- 2015/09/30 - 08:38
- 417 بازدید
زمينه هاى مهم بيوانفورماتيك
۱ – تحليل توالى هاى ژنوم
هدف اوليه بيوانفورماتيك طراحى روش هاى استخراج، نگهدارى، پردازش و تحليل تعداد بسيار زيادى از توالى ها بود. رسيدن به اين هدف، براى محققان علوم زيستى دستاورد عظيمى به شمار مى رود. به طور كلى در طى چند سال اخير، كاوش در اين پايگاه هاى داده اى براى پژوهشگران زيست شناسى مولكولى به يك فعاليت روزمره و نياز حياتى مبدل شده است. براى مثال فرض كنيد كه توالى قسمتى از يك DNA در آزمايشگاه به دست آمده است .
نخستين سئوالى كه به ذهن مى رسد اين است كه آيا اين توالى در برگيرنده يك ژن هست يا نه؟ در صورت مثبت بودن جواب، اين ژن در كجاى زنجيره DNA اصلى قرار دارد و نهايتاً آنزيمى را كه كد مى كند چه نقشى در سلول يا در فرآيندهاى حياتى ايفا مى كند؟ در غياب بيوانفورماتيك و ابزارهاى آن، ماه ها وقت لازم است تا يك تيم تحقيقاتى به حدس هاى اوليه اى درباره پاسخ سئوالات فوق برسد. در حالى كه تنها با يك كامپيوتر شخصى متصل به اين پايگاه هاى داده اى ظرف چند دقيقه مى توان به جواب قطعى يا حدس هايى محكم رسيد .
سرعت بالاى روش هاى تعيين توالى با روش هاى كامپيوترى و مدل هاى رياضى در طراحى تراشه هاى
DNA به دست آمده اند. دستگاه هاى فوق پيشرفته مجهز به تراشه هاى DNA
قادر هستند ضمن تعيين توالى همزمان هزاران قطعه نوكلئوتيدى آنها را به طور خودكار در پايگاه هاى داده اى به ثبت برساند .
۲ – پيش بينى ساختار سه بعدى (ساختار سوم و چهارم) پروتئين
كاركرد مولكول هاى عظيم پروتئين به شدت به شكل فضايى و ساختار سه بعدى آنها بستگى دارد. از طرفى همان گونه كه ديديم ژن ها نيز از طريق عملكرد پروتئين هايى كه مى سازند، نقش خود را اعمال مى كنند. بنابراين شناخت كامل ماهيت و وظيفه ژن ها، منوط به دانستن اطلاعات كافى درباره پروتئين ها است. ولى پروژه هاى پروتيوم با وجود اين اهميت حياتى، به كندى پيش مى روند .
دلايل اين كندى پيشرفت، هزينه هاى زياد و كندى روند تعيين توالى پروتئين ها و مشكل بودن تعيين ساختار سه بعدى آنها در آزمايشگاه است. با توجه به سرعت بالاى روند كار در پروژه هاى ژنوم، حل مسائل پروتئينى مهمترين چالش حال حاضر بيوانفورماتيك به حساب مى آيد .
دو اصل اساسى براى تعيين ساختار سه بعدى پروتئين از روى توالى آن وجود دارد كه هر كدام روش جداگانه اى را براى حل مسئله ساختار پيشنهاد مى كنند :
* پروتئين هايى كه توالى نسبتاً مشابهى دارند، شكل فضايى شبيه به هم پيدا مى كنند : جست وجو براى يافتن توالى هاى مشابه .
* شكل فضايى مولكول به نحوى است كه به حداقل انرژى برسد: استفاده از قوانين شيمى، فيزيك و ترموديناميك .
۳ – تحليل كاركردى در سطح ژنوم
ابزارهاى تحليل كلان داده هاى زيستى، روش كار پژوهش هاى مهندسى ژنتيك، داروسازى و زيست شناسى را دگرگون كرده اند. فناورى جديد بيوانفورماتيكى امكانات جديد و بسيار قوى را فراهم ساخته است؛ مثل بررسى همزمان ميزان فعاليت هزاران ژن در سلول، تحليل نحوه تعامل تعداد زيادى پروتئين و تحليل خصوصيات هزاران سلول جهش يافته در آن واحد. اين مسائل با به كارگيرى روش هاى آمارى پيشرفته و كلاستربندى حل شده اند . دانش مربوط به اين بخش تحت عنوان � ژنوم شناسى كاركردى � به يكى از فعال ترين زمينه هاى تحقيقى در بيوانفورماتيك مبدل شده است .
از دستاوردهاى مهم در اين زمينه مى توان به پيش بينى نقش و كاركرد ژن ها در سلول بدون نياز به تحليل داده هاى پروتئينى اشاره كرد .
۴ – ايجاد و مديريت پايگاه هاى داده اى
صرف نظر از نوع داده هاى توليد شده در زيست شناسى مولكولى و نحوه تحليل و تفسير آنها، بايد اين داده ها را از طريق پايگاه هايى در اختيار پژوهشگران قرار داد. اما نحوه اين ارائه هم مشكلات خاص خود را پيش رو دارد؛ مثل نحوه حصول اطمينان از درستى داده هاى ثبت شده و چگونگى نمايش مفيد داده ها براى كاربران. از اين جهت اداره كنندگان پايگاه هاى بزرگ بيوانفورماتيكى، چالش هايى بيش از يك مهندس پيش رو دارند .
۵ – مدل سازى رياضى فرآيندهاى حيات
استفاده كنندگان ابزارها و داده هاى بيوانفورماتيكى محدود به متخصصان زيست شناسى مولكولى نمى شود. گروهى كه اخيراً به اهميت بيوانفورماتيك پى برده اند، فيزيولوژيست ها هستند. آنها با استفاده از حجم عظيم داده هاى ژنومى و پروتيومى در تلاشند تا راه شبيه سازى فرآيندهاى بيوشيميايى سلول هاى زنده را هموار سازند .
تلاش محققان اين است كه فرآيندهاى خاص سلولى را شبيه سازى كرده و با يك پارچه سازى آنها به يك سلول كامل برسند كه در اين صورت يكى از هدف هاى مهم بيوانفورماتيك علوم زيستى محقق خواهد شد؛ يعنى درك كامل ساز و كار ارگانيسم هاى زنده در سطح مولكولى .
در خاتمه بايد يادآور شد كه اهميت بيوانفورماتيك تنها در سرعت بخشيدن به كارهاى آزمايشگاهى نيست بلكه گسترش اين شاخه علمى و طرح و پاسخگويى به سئوالات جديد افق هاى نوينى را پيش روى زيست شناسان گشوده است.
بیولوژی مولکولی و علم ژنتيك مسايلي در پيش دارند كه بيوانفورماتيك ميتواند با به كار بردن اين اطلاعات كامپيوتري شده به حل آنها كمك نمايد حجم فوقالعاده زياد دادهها جهت نگه داري و مقايسه هاي گاها ميليوني ركوردها بسيار مشكل است و گاهي غير ممكن است يكي از كاربردهاي بيوانفورماتيك تحليل اين دادهها جهت پي بردن به معماي تكامل هستي است حل اين معما در ملياردها نوكلئوتيد درون ژنوم موجودات زنده نهفته است.
مشهورترين كاربرد بيوانفورماتيك در تحليل توالي هاست توالي هاي دي ان اي مربوط به ارگانيزم هاي مختلف جهت دستيابي سريع و مقايسه آنها با يكديگر ،در پايگاه هاي داده ذخيره ميشوند . پروژه ژنوم انسان كه از سال 1996 تا سال 2003 به طول انجاميد نمونه اي از تحليل توالي هاست در اين پروژه توسط كاميوتر هاي بزرگ و روشهاي مختلف به دست آوردن توالي ها همه ژنوم انسان تعيين توالي گرديد و درون يك ايگاه داده قرار گرفت با كامل شدن نقشه ژنومانسان بيوانفورماتيك در تحقيقات سرطان ها به اميد رسيدن به يك درمان موفق و نهايي بسيار با اهميت شده است.
امروزه بيوانفورماتيك نقش مهمي در زمينه كمك كردن در درمان بيماريها دارد .نقش بيوانفورماتيك و شيمي اينفورماتيك و مدل سازي هاي كامپيوتري در تهيه داروهاي مختلف آنچنان مهم ميباشد كه دارو سازي نوين بدون اين علوم هيچ كاربردي ندارد.
بررسي و مقايسه توالي هاي ژنتيكي يا توالي هاي پروتئيني كمك فراواني به فرضيه تكامل مي كند به عنوان مثال ميتوان به وسيله نرم افزار بلست توالي يك ژن خاص را با مليون ها توالي ژني موجود مقايسه كرد بيوانفورماتيك ابزارهاي زيادي براي مطالعه بسياري از سوالات مربوط به حوزه بيولوژي مانند پي بردن به شباهت د.و ژن خاص با عملكردهاي مشابه در اختيار محققين قرار داده است كه عبارتند ازبانكهاي اطلاعاتي با ارزش و نرم افزار هاي مختلف براي تحليل توالي ها.
زمینه های کاربرد بیوانفورماتیک
Molecular medicine |
The human genome will have profound effects on the fields of biomedical research and clinical medicine. Every disease has a genetic component. This may be inherited (as is the case with an estimated 3000-4000 hereditary disease including Cystic Fibrosis and Huntingtons disease) or a result of the body’s response to an environmental stress which causes alterations in the genome (eg. cancers, heart disease, diabetes.).
|
Personalised medicine |
Clinical medicine will become more personalised with the development of the field of pharmacogenomics. This is the study of how an individual’s genetic inheritence affects the body’s response to drugs. At present, some drugs fail to make it to the market because a small percentage of the clinical patient population show adverse affects to a drug due to sequence variants in their DNA.
|
Preventative medicine |
With the specific details of the genetic mechanisms of diseases being unravelled, the development of diagnostic tests to measure a persons susceptibility to different diseases may become a distinct reality. Preventative actions such as change of lifestyle or having treatment at the earliest possible stages when they are more likely to be successful, could result in huge advances in our struggle to conquer disease.
|
Gene therapy |
In the not too distant future, the potential for using genes themselves to treat disease may become a reality. Gene therapy is the approach used to treat, cure or even prevent disease by changing the expression of a persons genes. Currently, this field is in its infantile stage with clinical trials for many different types of cancer and other diseases ongoing.
|
Drug development |
At present all drugs on the market target only about 500 proteins. With an improved understanding of disease mechanisms and using computational tools to identify and validate new drug targets, more specific medicines that act on the cause, not merely the symptoms, of the disease can be developed. These highly specific drugs promise to have fewer side effects than many of today’s medicines.
|
Microbial genome applications |
Microorganisms are ubiquitous, that is they are found everywhere. They have been found surviving and thriving in extremes of heat, cold, radiation, salt, acidity and pressure. They are present in the environment, our bodies, the air, food and water. Traditionally, use has been made of a variety of microbial properties in the baking, brewing and food industries. The arrival of the complete genome sequences and their potential to provide a greater insight into the microbial world and its capacities could have broad and far reaching implications for environment, health, energy and industrial applications. For these reasons, in 1994, the US Department of Energy (DOE) initiated the MGP (Microbial Genome Project) to sequence genomes of bacteria useful in energy production, environmental cleanup, industrial processing and toxic waste reduction. By studying the genetic material of these organisms, scientists can begin to understand these microbes at a very fundamental level and isolate the genes that give them their unique abilities to survive under extreme conditions.
|
Waste cleanup |
Deinococcus radiodurans is known as the world’s toughest bacteria and it is the most radiation resistant organism known. Scientists are interested in this organism because of its potential usefulness in cleaning up waste sites that contain radiation and toxic chemicals.
|
Climate change Studies |
Increasing levels of carbon dioxide emission, mainly through the expanding use of fossil fuels for energy, are thought to contribute to global climate change. Recently, the DOE (Department of Energy, USA) launched a program to decrease atmospheric carbon dioxide levels. One method of doing so is to study the genomes of microbes that use carbon dioxide as their sole carbon source.
|
Alternative energy sources |
Scientists are studying the genome of the microbe Chlorobium tepidum which has an unusual capacity for generating energy from light
|
Biotechnology |
The archaeon Archaeoglobus fulgidus and the bacterium Thermotoga maritima have potential for practical applications in industry and government-funded environmental remediation. These microorganisms thrive in water temperatures above the boiling point and therefore may provide the DOE, the Department of Defence, and private companies with heat-stable enzymes suitable for use in industrial processes
|
Antibiotic resistance |
Scientists have been examining the genome of Enterococcus faecalis-a leading cause of bacterial infection among hospital patients. They have discovered a virulence region made up of a number of antibiotic-resistant genes that may contribute to the bacterium’s transformation from a harmless gut bacteria to a menacing invader. The discovery of the region, known as a pathogenicity island, could provide useful markers for detecting pathogenic strains and help to establish controls to prevent the spread of infection in wards.
|
Forensic analysis of microbe |
Scientists used their genomic tools to help distinguish between the strain of Bacillus anthryacis that was used in the summer of 2001 terrorist attack in Florida with that of closely related anthrax strains.
|
The reality of bioweapon creation |
Scientists have recently built the virus poliomyelitis using entirely artificial means. They did this using genomic data available on the Internet and materials from a mail-order chemical supply. The research was financed by the US Department of Defence as part of a biowarfare response program to prove to the world the reality of bioweapons. The researchers also hope their work will discourage officials from ever relaxing programs of immunisation. This project has been met with very mixed feeelings
|
Evolutionary studies |
The sequencing of genomes from all three domains of life, eukaryota, bacteria and archaea means that evolutionary studies can be performed in a quest to determine the tree of life and the last universal common ancestor.
|
Crop improvement |
Comparative genetics of the plant genomes has shown that the organisation of their genes has remained more conserved over evolutionary time than was previously believed. These findings suggest that information obtained from the model crop systems can be used to suggest improvements to other food crops. At present the complete genomes of Arabidopsis thaliana (water cress) and Oryza sativa (rice) are available.
|
Insect resistance |
Genes from Bacillus thuringiensis that can control a number of serious pests have been successfully transferred to cotton, maize and potatoes. This new ability of the plants to resist insect attack means that the amount of insecticides being used can be reduced and hence the nutritional quality of the crops is increased.
|
Improve nutritional quality |
Scientists have recently succeeded in transferring genes into rice to increase levels of Vitamin A, iron and other micronutrients. This work could have a profound impact in reducing occurrences of blindness and anaemia caused by deficiencies in Vitamin A and iron respectively. Scientists have inserted a gene from yeast into the tomato, and the result is a plant whose fruit stays longer on the vine and has an extended shelf life.
|
Development of Drought resistance varietie |
Progress has been made in developing cereal varieties that have a greater tolerance for soil alkalinity, free aluminium and iron toxicities. These varieties will allow agriculture to succeed in poorer soil areas, thus adding more land to the global production base. Research is also in progress to produce crop varieties capable of tolerating reduced water conditions.
|
Vetinary Science |
Sequencing projects of many farm animals including cows, pigs and sheep are now well under way in the hope that a better understanding of the biology of these organisms will have huge impacts for improving the production and health of livestock and ultimately have benefits for human nutrition.
|
Comparative Studies |
Analysing and comparing the genetic material of different species is an important method for studying the functions of genes, the mechanisms of inherited diseases and species evolution. Bioinformatics tools can be used to make comparisons between the numbers, locations and biochemical functions of genes in different organisms. |