Multiomics هي الخطوة التالية في مجال التكنولوجيا الحيوية

ثورة الجينوم

معظم التقدم في الطب وحتى الزراعة في العقدين الماضيين كان على خلفية ثورة الجينوم. ومن خلال معرفة التركيب الجيني للكائنات الحية، يستطيع العلماء إيجاد أهداف جديدة للعلاجات، وطرق جديدة لتحسين إنتاج المواد القيمة، بل وحتى البدء في تغيير الجينوم نفسه، وذلك بفضل تحرير الجينات. لقد أصبح هذا الآن عملاً تجاريًا كبيرًا، مع أول علاج لتحرير الجينات تمت الموافقة عليه (Casgevy) بتكلفة 2.2 مليون دولار.

إن ما دفع هذه الثورة هو الفهم الأعمق بكثير للعمليات البيولوجية بفضل تسلسل الجينوم. ومع ذلك، فإن الجينوم عبارة عن مجموعة بيانات خام إلى حد ما. إنه يشبه إلى حد ما قاموسًا كاملاً، مع "التهجئة" الدقيقة لكل بروتين في الخلية. لكن الخلية الحية أشبه برواية كاملة، حيث تكون كيفية ترتيب "الكلمات" (الحمض النووي الريبوزي والبروتينات) أكثر أهمية.

من علم الجينوم إلى Multiomics

إن التعقيد الذي تتسم به حتى خلية واحدة، بل وحتى الجسم البشري الكامل، هو السبب وراء الحاجة إلى أساليب تحليلية أكثر تقدما من علم الجينوم. وهناك الكثير:

• ترانسكريبتوميكس: تحليل مرنا.
• البروتينات: تحليل البروتينات، بما في ذلك تعديل البروتينات بالسكريات ("ما بعد الترجمة").
• الايض: تحليل المركبات الكيميائية والتمثيل الغذائي.
• علم اللاجين: تعديل الجينوم دون التأثير على التسلسل الجيني أو "علم الوراثة اللاجينية".
• علم الأحياء الدقيقة: تحليل جميع الميكروبات التي تعيش داخل الجسم أو عليه.
• multiomics أحادية الخلية: تحليل multiomics على الخلايا الفردية.
• البيولوجيا المكانية: التحليل ثلاثي الأبعاد لموقع mRNA أو البروتينات أو الخلايا المحددة.

غالبًا ما تكون هذه الأساليب التحليلية أكثر تعقيدًا من علم الجينوم "البسيط". ويمكن، ومن الأفضل، دمج كل منهما مع الآخر لإعطاء صورة أفضل عن التعقيد الحقيقي للكائن الحي.

عندما يتم دمجها، فإنها تسمح بـ "متعدد الوسائط"التحليلات.

انفجار بيانات Multiomics

البروتينات

لقد زادت القدرة على تحليل البروتين بعدة مراتب في فترة عقد واحد فقط.

كما هو موضح في هذا الرسم البياني من ARK Invest (بمقياس لوغاريتمي)، يمكن الآن تحليل مئات الآلاف من البروتينات في ساعة واحدة، باستخدام طرق بروتينية قادرة على تمييز ما يصل إلى 10,000 بروتين لكل عينة. كما انخفضت تكلفة العينة بشكل مطرد، من 1,000 دولار في عام 2011 إلى 100 دولار فقط في عام 2023، أو انخفاض بنسبة 23% سنويا.

المصدر ARK إنفست

وقد أدى هذا إلى تسريع اكتشافات المؤشرات الحيوية للسرطان بشكل جذري وتطوير علاجات دقيقة، وهو موضوع بحثناه بعمق في "علاج الحالات غير القابلة للعلاج بالعلاجات الدقيقة – فرصة بقيمة 4 تريليون دولار؟".

ترانسكريبتوميكس

mRNAs هو "دليل التعليمات" لقاموس الجينوم. إن شكل وكمية الرنا المرسال هو في الواقع ما يملي كيفية التعبير عن الجين واستخدامه في الخلية.

كانت المشكلة في علم النسخ المبكر أنه كان عليه تحليل ما لا يقل عن آلاف الخلايا في وقت واحد، إن لم يكن الملايين. يؤدي هذا إلى محو كافة تفاصيل التغييرات في mRNA التي كانت عابرة في الوقت المناسب أو محلية للغاية.

لقد تغير هذا مع إمكانية تحليل الحمض النووي الريبي (RNA) لخلية واحدة، مما أحدث ثورة في فهمنا للسرطان. وبهذا، يمكننا أن نفهم بالضبط أي الجين هو المسؤول عن السرطان وأي نوع فرعي من الخلايا يقوم بذلك بالفعل.

المصدر ARK إنفست

أخرى -Omics

وفي حين أن الأساليب التحليلية الأخرى أحدث، إلا أنها لا تقل واعدة.

البيولوجيا المكانية يسمح بتحليل الخلايا المفردة وكيفية تفاعل الخلايا المختلفة والحمض النووي الريبي (RNA) أو البروتينات مع بعضها البعض. في الوقت الحقيقي إذا لزم الأمر. وهذا يفتح مجالات جديدة تمامًا للبحث العلمي، وهو أمر ناقشناه بمزيد من التفصيل في مقالتنا “علم الأحياء المكاني: النانوسترينغ مقابل علم الجينوم 10x".

علم الأحياء الدقيقة يجعل من الممكن استخدام البكتيريا الموجودة في أمعائنا أو على بشرتنا لطرق علاجية جديدة. على سبيل المثال، تم مؤخرًا ربط اضطراب طيف التوحد بالميكروبيوم المعوي. والذي يرتبط ب"دراسات توضح فوائد طويلة المدى على أعراض التوحد وميكروبات الأمعاء من خلال علاج نقل الكائنات الحية الدقيقة".

علم اللاجين يمكن أن يصبح الخطوة التالية في العلاجات الدقيقة، مع إمكانية ضبط التعبير الجيني للخلايا السرطانية، على سبيل المثال.

المصدر المكتبة الوطنية للطب

"التجديد اللاجيني" هو أيضًا إمكانية لعكس الشيخوخة، وهي إحدى الطرق التي تمت مناقشتها في مقالتنا "الشيخوخة جزء من الحياة - وهذا لا يعني أننا لا نستطيع خوض معركة".

الذكاء الاصطناعي للمساعدة في معالجة بيانات Multiomics

نتيجةً لانخفاض التكاليف وزيادة القدرة على تحليل البيانات متعددة الأوميكس، غمرت البيانات فيضانًا غير مسبوق. وسرعان ما أصبح من الصعب على أي باحث غربلة هذه البيانات يدويًا للعثور على النقاط ذات الصلة.

ولحسن الحظ، تحدث ثورة multiomics بينما يصبح الذكاء الاصطناعي أكثر قدرة على نحو متزايد.

إن الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي (AI/ML) والأتمتة تعمل بالفعل على تعزيز اكتشاف الأدوية. وهذا في حد ذاته من شأنه أن يساعد في تقليل تكلفة اكتشاف الأدوية بشكل كبير، وذلك بفضل مكتبة فحص الذكاء الاصطناعي للأدوية الموجودة والمحتملة، والتنبؤ بالنتيجة المحتملة "في السيليكو". وهذا وحده يمكن أن يؤدي إلى زيادة مساحة العلاج الدقيق بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 26% خلال السنوات السبع المقبلة.
من حوالي 820 مليار دولار في عام 2023 إلى حوالي 4.5 تريليون دولار في عام 2030.

المصدر ARK إنفست

لكن اكتشاف الدواء هو مجرد خطوة أولى. يمكن أيضًا استخدام الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بالخصائص الكيميائية للجزيئات أو البروتينات الجديدة، مثل أداة الذكاء الاصطناعي "الرسم البياني التوزيعي"من مايكروسوفت.

المصدر مایکروسوفت

يمكن للذكاء الاصطناعي أيضًا التنبؤ بما إذا كان الجزيء سيكون سامًا دون الحاجة إلى اختباره على الخلايا الحية أو الحيوانات. ويمكن مزجه مع التشغيل الآلي لإجراء تجارب على نطاق واسع، بما في ذلك محاكاة "العضو على شريحة" أو التجارب الآلية (التعامل الآلي مع السوائل، أو "invivomics"، أو التخليق الدقيق).

وأخيرًا، يمكن لتكامل الذكاء الاصطناعي وتكنولوجيا المعلومات أن يحسن تصميمات التجارب السريرية، من خلال المزيد من التجارب التكيفية، أو تتبع المزيد من المؤشرات الحيوية، أو حتى التجارب اللامركزية.

المصدر ARK إنفست

أسهم Multiomics

1. العلوم البيولوجية في المحيط الهادئ (باكبيو)

تأسست شركة PacBio بعد بضع سنوات من شركة Illumina الرائدة في مجال تسلسل الجينوم، ومنذ ذلك الحين، أصبحت أصغر شركة في هذا المجال. ورغم صغر حجمها، حافظت معدات الشركة على أعلى مستويات الأداء.

هو أيضا 8^th أكبر ملكية لصندوق ARK Genomic Revolution ETF.

باكبيو استحوذت شركة Omniome مؤخرًا على شركة Omniome في عام 2021، مما يمنحها ميزة الدقة في قراءة التسلسلات الجينية الطويلة أو القصيرة جدًا. وقد تم تعزيز هذه الميزة في وقت لاحق الاستحواذ على شركة Apton مقابل 110 مليون دولار في أغسطس 2023، والتي تتخصص أيضًا في القراءة القصيرة والإنتاجية العالية (SR-HI).

المصدر باكبيو

أنظمة Onso من PacBio بدأت الآن في شحنها إلى العملاء، وقد وصفت الشركة إطلاقها بأنه "أفضل بداية في تاريخ PacBio". وسوف يتخصص في التسلسلات القصيرة، في حين أن نظام Revio HiFi الخاص به سيكون قادرًا على قراءة التسلسلات الطويلة والعمل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، مما يجعله يقرأ 24 جينومًا بشريًا كاملاً سنويًا (حوالي 7 في اليوم). لاحقًا، سيتم استبدال Revio HiFi بنظام HT SBB، والذي من المحتمل أن يدمج تقنية Apton.

تتوقع Pacbio أن تنمو التسلسلات الطويلة بشكل أسرع بكثير من سوق NGS (تسلسل الجيل التالي) الأوسع وتدعي أن أنظمتها أكثر دقة بعشر مرات من المنافسة.

المصدر باكبيو

ومن المثير للاهتمام أن هذا قد يؤدي أيضًا إلى خفض التكلفة الإجمالية لتسلسل الجينوم. وبدون اللجوء إلى التقنية أكثر من اللازم، يجب إعادة تجميع التسلسلات القصيرة بشكل كلي شامل. لذا فإن الجينوم قصير القراءة بقيمة 500 دولار يمكن أن يحتاج سريعًا إلى تحليلات إضافية بتكلفة إجمالية 1,500 دولار ليكون مفيدًا بالفعل كأداة تشخيصية.

لذا فإن تحليل التسلسل الطويل Revio الذي تبلغ تكلفته 950 دولارًا يتجنب هذه الخطوة ويخرج بتكلفة أقل للتطبيق التشخيصي.

من المتوقع أن يمنح تركيز شركة PacBio على التحليلات عالية الدقة وطويلة التسلسل أفضليةً في مجال التشخيص خلال السنوات القليلة القادمة. وتعتقد إدارة PacBio أن هذا قد يعزز حصتها السوقية في مجال الجينوم البشري من 5% حاليًا إلى 10%، وفي مجال الأورام من 1% إلى 5%.

في حين أن شركة PacBio تركز في الغالب على منافستها المستمرة منذ عقود مع شركة Illumina، إلا أنها قد تضطر أيضًا إلى التنافس مع شركة Oxford Nanopore في سوق التشخيص/التسلسل الطويل.

2. 10x تكنولوجيا الجينوم

10x Genomics هي شركة رائدة في علم الأحياء المكاني، الذي يدرس الجينوم والنسخة ثلاثية الأبعاد، مما يسمح بتصور نشاط الجينات على المستوى الخلوي أو حتى داخل الخلايا.

تأسست الشركة في عام 2012، وكان من بين مؤسسيها سيرج ساكسونوف، وهو مدير البحث والتطوير في شركة اختبار الجينوم الشخصي 23andMe.

هو أيضا 12^th أكبر ملكية لصندوق ARK Genomic Revolution ETF.

نمت شركة 10x Genomic باستخدام مزيج من البحث والتطوير (1 مليار دولار + استثمار في البحث والتطوير حتى الآن) وعمليات الاستحواذ للتفرع في العديد من مجالات omics المختلفة. ومن الجدير بالذكر أنه تم الحصول على منصة Visium الخاصة بنسخ الأنسجة المكانية من خلال الاستحواذ على النسخ المكانية في عام 2018.

هذه أيضًا هي الطريقة التي ستحصل بها شركة 10x Genomics زينيوم منصة لتصور الخلية الواحدة من خلال الاستحواذ على Readcoor وCartana في عام 2020.

وفي عام 2020، سيتم إطلاقه أيضًا منصة الكروم، تم تحديثه في العام التالي إلى Chromium X، لتسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) أحادي الخلية.

ومن خلال الاستحواذ على Tetramer Shop في عام 2021، سيتم أيضًا إطلاق 10x Genomics BEAM (رسم خرائط المستضدات باستخدام الباركود) عام 2022. يتيح للباحثين التعرف على مكونات الجهاز المناعي بالتفصيل. قد يكون هذا مؤثرًا جدًا في الأبحاث المتعلقة بالمناعة والأمراض الجديدة.

10x الجدول الزمني لعمليات الاستحواذ على الجينوم - المصدر: جينومكس 10x

الشركة أيضا حققت في سبتمبر 2023 انتصارًا حاسمًا على منافستها الرئيسية، Nanostring. تم حظر Nanostring حاليًا من بيع أدوات التصوير الجزيئي المكاني (SMI) الخاصة بشركة CosMx في معظم دول الاتحاد الأوروبي بسبب انتهاكها لبراءات اختراع جينومية تبلغ 10 أضعاف.

مما أدى إلى الإعلان عن ذلك تتقدم Nanostring بطلب للإفلاس وتستكشف المبيعات المحتملة في فبراير 2024.

اتهمت NanoString شركة 10x Genomics بفرض دعاوى قضائية "بهدف واضح هو تقليص المشهد التنافسي لمنصات البيولوجيا المكانية المختلفة على حساب الصالح العام".

بشكل عام، يبدو أن علم الجينوم 10x في وضع يسمح له بتأسيس ريادة قوية في سوق البيولوجيا المكانية، بما في ذلك نسخ الخلايا المفردة ورسم خرائط المستضدات.

لا تزال الشركة في مراحلها الأولى، وهي تشبه إلى حد ما الأيام الأولى لشركة Illumina وPacific Biosciences. في الوقت الحالي، يقتصر علم الأحياء المكاني على عالم البحث الأكاديمي والأساسي. ولكن، مثل العديد من التقنيات الحيوية، قد ينتشر يومًا ما على نطاق واسع، ويصبح أداة طبية ببطء، ثم يصبح اختبارًا "روتينيًا". على أية حال، فإن المجموعة المتزايدة من الآلات المثبتة يجب أن تؤدي إلى زيادة مبيعات المواد الاستهلاكية ونمو الإيرادات.