قسمت اول
امروزه، بشر به مرتبه‌ای از دانش رسیده که می‌تواند حیات را در پایه‌ای‌ترین و بنیادی‌ترین سطح آن، یعنی از نظر ژنتیکی، به صورتی هنرمندانه و هدفدار، تحت سیطره‌ی خود داشته باشد. با گسترش دانش بشری، حجم داده‌ها و اطلاعات زیستی، با سرعت سرسام‌آوری رو به فزونی گرفته است. از طرفی، روز به روز نیاز بشر به پردازش و کاوش در میان این داده‌ها بیشتر می‌شود به گونه‌ای که دیگر نمی‌توان با روش‌های سنتی و به صورت دستی، عملیات‌هایی نظیر تجزیه، تحلیل و پردازش و حتی جمع‌آوری این اطلاعات را انجام داد. اینجاست که فناوری‌های نوین اطلاعاتی و ارتباطی (ICT) به کمک بشر آمده و او را در نیل به اهدافش جهت دستیابی به یک زندگی بهتر و ســالم‌تر یاری می‌دهند. اکنون جستجو و کنکاش درباره‌ی نکات مبهم و معماهای موجود حیات، به واسطه‌ی وجود این ابزارها و فناوری‌های نوین میسر گردیده است. یکی از فناوری‌ها و صنایع نوینی که جهت پاسخ‌گویی به نیاز فوق و در پی پیشرفتهای شگرف فناوری اطلاعات و ارتباطات، بوجود آمده، بیوانفورماتیک می‌باشد.
همان طور که در قسمت قبل نیز گفتیم بیوانفورماتیك شاخه ای از علم است كه از كامپیوتر بهره می گیرد تا اطلاعات بیولوژی مولكولی توالی‌ها دی ان ای یا پروتئین‌ها را در كامپیوتر ذخیره نماید و با ابزارهای كامپیوتری و الگوریتم های قدرتمند ریاضی آنالیز و تحلیل نماید.
درواقع بیولوژی مولكولی و علم ژنتیك مسایلی در پیش دارند كه بیوانفورماتیك می تواند با به كار بردن این اطلاعات كامپیوتری شده به حل آنها كمك نماید. حجم فوق العاده زیاد داده‌ها جهت نگهداری و مقایسه های گاهاّ میلیونی ركوردها بسیار مشكل و گاهی غیر ممكن است.یكی از كاربردهای بیوانفورماتیك تحلیل این داده‌ها جهت پی بردن به معمای تكامل هستی است. حل این معما در میلیاردها نوكلئوتید درون ژنوم موجودات زنده نهفته است.
تعامل بیوانفورماتیك با سایر رشته‌ها
پیشرفت بیوانفوماتیک باعث ایجاد ارتباط متقابل میان این رشته و سایر رشته‌ها شد؛ به طوری که امروزه این رشته با بایگانی، جست‌وجو و نمایش داده‌های بیولوژیک، برای آنالیز و تفسیر داده‌های زیستی به کار گرفته می‌شود.
توسعه‌ی علم بیوانفورماتیک و نیاز روزافزون آن به علوم آمار، کامپیوتر، برنامه نویسی و... موجب توسعه‌ی الگوریتم‌ها و برنامه‌های ریاضی و کامپیوتری در زمینه‌ی بایگانی و جست‌وجو و آنالیز داده‌ها و آنالیز‌های آماری شده است. این امر خود زمینه‌های تحقیقاتی جدیدی در هر یک از رشته‌های مرتبط ایجاد نموده است. اطلاعات به دست آمده از تحلیل داده‌های زیستی توسط علم بیوانفورماتیک، در موارد زیر به زیست شناسی كمك می‌كند:
** یافتن ژن‌ها در میان توالی‌های ژنومیک
** به خط کردن توالی‌ها در بانک‌های اطلاعاتی برای یافتن شباهت‌ها و تفاوت‌ها
** پیش‌گویی ساختار و عملکرد محصولات ژن‌ها
** توضیح تعامل ژن با محصولاتش
** یافتن ارتباط میان ژن‌ها و توالی‌های پروتئینی
زمینه هاى مهم بیوانفورماتیك
تحلیل توالى هاى ژنوم
هدف اولیه بیوانفورماتیك طراحى روش هاى استخراج، نگهدارى، پردازش و تحلیل تعداد بسیار زیادى از توالى ها بود. رسیدن به این هدف، براى محققان علوم زیستى دستاورد عظیمى به شمار مى رود. به طور كلى در طى چند سال اخیر، كاوش در این پایگاه هاى داده اى براى پژوهشگران زیست شناسى مولكولى به یك فعالیت روزمره و نیاز حیاتى مبدل شده است. براى مثال فرض كنید كه توالى قسمتى از یك DNAدر آزمایشگاه به دست آمده است.
نخستین سئوالى كه به ذهن مى رسد این است كه آیا این توالى در برگیرنده یك ژن هست یا نه؟ در صورت مثبت بودن جواب، این ژن در كجاى زنجیره DNA اصلى قرار دارد و نهایتاً آنزیمى را كه كد مى كند چه نقشى در سلول یا در فرآیندهاى حیاتى ایفا مى كند؟ در غیاب بیوانفورماتیك و ابزارهاى آن، ماه ها وقت لازم است تا یك تیم تحقیقاتى به حدس هاى اولیه اى درباره پاسخ سئوالات فوق برسد. در حالى كه تنها با یك كامپیوتر شخصى متصل به این پایگاه هاى داده اى ظرف چند دقیقه مى توان به جواب قطعى یا حدس هایى محكم رسید.
سرعت بالاى روش هاى تعیین توالى با روش هاى كامپیوترى و مدل هاى ریاضى در طراحى تراشه هاى DNA قادر هستند ضمن تعیین توالی همزمان هزاران قطعه DNA به دست آمده اند. دستگاه هاى فوق پیشرفته مجهز به تراشه هاى نوكلئوتیدى آنها را به طور خودكار در پایگاه‌هاى داده اى به ثبت برساند.
پیش بینى ساختار سه بعدى (ساختار سوم و چهارم) پروتئین
كاركرد مولكول هاى عظیم پروتئین به شدت به شكل فضایى و ساختار سه بعدى آنها بستگى دارد. از طرفى همان گونه كه دیدیم ژن ها نیز از طریق عملكرد پروتئین هایى كه مى سازند، نقش خود را اعمال مى كنند. بنابراین شناخت كامل ماهیت و وظیفه ژن ها، منوط به دانستن اطلاعات كافى درباره پروتئین ها است. ولى پروژه هاى پروتیوم با وجود این اهمیت حیاتى، به كندى پیش مى روند. دلایل این كندى پیشرفت، هزینه هاى زیاد و كندى روند تعیین توالى پروتئین ها و مشكل بودن تعیین ساختار سه بعدى آنها در آزمایشگاه است. با توجه به سرعت بالاى روند كار در پروژه هاى ژنوم، حل مسائل پروتئینى مهمترین چالش حال حاضر بیوانفورماتیك به حساب مى آید.
دو اصل اساسى براى تعیین ساختار سه بعدى پروتئین از روى توالى آن وجود دارد كه هر كدام روش جداگانه اى را براى حل مسئله ساختار پیشنهاد مى كنند:
* پروتئین هایى كه توالى نسبتاً مشابهى دارند، شكل فضایى شبیه به هم پیدا مى كنند: جست وجو براى یافتن توالى هاى مشابه.
* شكل فضایى مولكول به نحوى است كه به حداقل انرژى برسد: استفاده از قوانین شیمى، فیزیك و ترمودینامیك.
بیوانفورماتیك شاخه ای از علم است كه از كامپیوتر بهره می گیرد تا اطلاعات بیولوژی مولكولی توالی‌ها دی ان ای یا پروتئین‌ها را در كامپیوتر ذخیره نماید و با ابزارهای كامپیوتری و الگوریتم های قدرتمند ریاضی آنالیز و تحلیل نماید
تحلیل كاركردى در سطح ژنوم
ابزارهاى تحلیل كلان داده هاى زیستى، روش كار پژوهش هاى مهندسى ژنتیك، داروسازى و زیست شناسى را دگرگون كرده اند. فناورى جدید بیوانفورماتیكى امكانات جدید و بسیار قوى را فراهم ساخته است؛ مثل بررسى همزمان میزان فعالیت هزاران ژن در سلول، تحلیل نحوه تعامل تعداد زیادى پروتئین و تحلیل خصوصیات هزاران سلول جهش یافته در آن واحد. این مسائل با به كارگیرى روش هاى آمارى پیشرفته و كلاستربندى حل شده اند. دانش مربوط به این بخش تحت عنوان ژنوم شناسى كاركردى به یكى از فعال ترین زمینه هاى تحقیقى در بیوانفورماتیك مبدل شده است.
از دستاوردهاى مهم در این زمینه مى توان به پیش بینى نقش و كاركرد ژن ها در سلول بدون نیاز به تحلیل داده هاى پروتئینى اشاره كرد.
ایجاد و مدیریت پایگاه هاى داده اى
صرف نظر از نوع داده هاى تولید شده در زیست شناسى مولكولى و نحوه تحلیل و تفسیر آنها، باید این داده ها را از طریق پایگاه هایى در اختیار پژوهشگران قرار داد. اما نحوه این ارائه هم مشكلات خاص خود را پیش رو دارد؛ مثل نحوه حصول اطمینان از درستى داده هاى ثبت شده و چگونگى نمایش مفید داده ها براى كاربران. از این جهت اداره كنندگان پایگاه هاى بزرگ بیوانفورماتیكى، چالش هایى بیش از یك مهندس پیش رو دارند.
مدل سازى ریاضى فرآیندهاى حیات
استفاده كنندگان ابزارها و داده هاى بیوانفورماتیكى محدود به متخصصان زیست شناسى مولكولى نمى شود. گروهى كه اخیراً به اهمیت بیوانفورماتیك پى برده اند، فیزیولوژیست ها هستند. آنها با استفاده از حجم عظیم داده هاى ژنومى و پروتیومى در تلاشند تا راه شبیه سازى فرآیندهاى بیوشیمیایى سلول هاى زنده را هموار سازند.
تلاش محققان این است كه فرآیندهاى خاص سلولى را شبیه سازى كرده و با یك پارچه سازى آنها به یك سلول كامل برسند كه در این صورت یكى از هدف هاى مهم بیوانفورماتیك علوم زیستى محقق خواهد شد؛ یعنى درك كامل ساز و كار ارگانیسم هاى زنده در سطح مولكولى.
در خاتمه باید یادآور شد كه اهمیت بیوانفورماتیك تنها در سرعت بخشیدن به كارهاى آزمایشگاهى نیست بلكه گسترش این شاخه علمى و طرح و پاسخگویى به سئوالات جدید افق هاى نوینى را پیش روى زیست شناسان گشوده است.
ادامه دارد...
فرآوری: مریم نایب زاده
بخش دانش و زندگی تبیان
منبع: ibp- Wikipedia-bioinformatics- cisa- biomedcentral.
