مصفوفة النمط الظاهري

تُعدّ تقنية المصفوفات الدقيقة للنمط الظاهري أسلوبًا لتحليل النمط الظاهري للخلايا بكفاءة عالية . يُمكّن نظام المصفوفات الدقيقة للنمط الظاهري من رصد استجابة الخلايا للتحديات البيئية أو المركبات الخارجية في آنٍ واحد وبكفاءة عالية. تُسجّل هذه الاستجابات إما كقياسات نهائية أو كحركية تنفسية مشابهة لمنحنيات النمو .

يُعدّ اختبار النمط الظاهري عالي الإنتاجية ذا أهمية متزايدة لاستكشاف بيولوجيا البكتيريا والفطريات والخمائر وخطوط الخلايا الحيوانية ، مثل خلايا السرطان البشري . وكما أتاحت تقنيات المصفوفات الدقيقة للحمض النووي وتقنيات البروتينات إمكانية تحليل مستوى التعبير لآلاف الجينات أو البروتينات دفعة واحدة، فإنّ مصفوفات النمط الظاهري الدقيقة (PMs) تُتيح قياس آلاف الأنماط الظاهرية الخلوية كميًا في آنٍ واحد. ^{[ 1 ]} كما يُوفّر هذا النهج إمكانية اختبار وظائف الجينات وتحسين شرح الجينوم. ^{[ 2 ]} وعلى عكس العديد من التقنيات الجزيئية عالية الإنتاجية المتاحة سابقًا، يُجرى اختبار النمط الظاهري على خلايا حية، مما يُوفّر معلومات شاملة حول أداء الخلايا بأكملها. وتتمثل التطبيقات الرئيسية لتقنية مصفوفات النمط الظاهري الدقيقة في مجالات بيولوجيا الأنظمة ، وفيزيولوجيا الخلايا الميكروبية ، وعلم الأحياء الدقيقة ، وعلم التصنيف ، ^{[ 3 ]} وفيزيولوجيا خلايا الثدييات ، بما في ذلك البحوث السريرية، مثل تلك المتعلقة بالتوحد . ^{[ 4 ]} من مزايا قياسات التنفس الخلوي مقارنةً بمنحنيات النمو القياسية إمكانية قياس التنفس الخلوي في ظروف بيئية قد لا تسمح بتكاثر الخلايا (نموها)، ^{[ 5 ]} ودقتها العالية مقارنةً بالكثافة الضوئية التي قد تختلف باختلاف أشكال الخلايا. إضافةً إلى ذلك، عادةً ما تُكتشف تفاعلات التنفس الخلوي قبل نمو الخلايا بفترة طويلة. ^{[ 6 ]}

يُحدث مصدر الكربون الوحيد القابل للنقل إلى الخلية واستقلابه لإنتاج NADH جهدًا اختزاليًا وتدفقًا للإلكترونات لاختزال صبغة التترازوليوم ، ^{[ 7 ]} مثل البنفسجي التترازوليوم ، مما ينتج عنه لون أرجواني. كلما كان هذا التدفق الأيضي أسرع، كلما تشكل اللون الأرجواني بشكل أسرع. يُعدّ تشكل اللون الأرجواني تفاعلًا إيجابيًا، يُفسّر على أنه استخدام مصدر الكربون الوحيد كمصدر للطاقة. يلزم وجود قارئ لوحات دقيقة وحاضنة لتوفير ظروف الحضانة المناسبة، ولقراءة شدة تشكل اللون تلقائيًا أثناء اختزال التترازوليوم على فترات زمنية، مثل 15 دقيقة.

يمكن تطبيق الفكرة الأساسية لاستخلاص المعلومات حول قدرات الكائن الحي وآليات عمله الخاصة عند استخدام مصادر طاقة معينة، على المغذيات الكبرى الأخرى مثل النيتروجين والكبريت والفوسفور ومركباتها ومشتقاتها. وبالتالي، يمكن تحديد تأثير المكملات الغذائية أو المضادات الحيوية أو المعادن الثقيلة أو المركبات المثبطة الأخرى على سلوك التنفس الخلوي.

خلال التفاعل الإيجابي، من المتوقع أن تظهر الحركية الطولية على شكل منحنيات سينيّة، قياسًا على منحنيات نمو البكتيريا النموذجية . وبالمثل، قد توفر منحنيات حركية التنفس معلومات قيّمة مُشفّرة في طول فترة الكمون λ، ومعدل التنفس μ (الذي يُقابل انحدار المنحنى)، وأقصى معدل تنفس خلوي A (الذي يُقابل القيمة القصوى المُسجلة)، والمساحة تحت المنحنى (AUC). وعلى عكس منحنيات نمو البكتيريا ، لا توجد عادةً مرحلة موت في الخلايا الغشائية، لأن صبغة التترازوليوم المُختزلة غير قابلة للذوبان.

تتوفر برامج احتكارية وتجارية توفر حلولاً لتخزين واسترجاع وتحليل بيانات النمط الظاهري عالية الإنتاجية. ومن البرامج القوية المجانية والمفتوحة المصدر حزمة "opm" المبنية على لغة البرمجة R. ^{[ 8 ] [ 9 ]} تحتوي "opm" على أدوات لتحليل بيانات النمط الظاهري، بما في ذلك إدارة البيانات وتصورها وتحليلها إحصائياً، وتغطي تقدير معلمات المنحنى، ورسومات بيانية مخصصة وقابلة للتخصيص، وإدارة البيانات الوصفية ، والمقارنة الإحصائية مع شروح الجينوم والمسارات ، والتوليد التلقائي للتقارير التصنيفية ، وتقسيم البيانات لبرامج علم الوراثة العرقي ، والتصدير بلغة YAML . وقد استُخدمت هذه الحزمة، بالاشتراك مع حزم R أخرى، لتطبيق تقنية التعزيز لإعادة تحليل بيانات النمط الظاهري للتوحد والكشف عن المزيد من العوامل المؤثرة. ^{[ 10 ]} طُوّرت حزمة "opm" ويتم صيانتها في المجموعة الألمانية للكائنات الدقيقة ومزارع الخلايا . يُعدّ برنامج "DuctApe" برنامجًا مجانيًا ومفتوح المصدر آخر مُطوّر لتحليل بيانات المصفوفات الدقيقة للنمط الظاهري، وهو أداة سطر أوامر لنظام يونكس تُعنى أيضًا بربط البيانات الجينومية . ^{[ 11 ]} ومن الأدوات البرمجية الأخرى PheMaDB، ^{[ 12 ]} الذي يُوفّر حلًا لتخزين واسترجاع وتحليل بيانات النمط الظاهري عالية الإنتاجية، وبرنامج PMViewer ^{[ 13 ]} الذي يُركّز على العرض الرسومي ولكنه لا يُتيح إجراء تحليلات إحصائية إضافية. هذا الأخير غير مُتاح للعموم.

• لوحة الخلية

• موقع PheMaDB الإلكتروني