فاطمه فراهانی کنگرانی
دانش آموخته زیست شناسی دانشگاه اراک
سیستم بیولوژی و بیوانفورماتیک
سه تحول عمده در زیست شناسی تغییراتی اساسی ایجاد کرده است وباعث ایجاد وپیشرفت علم سیستم بیولوژی و بیوانفورماتیک گردیده است که عبارتست ازتعیین توالی ژنوم (به عنوان مثال پروژه ژنوم انسان) ، انقلاب و تکامل دانش OMICS و تئوری مبتنی بر کامپیوتر و مدل سازی زیستی از جمله توسعه سریع اینترنت به یک بستر دانش وپایگاه داده های علمی.
در این مقاله به شرح سیستم بیولوژی و بیوانفورماتیک و ارتباط با دانش Omics پرداخته می شود.
سیستم بیولوژی
سیستم بیولوژی به تحلیل و مدل سازی محاسباتی و ریاضی،شبیه سازی وآنالیز مکانیسم هاو فرآیندها سیستم های پیچیده زیستی می گویند.سیستم بیولوژی با عنوان زیست شناسی سامانه ها هم شناخته می شود.
مطالعات سیستماتیک در زمینه سلول ها،اندام هاوموجودات زنده به ویژه فرآیندهای سلولی مانند برهم کنش های ملکولی،ارتباطات بین سلولی،تقسیم سلولی،هموستازی و سازگاری های محیطی است.
سیستم بیولوژی یک رشته علمی گسترده و چندرشته ای است که زیست شناسی مولکولی، ژنتیک، علوم کامپیوتر، ریاضیات و آمار را با هم ترکیب می کند.
سیستم بیولوژی را می توان به دو زیرشاخه تقسیم نمود:
الف)سیستم بیولوژی یکپارچه سازی(Systems Biology integrative) که درآن استخراج دانش زیستی با استفاده از ادغام و یکپارچه سازی داده ها واطلاعات بدست آمده از علوم Omics صورت می گیرد.
ب)سیستم بیولوژی پیش بینی کننده(Predictive Systems Biology) که درآن خصوصیات یک سیستم بیولوژیکی با استفاده از داده ها و دانش نهفته در علوم Omics پیش بینی می گردد.
سیستم بیولوژی برهم کنش بین داده های حاصل از علوم امیکس است که به طور مثال علمی است که تلاش می کند تا اطلاعات پیچیده ژنی و پروتئینی را به داده های متابولیکی پیوند بزند ویک سیستم جامع نرم افزاری در زمینه بیوانفورماتیک بوجود بیاورد و بیوانفورماتیک به سازماندهی داده های سیستم ها می پردازد،آمارزیستی به استخراج اطلاعات ارزشمند از میان انبوه داده های مرتبط با سیستم ها و ریاضیات زیستی به ارائه مدل های پیشگو ومفید درباره سیستم ها می پردازد.
حوزه های تحقیقاتی بیوانفورماتیک و سیستم بیولوژی را می توان به موارد زیر تقسیم بندی کرد:
- حوزه آنالیز توالی که امروزه به سمت آنالیز داده های NGS که از نوع داده های بزرگ و حجیم می باشد سوق پیدا کرده است.
- حوزه بیوانفورماتیک ساختاری که شامل مدل سازی وتعیین ساختارپروتئین ها وماکروملکول های دیگر و برهم کنش پروتئین یا همان داکینگ و … می باشد.
- حوزه ساخت وبازساختی شبکه های زیستی که اینترکشن و برهم کنش ملکول های زیستی به صورت استاتیک بررسی می گردند.
- حوزه مدل سازی دینامیک و ریاضیاتی شبکه ها
به طور كلي دانش سیستم بیولوژی بر سه پايه اصلي استوار است:
- 1. جمع آوري و ادغام داده هاي آزمايشگاهي
- 2. پردازش داده ها
- 3. مدل سازي
سیستم بیولوژی با استفاده از پردازش هوشمند داده های امیکس (مانند ژنومیکس، پروتئومیکس و متابولومیکس) و تحلیل وآنالیز شبکه های مختلف (همچون شبكه هاي ژنی،شبکه های بر هم کنش پروتئین ها و مسیرهای متابولیسمی،شبکه های رونویسی و شبكه هاي سيگنالي) قادر به ایجاد تحولی قابل توجه در حوزه تشخیص و درمان بیماری های پیچیده می باشد.
واضح است كه براي مدل سازي هر كدام از اين مسیر های زیستی با توجه به ويژگي هايی كه دارند از روش ها و الگوريتم هاي خاصي استفاده مي شود ولي آن چه مهم است اين است كه در نهايت هدف سیستم بیولوژی رسيدن به يك مدل واحد و كشف ارتباطات بين شبکه ها و نقش آن ها در حيات سلول، ارتباط بين سلول ها و شرايط محيطي و در نهايت پاسخ موجود به تغييرات محيطي است.
شبکه های زیستی
شبکه ها ، سیستم های هستند که از تعدادی اشیا(ژن ها یا پروتئین ها) وارتباطات بین آن ها تشکیل شدند.
به این اشیاء گره یا راس و به ارتباط آن ها یال می گویند. شبکه ها،سامانه های قابل محاسبه و آنالیز اند و این محاسبات به درک و دانش بیشتر درباره سازماندهی آنها می انجامد.
شاخه ای از ریاضیات که به محاسبات مربوط به شبکه ها می پردازد تحت عنوان نظریه گراف شناخته می شود.
یکی از ابزار های معمول برای توصیف وقابل مشاهده نمودن شبکه ها استفاده از نظریه گراف در ریاضی می باشدکه به مرور زمان بااستفاده از علم کامپیوتر،آمار و احتمال این شاخه از ریاضیات را برای استفاده از سیستم بیولوژی بهبود بخشیده است.
سیستم بیولوژی دو رویکرد کلی را دنبال می کند:
الف)رویکرد پائین به بالا : در این رویکرد از اجزای کوچک سلولی شروع می شود،برای مثال با در نظر گرفتن ژن ها،پروتئین ها،لیپیدها و …درکنارهم،به این موضوع پرداخته می شود که چگونه این اجزا تشکیل یک سیستمی را می دهند که عملکرد خاصی را دنبال می کند.
ب)رویکرد بالا به پائین : در این رویکرد به منظور درک خصوصیات و توانایی های یک سیستم،آن را به طور کامل و کلی در نظر می گیرند.
سیستم بیولوژی سعی دارد رفتار یک شبکه پیچیده زیستی پویا را در شرایط مختلف و زمان های متفاوت پیشگویی و شبیه سازی کند و این سیستم بیولوژی ارتباط های اجزای یک مکانیسم پیچیده تنظیمی و حتی بین شبکه ها و بخش های یک سیستم زیستی را میابد.
چرا زیست شناسان باید با رویکرد سیستم بیولوژی آشنا شوند؟
آینده پزشکی به صورت کاملا اجتناب ناپذیری وابسته به سیستم بیولوژی است که با واژه پزشکی P4 معنی پیدا میکند. واژه P4 به معنی پزشکی پیش بینی گرا(Predictive)، پیشگیری گرا(Preventive)، شخصی(Personalized) و مشارکتی(Participatory) است.
پزشکی P4 ناشی از همگرائی پزشکی سامانه ها و انقلاب دیجیتالی است.پیش بینی در پزشکی آینده نقش اساسی و رویکردی دگرگون ساز خواهدداشت.
پزشکان درآینده درسایه توسعه سیستم بیولوژی وبا درک ارتباط بین ژنوم،پروتئوم،ترانسکریپتوم ومتابولم پیش بینی بیماری های مختلف وبه دنبال آن پیش گیری از ایجاد آن هارا رقم خواهدزد،به طوری که بسیاری از فنون رایج امروزی در درمان وداروهای عرضه شده جایگاهی در درمان بیماری ها را نخواهند داشت.
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.