A biológiai képelemzés egyelőre eléggé gyerekcipőben jár, nehezen zárkózik fel a képalkotás fénysebességgel fejlődő ágazatához. Pedig nagy szükségünk van rá, hiszen hiába készülnek részletes, pontos képek a különböző, csupán nanométerben mérhető sejtekről és azok alkotóelemeiről, ha nincs egy olyan rendszerünk, ami ezt feldolgozza.
Nagyjából úgy lehet szemléltetni, mit is tesz a képelemzés hozzá a képalkotás munkájához, ha a saját látásunkra és agyunk működésére gondolunk: A rengeteg adatból, ami a képalkotás során előkerül, valakinek használható információkat kell kivonnia, ebben segít a képelemzés tudományága.
HÍD INFORMATIKA ÉS TUDOMÁNY KÖZT
A számítógépes biológiai képelemzés hidat képez az élettudományok és az informatika között: a biológiai képelemzéssel foglalkozó szakemberek különféle számítógépes eszközök együttes használatával és automatizálásával folyamatosan tökéletesítik a képelemzési munkafolyamatokat, ami egyre precízebb analízist és diagnózist tesz lehetővé, egyre nagyobb teljesítőképesség mellett.
Ezzel lehetőséget ad arra, hogy a manuálisan feldolgozható néhány száz helyett több millió képi adatot elemezzünk, és felfedezzük akár a legkisebb, sejtszintű eltéréseket. Ilyen módon már igen korai fázisban fényt deríthetünk a szervezetben zajló kórfolyamatokra, és ami kiemelt jelentőséggel bírhat például a daganatkutatásban vagy az agykutatás területén, de a gyógyítást is forradalmasíthatja azáltal, hogy olyan új terápiás célpontokat definiálhatunk, amik a gyógyszerkutatásban és a személyre szabott terápia hatékonyságának növelésében is kiemelt szerepet játszhatnak.
A képelemzés éppen ezért olyan fontos része a biológiai képalkotás folyamatának, annak ellenére, hogy még mindig nem tartozik a legfelkapottabb tudományágak közé.
2003-ban, amikor elkezdtem ezzel foglalkozni, világszerte talán hat kutatócsoport dolgozott a biológiai képelemzéssel. Ma szervezett találkozókra járunk a bolygó minden pontjára”
– mondta a 24.hu-nak Gene Myers, aki egyébként a Max-Planck Sejtbiológiai és Genetikai Intézetének Rendszerbiológiai Központját vezeti.
A kutató önéletrajza elég irigylésre méltó: a Max-Planck Intézet előtt az amerikai Howard Hughes Orvosi Intézet Janelia Kutatókampuszának csoportvezetője volt, és a Berkeley Egyetem professzoraként is dolgozott. A Celera Genomics-nál az Informatikai Kutatás alelnökeként szerves része volt abban, hogy a csapata az ecetmuslica, az egér és az ember genomjának szekvenciáját. Informatikusnak tanult, és biológia mesterszakot végzett, ezért nem csoda, ha már a kezdetektől érdekelte a biológiai képelemzés világa.
Most már elég jól állunk a szakmával, képesek vagyunk nagyon kis méretű struktúrákat látni, részletes modelleket építünk. Nehéz megmondani, hogy hol tart most ez a tudományág, inkább úgy fogalmaznék, hogy folyamatosan fejlődik, és ez a fejlődés soha nem fog megállni. Szerintem a mérce az, hogy mennyi ember foglalkozik vele: arról indultunk, hogy nagyjából senki nem ismeri, most pedig már mindenki tud róla.”
A FILLÉRES KAMERÁK HÍVTÁK ÉLETRE A TUDOMÁNYÁGAT
A tudományágat több technológiai előrelépés hívta életre, ezek közül az első a digitalizáció volt. A kétezres évek elején nem tudtunk ennyi adatot digitalizálni, a mikroszkópia, mondhatjuk, gyerekcipőben járt: a mostani eszközök alapját képező CCD-detektorok drágák és nagy méretűek voltak.
2000 előtt, ha volt egy mikroszkópod, nem volt egyszerre kamerád is. Az eszköz két lencséből állt, és valós időben nézhetted, mi történik alattuk. A tudományág valójában csak 2000-ben jött létre, ekkor lett annyira olcsó a CCD-technológia, hogy bele tudjuk tenni egy mikroszkópba”
– fejtette ki Myers.
Node mi az a CCD-detektor? Egy olyan eszköz, amelyet ha fényérzékeny eszközzel kombinálunk, a fényt elektronikus jelekké alakítja. A digitális fényképezés során minden nap használják, ez található azokban a digitális kamerákban is, amelyekkel mi is fotózunk.
A nem digitális mikroszkópoktól eljutottunk odáig, hogy ma már létezik olyan technológia is, amelynek használatával – ez olyan dolog, amit egyelőre nagyon kevés profi mikroszkóp képes megtenni, pedig a módszerek már rég adottak.
Az egyik erre képes mikroszkóp létrehozásában egyébként Myers is közreműködik: a felhasználásával Caenorhabditis elegans talajférgek, valamint ecetmuslicák embriogenezisét akarják vizsgálni, valamint olyan részletes térbeli és időbeli sejtelosztást térképezni fel, amilyen még nem készült ezekről az állatokról.
A másik technológiai előrelépés, ami elősegítette a képelemzés és a képalkotás előretörését, az a lézertechnológia fejlődése volt, a CCD-detektorokkal együtt a lézerek olcsóbbá válása nyitotta meg a lehetőségek tárházát a mikroszkópia előtt.
Ha ma készítek egy egyedi, kifinomult mikroszkópot, az nagyjából 300 ezer eurómba kerül. Ha ezt húsz éve akartam volna megtenni, nagyjából 3 millió eurót kellett volna érte fizetnem, és akkor az inflációt még nem is vettük figyelembe”
– magyarázta Myers.
AKÁR A SEJTEN BELÜLI FLYAMATOKAT IS LÁTHATJUK
A biológiai képelemzés kialakulásához maga a Humán Genom Projekt is hozzájárult: azzal, hogy az ember, vagy bármilyen állat genomját feltérképeztük, rengeteget lendült előre mind a biológia, mind az orvostudomány, mind a biológiai képalkotás és képelemzés.
Képesek vagyunk ugyanis fogni egy gént, és úgy szerkeszteni, hogy az világítson – így nyomon tudjuk követni azt az egyetlen egy gént, és annak belső működését, anélkül, hogy bármi zajjal kelljen számolnunk.
Korábban a mikroszkópiában, ha meg akartuk figyelni a sejtek működését, kémiai anyagot juttattunk hozzájuk, ami egy részüket kontrasztba helyezte, ezzel elkülönültek a többitől. De nem tudtuk irányítani, hogy mely sejtek legyenek elkülönítve”
– magyarázta Myers.
„A genomszekvenálás miatt most már képesek vagyunk megmondani, hogy nemcsak egy darab sejt, de az általa termelt protein is hol van, és mit csinál pontosan. A génszerkesztéssel és a fluoreszcenciamikroszkópia segítségével most már mi határozzuk meg, hogy a sejt mely részét színezzük be, és mely részét akarjuk megfigyelni. Akár egy darab protein viselkedését is nyomon követhetjük.”
A videóhoz van magyar felirat:
Mindezek ellenére a biológiai képelemzés egyelőre nem kap annyi figyelmet a tudományos világon belül, amennyit megérdemelne. A Biológiai Képelemzők Európai Hálózata (NEUBIAS) egyre népszerűbb, de még mindig csak a második konferenciájánál tart idén, most éppen Szegeden.
Ez egyébkén mindennel így van, ami új, én egyelőre nem aggódom miatta. Felismerik majd a fontosságát, már most egyre többen vannak, akik értik, miért elengedhetetlen”
– mondta Myers.
A technológia olcsóbbá válásával egyre több embernek van lehetősége használni is a képelemzés nyújtotta előnyöket, így egyre többen fogják ismerni magát a tudományágat is.
„Ugyanez volt a helyzet a bioinformatikával is. Amikor elvégeztem a tanulmányaimat, még nem is létezett a tudományág, senki nem is gondolt például a DNS szekvenálására. Ezt látom a biológiai képelemzésnél is. 20 évvel ezelőtt még nem foglalkozott vele senki, nagyjából 15 évvel ezelőtt létrejött, amikor kamerákat kezdtünk tenni a mikroszkópokba, és digitálissá vált az információ, és most már ott tartunk, hogy rengeteg projekttel hozzájárultunk a többi tudományág munkájához, egyre inkább értékessé válunk” – fejtette ki Myers.
DE MI HASZNA ENNEK AZ EGÉSZNEK?
Ez mind szép és jó, de azokat, akik nem ezzel foglalkoznak, nyilvánvalóan egyetlen kérdés érdekli: miért jó ez nekünk? Milyen gyakorlati alkalmazása lehet annak, hogy szekvenáljuk az ecetmuslica genomját, és részletes sejttérképet készítünk róla?
A bioinformatika és a biológiai képelemzés egy igazán hosszú távú játék az emberiség számára. Amit én ma kutatok, az nem fog neked holnap segíteni. De nagyon sokat segíthet 30 év múlva” – magyarázta Myers.
Ekkor már akár megmentheti az életedet. Vagy meg is hosszabbíthatja azt. Ahhoz, hogy gyógyítani tudjuk a rákot, vagy megértsük, miért öregedünk, miért pusztulnak el a sejtjeink, muszáj látnunk, hogy molekuláris szinten mi történik a sejtekben. Néhány felfedezés a véletlen műve: vegyük például a penicillint, Alexander Fleming észrevette, hogy a penicillingomba körül elpusztulnak a baktériumok. De ez nincs mindennel így: a molekuláris biológiában például szisztematikusan egyre többet tudunk a sejtműködésről, és minél okosabbak vagyunk, egyre jobban tudunk majd racionálisan beleavatkozni a működésükbe.”
Persze a kutatók sem akarnak rögtön emberi géneken kísérletezni: furcsának tűnhet, de pontosan végeznek kísérleteket például az ecetmuslicákon, amelyek génállománya meglepően hasonlít a miénkhez.
„A légy és a muslica genomja majdnem olyan bonyolult, mint az emberé. De ezeknek az állatoknak ugyanúgy van anyagcseréje, immunrendszere, ugyanúgy vannak daganatos megbetegedéseik, az alapok megvannak. Mi alapjaiban véve annyiban különbözünk tőlük, hogy az agyunk továbbfejlődött az alapvető funkciói után, de a testünk többi területét molekuláris szinten ugyanúgy kutathatjuk muslicákkal is” – mondta Myers.
Ráadásul sokkal gyorsabban dolgozhatunk rajtuk, mivel rövidebb az élettartamuk, mint, tegyük fel, az egereknek.”
A molekuláris biológia, a biológiai képalkotás és –elemzés ezzel például hozzájárul ahhoz, hogy minimálisra csökkenjenek az emberkísérletek.
Így egyáltalán nem mondható, hogy csak a kutatók kíváncsiságát elégíti ki ez a tudományág: óriási mértékben hozzájárul ahhoz, hogy megértsük a saját működésünket, és ezzel néhány év múlva akár életeket is menthessünk.
Egyértelmű, hogy az orvostudományban a biológiai képalkotás, és az ehhez szorosan kapcsolódó képelemzés lesz a jövő tudománya, és ha továbbra is ilyen ütemben fejlődik, olyan betegségek gyógyításában is szerepe lesz, mint a rák, az Alzheimer-kór vagy a Parkinson-kór – ezek pedig jelenleg a modern orvostudomány legnagyobb megoldhatatlan problémái közé tartoznak.
