سید لفته فردزاده
3rd August 2015, 02:50 PM
- تحلیل توالى هاى ژنوم
هدف اولیه بیوانفورماتیک 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 کلى در طى چند سال اخیر، کاوش در این پایگاه هاى داده اى براى پژوهشگران زیست شناسى مولکولى به یک فعالیت روزمره و نیاز حیاتى مبدل شده است. براى مثال فرض کنید که توالى قسمتى از یک dna در آزمایشگاه به دست آمده است. نخستین سئوالى که به ذهن مى رسد این است که آیا این توالى در برگیرنده یک ژن هست یا نه؟ در صورت مثبت بودن جواب، این ژن در کجاى زنجیره dna اصلى قرار دارد و نهایتاً آنزیمى را که کد مى کند چه نقشى در سلول یا در فرآیندهاى حیاتى ایفا مى کند؟ در غیاب بیوانفورماتیک و ابزارهاى آن، ماه ها وقت لازم است تا یک تیم تحقیقاتى به حدس هاى اولیه اى درباره پاسخ سئوالات فوق برسد. در حالى که تنها با یک کامپیوتر شخصى متصل به این پایگاه هاى داده اى ظرف چند دقیقه مى توان به جواب قطعى یا حدس هایى محکم رسید.
سرعت بالاى روش هاى تعیین توالى با روش هاى کامپیوترى و مدل هاى ریاضى در طراحى تراشه هاى dna به دست آمده اند. دستگاه هاى فوق پیشرفته مجهز به تراشه هاى dna قادر هستند ضمن تعیین توالى همزمان هزاران قطعه نوکلئوتیدى آنها را به طور خودکار در پایگاه هاى داده اى به ثبت برساند.
۲- پیش بینى ساختار سه بعدى (ساختار سوم و چهارم) پروتئین
کارکرد مولکول هاى عظیم پروتئین به شدت به شکل فضایى و ساختار سه بعدى آنها بستگى دارد. از طرفى همان گونه که دیدیم ژن ها نیز از طریق عملکرد پروتئین هایى که مى سازند، نقش خود را اعمال مى کنند. بنابراین شناخت کامل ماهیت و وظیفه ژن ها، منوط به دانستن اطلاعات کافى درباره پروتئین ها است. ولى پروژه هاى پروتیوم با وجود این اهمیت حیاتى، به کندى پیش مى روند.
دلایل این کندى پیشرفت، هزینه هاى زیاد و کندى روند تعیین توالى پروتئین ها و مشکل بودن تعیین ساختار سه بعدى آنها در آزمایشگاه است. با توجه به سرعت بالاى روند کار در پروژه هاى ژنوم، حل مسائل پروتئینى مهمترین چالش حال حاضر بیوانفورماتیک به حساب مى آید.
دو اصل اساسى براى تعیین ساختار سه بعدى پروتئین از روى توالى آن وجود دارد که هر کدام روش جداگانه اى را براى حل مسئله ساختار پیشنهاد مى کنند:
* پروتئین هایى که توالى نسبتاً مشابهى دارند، شکل فضایى شبیه به هم پیدا مى کنند: جست وجو براى یافتن توالى هاى مشابه.
*شکل فضایى مولکول به نحوى است که به حداقل انرژى برسد: استفاده از قوانین شیمى، فیزیک و ترمودینامیک.
۳- تحلیل کارکردى در سطح ژنوم
ابزارهاى تحلیل کلان داده هاى زیستى، روش کار پژوهش هاى مهندسى ژنتیک، داروسازى و زیست شناسى را دگرگون کرده اند. فناورى جدید بیوانفورماتیکى امکانات 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 کارگیرى روش هاى آمارى پیشرفته و کلاستربندى حل شده اند. دانش مربوط به این بخش تحت عنوان "ژنوم شناسى کارکردى" به یکى از فعال ترین زمینه هاى تحقیقى در بیوانفورماتیک مبدل شده است.
از دستاوردهاى مهم در این زمینه مى توان به پیش بینى نقش و کارکرد ژن ها در سلول بدون نیاز به تحلیل داده هاى پروتئینى اشاره کرد.
۴- ایجاد و مدیریت پایگاه هاى داده اى
صرف نظر از نوع داده هاى تولید شده در زیست شناسى مولکولى 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 مشکلات خاص خود را پیش رو دارد؛ مثل نحوه حصول اطمینان از درستى داده هاى ثبت شده و چگونگى نمایش مفید داده ها براى کاربران. از این جهت اداره کنندگان پایگاه هاى بزرگ بیوانفورماتیکى، چالش هایى بیش از یک مهندس پیش رو دارند.
۵- مدل سازى ریاضى فرآیندهاى حیات
استفاده کنندگان ابزارها و داده هاى بیوانفورماتیکى محدود به متخصصان زیست شناسى مولکولى نمى شود. گروهى که اخیراً به اهمیت بیوانفورماتیک 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 که فرآیندهاى خاص سلولى را شبیه سازى کرده و با یک پارچه سازى آنها به یک سلول کامل برسند که در این صورت یکى از هدف هاى مهم بیوانفورماتیک علوم زیستى محقق خواهد شد؛ یعنى درک کامل ساز و کار ارگانیسم هاى زنده در سطح مولکولى.
در خاتمه باید یادآور شد که اهمیت بیوانفورماتیک تنها در سرعت بخشیدن به کارهاى آزمایشگاهى نیست بلکه گسترش این شاخه علمى و طرح و پاسخگویى به سئوالات جدید افق هاى نوینى را پیش روى زیست شناسان گشوده است.
هدف اولیه بیوانفورماتیک 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 کلى در طى چند سال اخیر، کاوش در این پایگاه هاى داده اى براى پژوهشگران زیست شناسى مولکولى به یک فعالیت روزمره و نیاز حیاتى مبدل شده است. براى مثال فرض کنید که توالى قسمتى از یک dna در آزمایشگاه به دست آمده است. نخستین سئوالى که به ذهن مى رسد این است که آیا این توالى در برگیرنده یک ژن هست یا نه؟ در صورت مثبت بودن جواب، این ژن در کجاى زنجیره dna اصلى قرار دارد و نهایتاً آنزیمى را که کد مى کند چه نقشى در سلول یا در فرآیندهاى حیاتى ایفا مى کند؟ در غیاب بیوانفورماتیک و ابزارهاى آن، ماه ها وقت لازم است تا یک تیم تحقیقاتى به حدس هاى اولیه اى درباره پاسخ سئوالات فوق برسد. در حالى که تنها با یک کامپیوتر شخصى متصل به این پایگاه هاى داده اى ظرف چند دقیقه مى توان به جواب قطعى یا حدس هایى محکم رسید.
سرعت بالاى روش هاى تعیین توالى با روش هاى کامپیوترى و مدل هاى ریاضى در طراحى تراشه هاى dna به دست آمده اند. دستگاه هاى فوق پیشرفته مجهز به تراشه هاى dna قادر هستند ضمن تعیین توالى همزمان هزاران قطعه نوکلئوتیدى آنها را به طور خودکار در پایگاه هاى داده اى به ثبت برساند.
۲- پیش بینى ساختار سه بعدى (ساختار سوم و چهارم) پروتئین
کارکرد مولکول هاى عظیم پروتئین به شدت به شکل فضایى و ساختار سه بعدى آنها بستگى دارد. از طرفى همان گونه که دیدیم ژن ها نیز از طریق عملکرد پروتئین هایى که مى سازند، نقش خود را اعمال مى کنند. بنابراین شناخت کامل ماهیت و وظیفه ژن ها، منوط به دانستن اطلاعات کافى درباره پروتئین ها است. ولى پروژه هاى پروتیوم با وجود این اهمیت حیاتى، به کندى پیش مى روند.
دلایل این کندى پیشرفت، هزینه هاى زیاد و کندى روند تعیین توالى پروتئین ها و مشکل بودن تعیین ساختار سه بعدى آنها در آزمایشگاه است. با توجه به سرعت بالاى روند کار در پروژه هاى ژنوم، حل مسائل پروتئینى مهمترین چالش حال حاضر بیوانفورماتیک به حساب مى آید.
دو اصل اساسى براى تعیین ساختار سه بعدى پروتئین از روى توالى آن وجود دارد که هر کدام روش جداگانه اى را براى حل مسئله ساختار پیشنهاد مى کنند:
* پروتئین هایى که توالى نسبتاً مشابهى دارند، شکل فضایى شبیه به هم پیدا مى کنند: جست وجو براى یافتن توالى هاى مشابه.
*شکل فضایى مولکول به نحوى است که به حداقل انرژى برسد: استفاده از قوانین شیمى، فیزیک و ترمودینامیک.
۳- تحلیل کارکردى در سطح ژنوم
ابزارهاى تحلیل کلان داده هاى زیستى، روش کار پژوهش هاى مهندسى ژنتیک، داروسازى و زیست شناسى را دگرگون کرده اند. فناورى جدید بیوانفورماتیکى امکانات 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 کارگیرى روش هاى آمارى پیشرفته و کلاستربندى حل شده اند. دانش مربوط به این بخش تحت عنوان "ژنوم شناسى کارکردى" به یکى از فعال ترین زمینه هاى تحقیقى در بیوانفورماتیک مبدل شده است.
از دستاوردهاى مهم در این زمینه مى توان به پیش بینى نقش و کارکرد ژن ها در سلول بدون نیاز به تحلیل داده هاى پروتئینى اشاره کرد.
۴- ایجاد و مدیریت پایگاه هاى داده اى
صرف نظر از نوع داده هاى تولید شده در زیست شناسى مولکولى 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 مشکلات خاص خود را پیش رو دارد؛ مثل نحوه حصول اطمینان از درستى داده هاى ثبت شده و چگونگى نمایش مفید داده ها براى کاربران. از این جهت اداره کنندگان پایگاه هاى بزرگ بیوانفورماتیکى، چالش هایى بیش از یک مهندس پیش رو دارند.
۵- مدل سازى ریاضى فرآیندهاى حیات
استفاده کنندگان ابزارها و داده هاى بیوانفورماتیکى محدود به متخصصان زیست شناسى مولکولى نمى شود. گروهى که اخیراً به اهمیت بیوانفورماتیک 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 که فرآیندهاى خاص سلولى را شبیه سازى کرده و با یک پارچه سازى آنها به یک سلول کامل برسند که در این صورت یکى از هدف هاى مهم بیوانفورماتیک علوم زیستى محقق خواهد شد؛ یعنى درک کامل ساز و کار ارگانیسم هاى زنده در سطح مولکولى.
در خاتمه باید یادآور شد که اهمیت بیوانفورماتیک تنها در سرعت بخشیدن به کارهاى آزمایشگاهى نیست بلکه گسترش این شاخه علمى و طرح و پاسخگویى به سئوالات جدید افق هاى نوینى را پیش روى زیست شناسان گشوده است.