד בקבוצת משנה של אותם גנים: האם הם הגיבו לתחילת הטמפרטורות הקפואות ובין אם לא. על ידי ניתוח תכונות הגנים שנאמר לו שהם מגיבים או שאינם מגיבים, המודל הבחין אילו שילובים של תכונות אלה רלוונטיים לכל אחד-ולאחר מכן חילק בהצלחה את רוב הגנים הנותרים של תיבת המסתורין לקטגוריות הנכונות שלהם.
זו הייתה התחלה מבטיחה, אין ספק. אבל המבחן האמיתי נשאר: האם המודל יכול לקחת את ההכשרה שקיבל במין אחד ולהחיל אותו על סוג אחר?
התשובה הייתה כן סופית. לאחר שהוכשר לנתוני DNA רק מאחד מתוך שישה מינים - תירס, דורה, דוחן פנינה, דוחן פרוסו, דוחן זנב שועל או עשב מתג - המודל הצליח בדרך כלל לחזות אילו גנים בכל אחד מחמשת האחרים יגיבו להקפאה. להפתעתו של שנבל, המודל החזיק מעמד גם כשהוכשר על מין רגיש לקור-תירס, דורה, פנינה או דוחן פרוסו-אך הוטל עליו לחזות תגובות גנטיות בדוחן זנב השועל או בקו הדשא.
מספר סימוכין
"המודלים שהכשרנו עבדו בצורה טובה יותר בין המינים כאילו היו לך נתונים במין אחד והשתמשת בנתונים הפנימיים כדי לבצע את התחזיות באותו מין", אמר, רמז לתמיהה מתעכב בקולו חודשים לאחר מכן. "באמת לא הייתי חוזה את זה."
"הרעיון שנוכל פשוט להזין את כל המידע הזה למחשב, והוא יכול להבין לפחות כמה כללים לביצוע תחזיות שעובדות, עדיין מדהים בעיני."
תחזיות אלה יכולות להיות שימושיות במיוחד כאשר בוחנים את האלטרנטיבה. במשך כעשור בערך, ביולוגים של צמחים הצליחו למעשה למדוד את מספר מולקולות ה- RNA - אלה שאחראיות לתמלול ולהעברת הוראות DNA - המיוצרות על ידי כל גן בצמח חי. אבל השוואת האופן שבו ביטוי גנים זה מגיב לקור בדגימות חיות, ובין מספר מינים, היא התחייבות מאומצת, אמר שנבל. זה נכון במיוחד לגבי צמחי בר, שאת הזרעים שלהם קשה אפילו לרכוש. זרעים אלה עלולים שלא לנבוט כמצופה, אם בכלל, ויכולים לקחת שנים לגדול. גם אם כן, יש לגדל כל צמח שנוצר בסביבה זהה מבוקרת וללמוד אותו באותו שלב התפתחותי.
עוד מינים
כל זה מהווה אתגר עצום לגידול מספיק דגימות בר, ממספיק מיני בר, לשכפל ולהעריך סטטיסטית את תגובות הגנים שלהם לקור.
"אם אנחנו באמת רוצים להבין מה הגנים החשובים - שלמעשה משחקים תפקיד באופן שבו הצמח מסתגל לקור - עלינו להסתכל על יותר משני מינים", אמר שנבל. "אנחנו רוצים להסתכל על קבוצת מינים שהם סובלניים לקור ועל קבוצה רגישה, ולהסתכל על הדפוסים:" אותו הגן תמיד מגיב באחד ותמיד לא מגיב בשני. "
"זה מתחיל להפוך לניסוי ממש גדול ויקר. זה יהיה ממש נחמד אם רק נוכל לחזות מרצפי ה- DNA של אותם מינים במקום, למשל, לקחת 20 מינים ולנסות להשיג את כולם באותו שלב, להעביר את כולם את אותם טיפולי סטרס בדיוק, ו למדוד את כמות ה- RNA המיוצר לכל גן בכל מין ".
למרבה המזל למודל, החוקרים כבר רצפו את הגנום של יותר מ -300 מיני צמחים. מאמץ בינלאומי מתמשך עשוי להעלות מספר זה עד ל -10,000 בשנים הקרובות.
למרות שהמודל כבר עלה בפראות על הציפיות הצנועות שלו, שנבל אמר כי הצעד הבא יכלול בכל זאת "לשכנע את עצמנו ואנשים אחרים" שהוא עובד כמו שהוא עשה עד כה. בכל מקרה בדיקה עד כה, החוקרים ביקשו מהמודל לספר להם את מה שהם כבר יודעים. המבחן האולטימטיבי, לדבריו, יגיע כאשר בני האדם והמכונה מתחילים מאפס.
"הניסוי הגדול הבא שאני חושב שעלינו לעשות הוא לנבא תחזיות לגבי מין שבו אין לנו כלל נתונים", אמר. "לשכנע אנשים שזה באמת עובד במקרים שאפילו אנחנו לא יודעים את התשובות."
הצוות דיווח על ממצאיו בכתב העת Proceedings of the National Academy of Sciences. מנג, ליאנג ושנבל חיברו את המחקר עם רבקה רוסטון, ננגסקה, יאנג ז'אנג, סמירה מהבוב וסטודנטית לתואר ראשון דניאל נגו, יחד עם שיורו דאי, חוקרת אורחת מהאוניברסיטה החקלאית שאנדונג.
למידע נוסף:
אוניברסיטת נברסקה לינקולן
www.unl.edu