Środowisko definiuje cele genetyki

Profesor Ignacy Misztal z Uniwersytetu w Georgii to uznany genetyk i twórca jednostopniowej oceny wartości hodowlanej, która zdobyła popularność w całym hodowlanym świecie. Obecnie trwają prace nad jej implementacją w Polsce, w czym również uczony i jego zespół aktywnie pomagają. Korzystając z wizyty Pana Profesora w naszym kraju, postanowiliśmy zadać kilka pytań dotyczących nie tylko wspomnianej metody, ale i przyszłości genetyki bydła.

tekst i zdjęcia: Mateusz Uciński

Panie Profesorze, jak to się stało, że dołączył Pan do zespołu uniwersytetu w Georgii?
Kiedy byłem na studiach doktoranckich w Szkole Głównej Gospodarstwa Wiejskiego, na uczelnię przyjechała grupa Niemców, która przeprowadziła kurs na temat hodowli zwierząt. Zaprosili mnie oni na kurs do Hohenheim w Niemczech, skąd udałem się na staż w Guelph, w Kanadzie. Potem ukończyłem staż podoktorancki w Illinois w Stanach Zjednoczonych. Tam też prowadziłem badania nad wdrożeniem modelu zwierzęcia w ocenie bydła mlecznego w USA, a po latach zaproponowano mi stanowisko profesorskie na Uniwersytecie w Georgii, które dawało mi dużo możliwości rozwoju.

Co Pana zainspirowało do opracowania metody jednostopniowej oceny genomowej?
Intrygowało mnie, jak można uprościć metodę genomową, dlatego że na początku wydawało się, że metody genomowe powinny być niezwykle skomplikowane, że na przykład szukamy genów, i chcemy jakoś to wykorzystać. Później okazało się, że tak nie jest i te metody można było znacząco uprościć, tak że stały się rutynowe.

Jakie napotkał Pan problemy w tworzeniu tej metody?
Pojawiło się pytanie, w jaki sposób działa selekcja genomowa: czy działa w ten sposób, że szukamy najważniejszych genów, których później używamy do selekcji. W tym wypadku przy każdej cesze byłyby inne geny. Przeprowadzano mnóstwo badań na ten temat i bardzo dużo genów znaleziono, ale okazało się, że dużo fałszywych i większość, że tak powiem, nie miała znaczenia praktycznego. Z drugiej jednak strony okazało się, że faktycznie oceniamy jak gdyby pokrewieństwa genomowe i w tym wypadku geny nie mają żadnego znaczenia. Jeżeli bierze się pod uwagę, że ocena jednostopniowa to połączenie danych rodowodowych i genomowych, to sam pomysł jest niezwykle prosty i równocześnie skuteczny.

Jakie, Pańskim zdaniem są przewagi właśnie metody jednostopniowej nad tradycyjnymi metodami oceny?
Przede wszystkim ta metoda używa danych genomowych w pełnym zakresie i w dodatku w bardzo prosty sposób, umożliwiając tworzenie skomplikowanych modeli, co pozwala także na wykorzystywanie danych genomowych automatycznie.

Panie Profesorze, jak widzimy, ta metoda odnosi sukcesy. Czy sądzi Pan, że wyprze ona zupełnie tradycyjne metody?
Już wyparła, z tym że, oczywiście, każde nowe metody mają swoje plusy i minusy. Ta metoda pozwala zwiększać postęp hodowlany szczególnie w cechach o niskiej odziedziczalności, ale równocześnie może przyspieszyć negatywne zmiany (reakcja na selekcję w przypadku cech o negatywnej korelacji), więc trzeba bardzo uważać, żeby te drugie nie miały większego wpływu ekonomicznego.

BLUPF90, jedno z najpopularniejszych narzędzi w tej dziedzinie, było opracowane przez Pana zespół. Jakie pojawiły się kluczowe wyzwania w tworzeniu oprogramowania, które jest efektywne i przystosowane do analiz dużych zbiorów danych?
Najważniejsze jest to, żeby z jednej strony program mógł być używany do szerokiej gamy modeli, a z drugiej strony, żeby był jak najprostszy w napisaniu. Chodzi o to, aby uniknąć błędów i żeby można było dodać dodatkowe moduły, dlatego że wszystko się zmienia, tak samo jak zmieniają się potrzeby.

Panie Profesorze, zostawiając na chwilę kwestie naukowe, czy mógłby Pan powiedzieć hodowcom, jakie największe korzyści płyną dla nich z oceny jednostopniowej?
Przede wszystkim mogą osiągać większą dokładność wyceny dla młodych zwierząt i wobec tego wiedzą, jakie zwierzęta wybrać, żeby mieć z tego jak największe korzyści.

Jakie korzyści przyniosła ocena jednostopniowa?
Ocena genomowa to nowa technologia i jak w każdej technologii są ludzie, którzy są w stanie ją wykorzystać. Zmienia się także sposób prowadzenia hodowli: stare metody wymagały trzymania dużej liczby byków przez długi czas, w tej chwili nie jest to absolutnie potrzebne. Dla ludzi, którzy przyjmują nowe metody, szczególnie genomowe, hodowla bydła mlecznego jest więc zdecydowanie prostsza, podczas gdy dla tych, którzy pozostali przy dawnych metodach, może przynosić straty.

Jak, Pańskim zdaniem, genetyka wpływa na zrównoważony rozwój?
Każda selekcja może doprowadzić do niezrównoważonego rozwoju i w tym względzie trzeba bardzo uważać. Jest to tematem jednego z moich ostatnich artykułów, gdzie zwracam uwagę, że przez długi czas starano się polepszyć wartości hodowlane głównie w cechach produkcyjnych, akceptując negatywny wpływ na rozrodczość, na przeżywalność, i po pewnym czasie taka praktyka stała się już niemożliwa. Wobec tego zaczęto prowadzić selekcję na cechy związane ze zdrowiem i cechy funkcjonalne, które mają mniejszą odziedziczalność, powiedzmy, które kiedyś były drugorzędne, a które okazują się może pierwszorzędne w tej chwili i zapewniają wspomniany rozwój.

Co Pan sądzi o wykorzystaniu sztucznej inteligencji w hodowli bydła? Bo pojawiają się w tej kwestii obawy, oczywiście jak ze wszystkim, co jest nowe.
Pytanie, czym tak naprawdę jest sztuczna inteligencja, jak ją postrzegamy. Można powiedzieć, że są to decyzje na podstawie danych, które już mamy. No i na przykład, jeżeli chcemy znaleźć odpowiednią wartość, możemy popatrzeć, jakie byki są dobre, jakie są dane wstępne i metoda spróbuje coś tam znaleźć. Do tej pory możliwości tych dodatkowych metod AI nie były zbyt duże. Koniec końców są to wielkie nazwy – sztuczna inteligencja, ale pozostaje pytanie: co tak naprawdę za tym stoi? Bo jeżeli modele genetyczne są bardzo proste, to skoro modele AI mają to wykorzystywać, to one same powinny stworzyć takie modele genetyczne same w sobie.

Panie Profesorze, jaka, Pana zdaniem, jest przyszłość genetyki zwierząt?
Wydaje mi się, że praca hodowlana będzie jeszcze trwać przez długi czas. Oczywiście są pytania, co możemy jeszcze osiągnąć w tej hodowli. Powiedzmy sobie, że znamy wartość wszystkich genów i możemy przewidzieć dokładnie potencjał genetyczny zwierząt, więc być może na podstawie genomów będziemy mogli stworzyć zwierzęta doskonałe. Oczywiście, skoro pojawiają się zwierzęta doskonałe, to znaczy, że wszystkie inne są gorsze i wtedy postęp hodowlany się zatrzymuje. Z drugiej strony trzeba pamiętać, że warunki się wszędzie cały czas zmieniają, więc zwierzęcia doskonałego nie ma.

Czyli tak naprawdę nie ma szklanego sufitu, którego nie da się przebić, prawda?
Trzeba zadać sobie pytanie: jaki jest cel? Celem niewątpliwie jest utrzymanie rentowności produkcji. Praca hodowlana dostarcza zwierzęta, których hodowla w nowych warunkach jest najbardziej opłacalna, a my usiłujemy selekcjonować zwierzęta do nowych warunków, dlatego że technologia produkcji cały czas się zmienia. W nowej technologii być może będą potrzebne takie osobniki, które mają większą wartość produkcyjną przy, być może, słabszych cechach, ale te słabości będą pokrywane przez postępy w zarządzaniu stadem.

Czyli możemy powiedzieć, że de facto cele genetyki definiuje również środowisko, prawda?
Bezwzględnie i zdecydowanie – tak! 

Ignacy Misztal został profesorem nadzwyczajnym Uniwersytetu w Georgii (UGA) w 1996 roku. Wcześniej uzyskał tytuł magistra inżyniera elektrotechniki na Politechnice Warszawskiej i doktora w Polskiej Akademii Nauk. Przed przyjazdem do UGA był pracownikiem naukowym w Szkole Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Uniwersytecie Hohenheim (Niemcy), Uniwersytecie w Guelph (Kanada) i Uniwersytecie Illinois w Urbanie-Champaign (USA).

Główne badania prof. Misztala dotyczą metodologii oceny genetycznej i strategii obliczeniowych, które poprawiają produkcję zwierzęcą i zrównoważony rozwój. Jest on pionierem jednoetapowej metody GBLUP – metody łącznego uwzględniania informacji genomicznych, rodowodowych i fenotypowych; metoda ta stała się standardem w tej dziedzinie. Jest również pionierem nowej metody oceny zwierząt pod kątem tolerancji na ciepło przy użyciu specjalnych modeli z danymi z publicznych stacji pogodowych. Programy komputerowe opracowane przez jego laboratorium są używane przez naukowców w co najmniej 50 krajach i stały się podstawą programów oceny genetycznej niektórych z największych firm zajmujących się genetyką zwierząt i stowarzyszeń hodowlanych na świecie.

Prof. Misztal opublikował 290 recenzowanych artykułów w czasopismach, wygłosił ponad 150 wykładów na zaproszenie w 34 krajach i poprowadził 30 kursów w 16 krajach na 6 kontynentach. Jego badania są kluczowe dla przemysłu mleczarskiego, wołowego, wieprzowego i drobiowego na całym świecie. Jest zdobywcą nagród: JL Lush (ADSA), Rockefeller Prentice (ASAS), Research (NAAB), Pioneer (BIF) i DW Brooks (Research, Global Programs, Distinguished Professor – CAES UGA).

Do jego zainteresowań badawczych należą: metodyka oceny genetycznej, programowanie algorytmów związanych z hodowlą zwierząt, genetyka tolerancji na ciepło, płodność i śmiertelność, interakcja genotypu ze środowiskiem i efekty konkurencji, włączenie informacji genomicznych do ocen genetycznych, potencjalne negatywne skutki selekcji genomicznej oraz szacowanie parametrów genetycznych przy użyciu dużych zestawów danych.