Биология 21 века как наука о живых существах должна ответить на вопросы о том, как жизнь и природные системы развиваются, управляются и реагируют на изменение окружающей среды.
Нам также необходимо срочно определить все формы жизни на этой планете и понять их взаимосвязь и географическое распределение.
В этой статье представлены примеры того, что считается наиболее важным для решения критических вопросов в биологии 21 века.
Актуальность науки биологии
Биология 21 века должна применять новые и существующие знания для решения насущных проблем современности, к которым относятся экологические кризисы глобального изменения климата, подкисление океана, утрата биоразнообразия и интродукция (заселение) неродственных видов, серьезные опасения за здоровье человека, возникающие и пандемические заболевания, а также критические потребности в сельскохозяйственном производстве и производстве биотоплива.
Актуальность фундаментальных и практических потребностей побудила ученых начать выявлять наборы «грандиозных задач», чтобы это решала биология 21 века.
Чтобы преуспеть в решении проблем биологии 21-го века, ученые должны генерировать, иметь доступ, интерпретировать и архивировать больше информации, чем когда-либо прежде. Современные биологи должны уметь расшифровывать информацию окружающей среды о том, как организмы выживают и размножаются.
Мы должны быть в состоянии проследить влияние изменений в последовательности ДНК или эпигенетической регуляции на несколько фенотипов организма, понять как эти изменения влияют на экологические отношения. Есть достаточно примеров чтобы начать формулировать новые теории функции организма и эволюции.
Решение проблем биологии 21-го века требует интеграции подходов и результатов в различных субдисциплинах биологии, таких как генетика, физиология, экология, а также технологий, информации и подходов из других дисциплин, таких как инженерия, информатика, физика, химия, математика, геологические и атмосферные науки.
Однако у биологов не достаточно инструментов, необходимых для достижения этого видения. По многим важным вопросам биологии прогресс тормозится отсутствием необходимых инструментов для быстрого продвижения вперед. В некоторых случаях определенные устройства или технологии существуют в других областях, но в настоящее время недоступны для биологов. В других случаях нужны инструменты, которые ученые еще не придумали. Для разработки способов изучения этой науки в 21 веке могут потребоваться новые технологии, программное обеспечение, модельные организмы и социальные структуры для содействия созданию инструментов, обмену, сотрудничеству в области исследований и междисциплинарному обучению.
Исследователям нужны инструменты, позволяющие осуществлять высокопроизводительный сбор и синтез информации на всех уровнях иерархии биологической организации, а также во всех биологически значимых областях пространственных и временных масштабов. К ним относятся технологии, программное обеспечение и устройства, связанные с мониторингом, информатикой и системной биологией, датчиками и визуализацией, архивирование информации.
Изучение последовательности геномов
Возможность изучения последовательности геномов микробов, растений и животных привела к замечательным достижениям в биологии 21 века. Но эта «первая геномная революция» в том числе и расшифровка генома человека была основана на последовательностях генома лишь относительно небольшого числа организмов: сотен микробов и всего нескольких десятков видов растений и животных.
Снижение затрат на секвенирование ДНК для биомедицинских целей будет продолжаться и вскоре позволит секвенировать геномы большинства видов, представляющих интерес для любого биологического вопроса. Снижение затрат на секвенирование приведет ко “второй геномной революции», которая окажет преобразующее воздействие на все области биологии, поскольку информация о последовательности генома может быть использована для освещения вопросов на всех уровнях биологической организации.
Инструменты на основе ДНК оказывают глубокое междисциплинарное воздействие, начиная с более быстрой и дешевой полевой идентификации видов и распространяясь на оценки геномных паттернов генетической изменчивости в различных средах. Это определит, что в живом существе позволяется или ограничивается способность к адаптации в меняющихся условиях. Планирование секвенирования геномов 10 000 различных видов позвоночных уже началось и подобные планы, безусловно, появятся для беспозвоночных и растений. В некоторых случаях также будут существовать последовательности генома для тысяч особей, принадлежащих к одному и тому же виду.
Биология 21 века предполагает много таких проектов для видов, которые являются важными моделями в лаборатории или играют особенно важную экологическую роль в различных средах, или которые расположены в критических точках ветвления в филогении.
Изучение «древней ДНК»
Понимание механизмов и эволюции организмов может быть получено с помощью «древней ДНК» из образцов, имеющих археологическое или историческое значение, а также из образцов, собранных на протяжении веков и хранящихся в музеях или естественнонаучных коллекциях.
Это исследования, которые сравнивают, например, геномы неандертальцев и Хомо сапиенс.
Древняя ДНК может быть использована для изучения основных эволюционных закономерностей и диверсификации, вымирания и временных изменений в генетической изменчивости.
Древняя ДНК также может быть использована для понимания молекулярных реакций на прошлые изменения климата и, таким образом, поможет предсказать потенциальные реакции в будущем, но для облегчения изучения ДНК и нуклеотид необходимы более совершенные инструменты. Усовершенствованные методы обработки ДНК, которые позволяют получить секвенируемую ДНК из исторических образцов, несмотря на неоптимальную сохранность, необходимы для создания все более творческого использования древней ДНК в будущем.
Метагеномика
Метагеномика изучает генетический материал для выявления новых видов микробов, штаммов и генов до описания микробных сообществ, связанных с различными частями человеческого тела.
Нетрудно представить себе возможность распространения этого подхода на клетки живых организмов, особенно мелких. Например, расположенные на сельскохозяйственных полях ловушки для насекомых имеют, например, автоматизированный конвейер метагеномного секвенирования и информатики. Анализ генов этих насекомых может использоваться для мониторинга вспышек сельскохозяйственных вредителей или переносчиков болезней человека.
Новые лабораторные и вычислительные инструменты также необходимы чтобы использовать секвенирование генома для всеобъемлющей революции. Исследователям нужны улучшенные технологии для высокопроизводительного опроса РНК и новые методы для гибридизации, чтобы точно отображать изменения в экспрессии генов и осветить наше понимание ключевых биологических процессов.
Чтобы понять сложность биохимических процессов в живой клетке или организме, технологии получения комплексных профилей других молекул—таких как метаболиты (метаболомика), белки (протеомика), элементы (иономика) и стабильный изотопный состав организмов также важны, как и геномные инструменты. Полученная информация может быть применена к различным проблемам, включая разработку новых лекарственных препаратов, улучшение питания человека и понимание последствий изменения климата.
Новые методы биоинформатики
Биологи 21 века нуждаются в новых методах биоинформатики для определения и сравнения геномов и функций между особями и таксонами, а также для поиска и синтеза значимых паттернов в потоках геномных данных.
Программное обеспечение для биологов
Новое программное обеспечение должно быть легко доступно для биологов, а компьютерные программы не должны требовать от исследователей наличия обширных навыков программирования для использования больших интегрированных наборов данных геномной, фенотипической, филогенетической и экологической информации. Существует потребность в киберинфраструктуре, состоящей из баз данных, протоколов связи и вычислительных служб, призванных помочь сделать данные и вычислительные средства более удобными для биологов. И в основе этой новой киберинфраструктуры должны лежать все более мощные компьютеры, обеспечивающие доступ к высокопроизводительным вычислениям.
Надвигающаяся революция в биологии 21 века потребует, чтобы традиционные сравнительные методы геномики, которые хорошо служили в исследованиях с несколькими генами, уступили место новым визуализационным и аналитическим подходам, которые одновременно могут использовать тысячи последовательностей генома.
Наличие тысяч последовательностей генома должно позволить разработать новые алгоритмы для лучшего обнаружения отдаленно родственных видов с целью изучения эволюции сложных признаков, таких как цветение, развитие и социальное поведение, или открыть новые механизмы производства биотоплива.
Современное программное обеспечение необходимо для извлечения и синтеза геномных данных, чтобы последовательности ДНК стали, по сути, новым хранилищем биологической информации.
Представьте себе, что эколог-биолог, нуждающийся в модельном виде для изучения рисков, связанных с определенным типом экологического токсиканта, ставит следующий вопрос: какие виды особенно уязвимы к этому экологическому токсиканту? Этот вопрос побуждает программное обеспечение выполнять автоматический поиск на основе знаний для идентификации генов используя мощные алгоритмы интеллектуального анализа. Если бы ответ был доступен, то программа провела бы веб-поиск всех последовательностей генома, чтобы найти и сообщить о тех видах, у которых нет соответствующего гена или генов, или о тех людях в пределах вида с определенными однонуклеотидными полиморфизмами. Не вся информация, полученная в результате такого поиска, будет полезна; например, существует множество технических причин, по которым ген может отсутствовать в сборке конкретного генома.
Способность плавно перемещаться между содержанием генома и биологическими вопросами более высокого уровня предоставит биологам 21 века новые и мощные средства извлечения информации из геномов.
Системный анализ
Системный анализ на всех уровнях биологической информации обещает обеспечить инновационную основу для понимания сложных признаков, в том числе на молекулярном уровне. Это поможет пролить свет на то, как вариация генотипа связана с вариацией фенотипа. Ученым понадобятся новые биоинформационные инструменты для интеграции данных в сложные модели регуляторных сетей генов и белков. Для изучения того, как организмы адаптируются к изменениям окружающей среды, биоинформатика должна быть в состоянии интегрировать информацию, полученную из регуляторных, сигнальных и метаболических сетей с другими типами фенотипических и популяционных генетических данных полученных в различных условиях окружающей среды.
Биология 21 века должна уметь ориентироваться, легко перемещаясь вверх и вниз по биологической иерархии от микро к макроуровням.
Эти биологи-исследователи нуждаются в удобных инструментах моделирования с алгоритмами, которые могут вывести причинно-следственные связи из больших наборов данных, чтобы помочь им разработать гипотезы.
Научные базы данных и литература должны быть более интерактивными и динамичными. Усовершенствованные формы анализа в биологии должны использовать статистический анализ для выявления новых биомаркеров заболеваний человека или для исследования, как гены влияют на социальное поведение.
