» بیوانفورماتیک و سیستم بیولوژی پزشکی(زیست پزشکی سامانه ای)

 

بیوانفورماتیک یعنی چه؟سیستم بیولوژی یا همان زیست سامانه ای یعنی چه؟

در زیر به این مبحث که بیوانفورماتیک و سیستم بیولوژی و بیگ دیتا چه مفهومی دارند میپردازیم.

شاید بتوان داستان را از اینجا شروع کرد: درك زبان خاموش اما جذاب سلولهاي زنده، تلاش بيولوژي مولكولي مدرن است.

از يك الفباي ساده چهار حرفي (آدنين، گوانين، سيتوزين، تيمين) دستورالعمل فرآيندهاي حياتي شكل مي گيرد كه پيچيده ترين بيان و گفتار آن‌ها “انسان” است.

شبیه به صفر و یک کامپیوتر انسان و سایر موجودات زنده نیز از چهار کد ساده به عنوان پایه برای زیستا شدن استفاده میکنند. اما خیلی ساده انگارانه نباید به این کدها نگاه کرد.

به این نکته توجه کنید که رفتار ژنوم در انواع سلول ها و بافت های مختلف متفاوت است. به طور قابل ملاحظه. یک اریتروبلاست هسته دار و یک نورون از نظر تئوری حاوی کروموزوم های یکسانی هستند

. چگونه یک الگوریتم می تواند چنین تنوع  عجیبی ایجاد کند؟

برای درک منظور من به کارتون زیر توجه کنید…

به غیر بحث کدون انسان و پیچیدگی هایی که در طول حیات دچار شده است حجم فوق العاده بالایی نیز دارند.

محققین تصور میکنند که دیتای بزرگ مثلا یعنی کل ژنوم را تحلیل کنیم و یا کل پروتئین ها را بلکه شما در بررسی حالات مختلف اتصال یک مولکول شیمیایی کوچک به یک پروتئین با یک بیگ دیتا مواجه هستید!!!!

حجم فوق العاده زياد داده هاي مولكولي(Big DATA) و الگوهاي مبهم و مرموز آن‌ها ما را بر آن داشته است تا به نياز مطلق به پايگاه هاي داده كامپيوتري و ابزارهاي تحليل داده‌ها پي ببريم. تلاش و مبارزه ما يافتن روش هاي جديد، جهت مديريت اين داده‌ها حجيم و پيچيده است و نيز فراهم كردن بستري جهت دسترسي به ابزارهاي كامپيوتري و تحليل داده هاست تا ميراث ژنتيكي خود را بيش تر درك كنيم و نقش آن را در سلامت و بيماري‌ها بيابيم.

 

 

در کنار پیچیدگی و حجم بالا DNA رونوشت به mRNA و سپس ترجمه به پروتئین میشود…. و حال بحثهایی مثل ساختار سه بعدی DNA و mRNA و پروتئین ایجاد میشود.

و سوالهای زیادی مثل این که پروتئینها باهم چگونه اینترکشن دارند و یا یک سری از پروتئینها که آنزیم نام دارند چطور عمل میکنند و یا مواد شیمیایی مختلف چطور  روی پروتئین ها تاثیر میگذارند مثلا به عنوان دارو…. و هزاران سوال دیگر….

از سمت دیگر دیده شده است که حدودا  بین انسانها حدود سه میلیون نوکلئوتید تفاوت وجود دارد که مطالعات گسترده ژنوم که GWAS نام دارد گسترش روز افزونی پیدا کرد و به بررسی این پلی مورفیسم ها میپردازد.

بیوانفورماتیک مدام به دنبال الگوریتم ها و روشهای محاسباتی مختلف میگشت و میگردد تا این پیچیدگی ها را مدیریت کند.

 

تعاریف مختلفی برای بیوانفورماتیک میتوان پیدا کرد که یکی از آنها این است: بیوانفورماتیک یعنی استفاده از فناوری انفورماتیک به منظور تجزیه و تحلیل داده های زیستی. بیوانفورماتیک همزمان با پروژه های ژنوم رشد کرد و داده های این پروژه ها را ذخیره و مورد بررسی قرار داد. بیوانفورماتیک به مباحث مختلفی همچون ژنومیکس ، ترنسکریپتومیکس، متابولومیکس و پروتئومیکس  میپردازد.

بیوانفورماتیک هم‌زمان با پروژه‌های ژنوم رشد کرد و داده‌های این پروژه‌ها را ذخیره و مورد بررسی قرار داد. اکنون پروژه‌های ژنومی موجودات مختلف اطلاعات بسیار زیادی را از ژن‌ها و محصولات آن‌ها در اختیار ما گذاشته است. آشکار است که گام بعدی مطالعه‌ی آزمایشگاهی و رایانه‌ای عملکرد این ژن‌ها و محصولات آن‌ها در ابعاد سلول و نحوه‌ی ارتباط آن‌ها است. از طرف دیگر به واسطه‌ی روش‌های آزمایشگاهی مختلف و پیشرفته که روز به روز در حال ترقی هستند اطلاعات ما از عملکرد ژن‌ها و ماکرومولکول‌های زیستی افزایش می‌یابد. بنابراین به منظور استفاده از اطلاعات به دست آمده از پروژه‌های ژنومی و اطلاعات عملکردی لازم است که این داده‌ها با استفاده از رایانه به صورت دسته‌بندی شده در بیایند.
مرحله‌ي بعدي در ادامه اين تحقيقات، تلاش‌هاي بيش‌تر در جهت مطالعات سيستماتيك در زمينه‌ي سلول‌ها، اندام‌ها و موجودات زنده؛ به‌ويژه فرآیندهای سلولي مانند برهمکنش‌های مولکولی، ارتباطات بین سلولي، تقسيم سلولي، هموستازي و سازگاري‌های محیطی است. دانشي كه اين مجموعه از فعالیت‌ها را دنبال مي‌كند “سامانه‌های زیستی” (System Biology) ناميده شده است. در واقع، زمان آن فرارسيده است كه شاخه‌هاي مختلف علوم زيستي به منظور درك بهتر چگونگي عملكرد سلول، چگونگي تنظيم فرایندهاي سلولي و چگونگي واكنش و سازگاري با تغييرات محيطي با هم ادغام شوند. با توجه به موارد ذکر شده ضرورت یادگیری بیوانفورماتیک برای زیست شناسان به شدت مورد نیاز به نظر می‌رسد.

بيوانفورماتيك شاخه اي از علم است كه از كامپيوتر بهره مي گيرد تا اطلاعات بيولوژي مولكولي را در كامپيوتر ذخيره نمايد و با ابزارهاي كامپيوتري و الگوريتم هاي قدرتمند رياضي آناليز و تحليل نمايد.امروزه تجزیه و تحلیل دادهای زیستی توسط کامپیوتر به منظور پیشبرد بهتر اهداف تحقیقاتی به یک نیاز اساسی تبدیل شده است اما خوشبختانه بیشتر داده های زیستی و ابزارهای آنالیز آنها به صورت آنلاین و اکثرا رایگان در اینترنت در دسترس میباشند و در هرجایی و توسط ساده ترین کامپیوترها میتوان به داده ها دسترسی داشت.

 اکنون پروژه های ژنومی موجودات مختلف اطلاعات بسیار زیادی را از ژن ها و محصولات آن ها در اختیار ما گذاشته است. آشکار است که گام بعدی مطالعه ی آزمایشگاهی و رایانه ای عملکرد این ژن ها و محصولات آن ها در ابعاد سلول و نحوه ی ارتباط آن ها است. از طرف دیگر به واسطه ی روش های آزمایشگاهی مختلف و پیشرفته که روز به روز در حال ترقی هستند اطلاعات عملکردی ما از ژن ها و ماکرومولکول های زیستی افزایش می یابد. بنابراین به منظور استفاده از اطلاعات به دست آمده از پروژه های ژنومی و اطلاعات عملکردی لازم است که این داده ها با استفاده از رایانه به صورت دسته بندی شده در بیایند.

همانطور که مشخص شد بیوانفورماتیک از دو حوزه اصلی بیولوژی و انفورماتیک تشکیل شده است و بعد از انجام پروژه های ژنوم و افزایش روز افزون داده های زیستی کاربرد بیوانفورماتیک در پزشکی مداوم در حال افزایش است، لازم به توضیح است که به این حوزه جدید کلینیکال بیوانفورماتیک و یا بیومدیکال انفورماتیک  میگویند که با حوزه انفورماتیک پزشکی متفاوت میباشد که شکل بالا تفکیک خوبی را از ارتباط بین علوم زیستی ،پزشکی و انفورماتیک به تصویر کشده است.

 

حال سیستم بیولوژی یا همان زیست پزشکی سامانه ای چیست؟

مرحله ي بعدي در ادامه اين تحقيقات، تلاش هاي بيشتر در جهت مطالعات سيستماتيك در زمينه ي سلول ها، اندام ها و موجودات زنده؛ بويژه فرآیندهای سلولي مانند برهمکنش های مولکولی، ارتباطات بین سلولي، تقسيم سلولي ،هموستازي و سازگاري های محیطی است. دانشي كه اين مجموعه از فعالیت ها را دنبال مي كند “سامانه های زیستی ” (System Biology ) ناميده شده است.

در واقع، زمان آن فرا رسيده است كه شاخه هاي مختلف علوم زيستي به منظور درك بهتر چگونگي عملكرد سلول، چگونگي تنظيم فزآیند هاي سلولي و چگونگي واكنش و سازگاري با تغييرات محيطي با هم ادغام شوند. 

اگر به جدول زیر که به مقایسه سیستم بیولوژی و بیوانفورمایک و بیولوژی محاسباتی پرداخته است نگاه کنید میبینید که سیستم بیولوژیست ها کارهای محاسباتی و آزمایشگاهی را گاهی همزمان اجام میدهند یعنی میتوان گفت سستم بیولوژی آزمایشگاه را کلا کنار نمیگذارد و حاصل تحقیقاتش را به آزمیشگاه میبرد…

نکته مهم بعدی این که توجه شما را به کلمه مدل سازی در زیر مجموعه سیستم بیولوژی جلب میکنم. مبحثی که خیلی ها به آن توجه نمیکنند این است که سیستم بیولوژی تلاش بسیار زیادی برای مدل سازی فرایندهای زیستی در کامپیوتر دارد….

این مدل سازی میتواند در حد مدل سازی بولین یا منطقی بر روی یک سری مسیر سیگنالینگ و تنظیم بیان ژن باشد و یا یک مدل استوکستیک روی یک فرایند بیوشیمیایی باشد ویا مدل سازی یک گراف باشد…

نوع دیگر مدل سازی که روی دیتا و تصویر انجام میشود شامل ماشین لرنینگ و دیپ لرنینگ میباشد که آن نیز جایگاه ویژه ای در سیستم بیولوژی دارد…

در مطلب فوق سعی شد به صورت خلاصه به تفاوت بیوانفورماتیک و سیستم بیولوژی پرداخته شود و یقینا کامل و همه جانبه نیست….

در انتها با این کارتون زیبا بحث را تمام میکنیم…. و تصمیم گیرنده شما هستید که بر اساس جدول فوق یک بیوانفورماتیسین و یا سستم بیولوژیست و یا فقط یک بیولوزیست باشید. که هر کدام از اینها در جایگاه خود مهم و ارزشمند هستند….

فلسفه شکل گیری بیوانفورماتیک بیشتر بر اساس ایجاد ، تحلیل و بررسی الگوریتمها و ابزارهایی در زمینه زیست شناسی معطوف است و بیشتر دیدگاه تکنیکی و مهندسی پشت این رشته است و کمتر کسی در این رشته ساینتیست بیوانفورماتیک است.

با توجه به فلسه وجودی سیستم بیولوژی که بیشتر یک دیدگاه ساینتیستی به موضوع دارد و بیشتر به دنبال مدل کردن فرایندهای زیستی است شاید با ذائقه زیست شناسها بیشتر جور باشد….