Skal avsløre genomet til alle artene i verden

Da menneskets genom ble kartlagt for tjue år siden, brukte flere tusen ansatte tretten år på å få det til. Nå er genteknologien blitt så overveld-ende bra at jobben kan gjøres av et par personer i løpet av noen uker. Det gir uante muligheter. Forskere fra hele verden har nå, gjennom Earth Biogenome Project, startet det formidable arbeidet med å genomsekvensere alle de halvannen million eukaryote artene på jordkloden. Dette er encellete og flercellete organismer som inneholder celle-kjerner. Her snakker vi om alt fra plankton og alger til fugler og mennesker.

Norske forskere tar seg av landets arter. 45 000 til sammen. De som skal gjennomføre kartleggingen, er en broket forsamling av taksonomer, økologer, evolusjonsbiologer, genomforskere, molekylær-biologer, informatikere, statistikere og matematikere fra både norske universiteter og private organisasjoner.

– Den nye kunnskapen er blant annet viktig for å kunne bevare arter, poengterer professor Kjetill S. Jakobsen, lederen av forskningssenteret Centre for Ecological and Evolutionary Synthesis.

I 2009 grunnla han, sammen med professor Dag Undlien, Norsk Sekvenseringssenter ved Universitetet i Oslo og Oslo universitetssykehus.

Ved å genomsekvensere alle artene på Jorda får forskerne muligheten til å undersøke alt fra hvordan det står til på det molekylærbiologiske nivået og til å forstå den evolusjonære historien. Arbeidet deres vil dessuten kunne føre til en helt ny forståelse innenfor så ulike områder som syntetisk biologi, akvakultur, fiskeri, landbruk og naturforvaltning.

I gang med fuglegenomer

Forskerne ved UiO har allerede startet arbeidet med å sekvensere norske fugler. Blant dem er lundefuglen med det karakteristiske papegøyenebbet, den ikoniske ærfuglen, kjent fra duntradisjonen på øya Vega i Nordland, den iøynefallende blåstrupen, populært kalt for fjellets nattergal, og fossekallen, som ble kåret til Norges nasjonalfugl i 1963.

– Vi bruker genomene til å studere ulike populasjoner genetisk og hvordan økologi og miljø påvirker tilpasning og evolusjonen til artene.

Ta den norske fossekallen som eksempel. Den er forskjellig fra den skotske. Ved å studere genomet til begge undergruppene får forskerne et innblikk i genflyten og hvordan fuglene har forflyttet seg geografisk.

– Vi kan da se hvilke gener som er viktige for tilpasningen til et gitt økosystem, forteller Jakobsen.

– Hvis noe endrer seg innad i en art, kan vi bruke referansegenomet for å se om det er visse mutasjoner som fungerer bedre når klimaet og miljøet rundt oss endrer seg, supplerer stipendiat Benedicte Garmann-Aarhus ved Naturhistorisk museum.

Fire ulike byggeklosser

For å skjønne hva forskerne gjør, er vi nødt til å ta et lite dypdykk.

– For folk flest er genomet en stor, svart boks. Et referansegenom er en modell for hvordan genomet til en bestemt art ser ut. Her snakker vi også om den delen av genomet som ikke består av gener. Vi bruker referansegenomet til å sammenligne genomer fra samme art eller mellom arter, forklar-er Kjetill S. Jakobsen.

La oss ta menneskets genom som et eksempel.

Arvematerialet vårt består av en lang rekke på mer enn tre milliarder av de fire byggeklossene Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) og Cytosin (C). Bare noen få prosent av arvematerialet består av gener. Vi mennesker har om lag 20 000 gener. Genene er oppskriften på hva som skal skje i cellene våre. Genene våre er dessuten gruppert i kromosomer. Vi mennesker har 23 par kromosomer. Halvparten er arvet fra mor og halvparten fra far.

Genomet hos fugler, akkurat som hos oss og andre dyr, er bygd opp med de samme fire byggeklossene, men i en annen rekkefølge. Den største forskjellen er antall kromosomer. Antallet varierer mye mellom ulike fugler. To kromosomer hos en fugleart kan være slått sammen til et monster-kromosom hos en nærliggende art.

Men noe som er vel så viktig: Fuglegenomer inneholder også en del mikrokromosomer. Dette er spesielt for fugler. Vi mennesker har ikke slikt.

– Når vi kartlegger genomet og finner små DNA-sekvenser som vi ikke klarer å plassere i puslespillet, kan det tenkes at det enten er noe vi ikke har forstått eller at sekvensene kan være små mikrokromosomer. Det er ikke sikkert at disse mikrokromosomene er nedarvet på den samme måten som hoved-kromosomene, der det ene er kommet fra far og det andre fra mor. Vi vet ikke nok. Vi undrer oss over dette og håper forskningen vår kan gi et svar.

Omstendelig puslespill

Selv om det i dag er mulig å kartlegge et genom i løpet av et par uker, er oppgaven krevende. Det er ikke mulig å lese hele den 3,3 milliarder lange DNA-strengen i en jafs. Løsningen er å kopiere opp DNA-strengen og kutte den opp i små biter.

Her er det snakk om millioner på millioner med småbiter. De overlapper hverandre. Jo mer overlapp, desto lettere er det å finne ut av hvilke biter som passer sammen.

For noen år siden bestod småbitene bare av noen hundre byggeklosser (A, T, G og C). Med dagens moderne teknologi klarer de å lage biter som er 15 til 20 tusen byggeklosser lange. Det er likevel mindre enn en hundretusendedel av hele genomet,

Det er svært vanskelig å plassere alle bitene i rett rekkefølge.

– Akkurat som i et puslespill må vi finne ut av hvilke biter som hører sammen.

Uheldigvis er det ikke mulig å gjøre dette hundre prosent riktig.

– Vitenskapen er aldri eksakt. Resultatet vårt er en modell som beskriver virkeligheten, men en modell kan alltid inneholde feil. Dette er et møysommelig, manuelt arbeid. Det er alltid noen biter som vi ikke klarer å plassere, poengterer Benedicte Garmann-Aarhus.

Hun bruker bioinformatiske metoder for å gjøre mesteparten av jobben. Beregningene er mildt sagt omfattende. Her må hun ty til de nasjonale tungregnemaskinene, som er flere tusen ganger raskere enn en vanlig PC. Likevel er det ikke nok. For å komme i mål må Garmann-Aarhus finpusse resultatet og plassere de siste bitene manuelt. 

– Foruten kartleggingen av hele genomet beregner de også hvordan genomet er kveilet sammen. Da får forskerne kartlagt de områdene av genomet som fysisk er i nærheten av hverandre, selv om områdene er langt unna hverandre i sekvensen.

Store anvendelser

Resultatene deres blir liggende åpent tilgjengelig for alle. Anvendelsene er mange.

– Tar vi den dagsaktuelle virussykdommen fugle-influensa, vil vi kunne vite mer om den når vi har klart å sekvensere infiserte og resistente fugler. Men det er fortsatt mange ting om fugler som vi ikke har oppdaget. Vi er interessert i at forskere og ornitologer kommer til oss med problemstillinger om fuglearter som de ønsker å løse, forteller Kjetill S. Jakobsen.

Prisen for å sekvensere alle jordas eukaryote arter er anslått til 4,7 milliarder dollar. Jakobsen mener dette er vel anvendte penger.

– Avkastningen kan være 100 til 1000 ganger den økonomiske innsatsen. Vi har ikke råd til å la være. Dette handler både om samfunnsnytte og velferd, vern av biologisk mangfold og forståelsen av økosystemer og samspillet mellom dem.

På sikt ønsker han ikke bare å registrere referansegenomet til ett individ innen hver art, men også flere individer, slik at det kan bli mulig å studere populasjoner.

– Da kan vi finne den genetiske bredden. Dette er viktig for å vite hvilke prosesser som foregår og hvor livskraftig en populasjon er. Med den nye kunnskapen vil det bli mulig å sette i gang tiltak for å redde truete arter og populasjoner.