بیوانفورماتیک به معنی استفاده از رویکرد محاسباتی برای تجزیه و تحلیل، مدیریت و ذخیره داده های بیولوژیکی است. تحقیقات بیوتکنولوژی به ویژه در زمینه مدیریت داده های توالی و طراحی دارو به دلیل توسعه بیوانفورماتیک با سرعت بالایی انجام شده است. تعدادی ابزار و نرم افزار برای تحلیل و تفسیر پیچیدگی های بیوتکنولوژی توسعه یافته است. کاربردهای متعددی برای بیوانفورماتیک وجود دارد، از جمله تجزیه و تحلیل و تنظیم توالی، مدل سازی مولکولی، داکینگ مولکولی، تفسیر و شبیه سازی پویا برای تسریع تحقیقات بیوتکنولوژی.
انتظار می رود که بسیاری از نوآوری های بیوانفورماتیکی آینده به احتمال زیاد منجر به تجزیه و تحلیل داده های بیولوژیکی فراوان شوند. در این گزارش سعی کرده ایم اهمیت بیوانفورماتیک را در زمینه های مختلف بیوتکنولوژی از جمله ژنومیک، پروتئومیکس، ترانسکریپتومیکس، شیمی انفورماتیک، مطالعات تغییرات اقلیمی، کشف و توسعه دارو، پاکسازی زباله، انرژی زیستی، بهبود محصول، علوم دامپزشکی، علوم پزشکی قانونی و دفاع زیستی، توضیح دهیم.
بیوانفورماتیک چیست؟
بیوانفورماتیک مخفف “اطلاعات بیولوژیکی” است. این به عنوان ترکیبی از علوم زیستی و علوم رایانه در نظر گرفته می شود و امروزه بسیاری از دانشمندان ترجیح می دهند از اصطلاح “زیست شناسی محاسباتی” استفاده کنند. این شاخه از علوم با شروع پروژه ژنوم انسان محبوبیت بیشتری پیدا کرد.
بیوانفورماتیک زیست شناسی، علوم رایانه و فناوری اطلاعات را برای تشکیل یک رشته واحد با هم ادغام می کند. این حوزه بسیاری از علوم بیولوژی به خصوص زیست شناسی مدرن، از جمله ژنومیک، ترانسکریپتومیکس، پروتئومیکس، ژنتیک و تکامل را پوشش می دهد. هدف نهایی این رشته امکان کشف بینش های بیولوژیکی جدید و ایجاد چشم اندازی جهانی است که از طریق آن بتوان اصول منسجم زیست شناسی را تشخیص داد.
بیوانفورماتیک یک موضوع جذاب است که از هنر مهندسی و همچنین علم بهره می برد. متخصصان بیوانفورماتیک بیشتر روی طراحی الگوریتم های جدید، نرم افزار، و توسعه پایگاه های داده اپدیت شده ای کار می کنند که همگی در حل بسیاری از مشکلات بیولوژیکی کمک می کنند. تعدادی ابزار، نرم افزار و پایگاه های داده بیوانفورماتیک برای فهم بهتر پیچیدگی های بیولوژیکی و تجزیه و تحلیل و ذخیره داده های بیولوژیکی در دسترس هستند. بنابراین، تحقیقات بیوانفورماتیک برای جلوگیری از زمان، هزینه و روش در آزمایشگاه استفاده می شود. دانشمندان در دهه ۱۹۵۰ به اهمیت پایگاه های داده توالی دریافتند و به همین دلیل، اولین پایگاه داده توالی پروتئین در سال ۱۹۵۶ درست پس از موجود شدن توالی پپتیدهای انسولین ایجاد شد.
داده های توالی ژنوم انسان آنقدر عظیم است که اگر در کتاب گردآوری شود، حجمش به ۲۰۰ جلد ۱۰۰۰ صفحه ای می رسد و خواندن آن به اندازه ۲۶ سال مطالعه شبانه روزی وقت می برد. چالش مدیریت چنین داده های عظیمی تنها به لطف بیوانفورماتیک امکان پذیر است.
رشد صنعت بیوتکنولوژی در سال های اخیر بی سابقه بوده و پیشرفت در زمینه های مدل سازی مولکولی، مشخصه یابی بیماری، کشف دارویی، مراقبت های بهداشتی بالینی، پزشکی قانونی و کشاورزی اساسا بر مسائل اقتصادی و اجتماعی در سراسر جهان تاثیر می گذارد. در نتیجه، با اطمینان مردم و پیشرفت بیوتکنولوژی، بیوانفورماتیک نیز در میان تمام علوم زیستی به موفقیت های بزرگی رسیده است.
بیوانفورماتیک برای تسریع تحقیقات در زمینه بیوتکنولوژی چندین کاربرد دارد، از جمله توالی یابی خودکار ژنوم، شناسایی ژن، پیش بینی عملکرد ژن، پیش بینی ساختار پروتئین، فیلوژنی، طراحی و توسعه دارو، شناسایی ارگانیسم ها، طراحی واکسن، درک پیچیدگی ژن و ژنوم، درک ساختار، کاربرد و تاشدگی پروتئین. با استفاده از بیوانفورماتیک در تحقیقات، بسیاری از پروژه های طولانی مدت مانند نقشه برداری ژنوم انسان و دیگر ارگانیسم ها با سرعت بیشتری انجام می شوند. همینطور، انتظار می رود که نوآوری های بیوانفورماتیک در آینده نیازهای بیوتکنولوژی را برآورده کنند. در اینجا سعی کرده ایم نقش بیوانفورماتیک را در زمینه های مختلف بیوتکنولوژی مانند طراحی و توسعه دارو، ژنومیک، پروتئومیکس، بیوتکنولوژی محیط زیست و سایر موارد توضیح دهیم.
ژنومیک
به مطالعه ژن ها و بیان آن ها ژنومیک می گویند. این مقوله حجم وسیعی از داده ها را از توالی، ارتباط و عملکرد ژن ها تولید می کند. بیوانفورماتیک نقش بسیار مهمی در مدیریت این داده های هنگفت ایفا می کند. با وجود توالی های کامل ژنوم برای تعداد رو به افزایشی از ارگانیسم ها، بیوانفورماتیک شروع به ارائه مبانی مفهومی و روش های عملی برای شناسایی رفتارهای عملکردی سیستماتیک سلول و ارگانیسم می کند. بیوانفورماتیک نقشی حیاتی در زمینه ژنومیک ساختاری، ژنومیک عملکردی و ژنومیک تغذیه ای ایفا می کند.
پروتئومیکس
به مطالعه ساختار، عملکرد و فعل و انفعالات پروتئین تولید شده توسط یک سلول، بافت یا ارگانیسم خاص، پروتئومیکس گفته می شود. این مقوله با تکنیک های ژنتیک، بیوشیمی و زیست شناسی مولکولی سر و کار دارد. روش های پیشرفته در زیست شناسی منجر به جمع آوری داده های هنگفتی از فعل و انفعالات میان پروتئینی، پروفایل های پروتئینی، الگوی فعالیت پروتئین و ترکیبات اندامک ها شده است. با استفاده از ابزارها، نرم افزارها و پایگاه های داده بیوانفورماتیک به آسانی می توان به این داده های عظیم دسترسی داشته و آن ها را مدیریت کرد. تا کنون الگوریتم های بسیاری از جمله تجزیه و تحلیل تصویر ژل های دو بعدی، انگشت نگاری جرم پپتیدی و انگشت نگاری از هم گسیختگی پپتیدی، در این رشته از پروتئومیکس توسعه یافته اند.
ترانسکریپتومیکس
به مطالعه مجموعه تمام مولکول های RNA پیام رسان در سلول، ترانسکریپتومیکس می گویند. این رشته را پروفایل بیان نیز می نامند که در آن از ریزآرایه DNA برای تعیین سطح بیان mRNA در جمعیت سلولی معین استفاده می شود. تکنیک ریزآرایه داده های فراوانی تولید می کند، هر اجرا (ران) هزاران داده تولید می کند و یک آزمایش نیازمند صدها اجرا است. تجزیه و تحلیل چنین تعداد هنگفتی از داده ها توسط بسته های نرم افزاری متعددی انجام می شود. بدین صورت، بیوانفورماتیک برای تجزیه و تحلیل رونویسی استفاده می شود که در آن می توان سطوح بیان mRNA را تعیین کرد. توالی یابی RNA (RNAseq) نیز تحت رونویسی قرار می گیرد. این روش با استفاده از توالی یابی نسل بعدی برای تعیین حضور و مقدار RNA در نمونه در زمان معین انجام می شود و از آن برای تجزیه و تحلیل رونویسی سلولی پیوسته در حال تغییر استفاده می شود.
شیمی انفورماتیک
شیمی انفورماتیک (انفورماتیک شیمیایی) بر ذخیره، شاخص گذاری، جستجو، بازیابی و استفاده از اطلاعات ترکیبات شیمیایی تمرکز دارد. این شامل سازمان دهی داده های شیمیایی به شکل منطقی برای تسهیل بازیابی خواص شیمیایی، ساختارها، و روابط آن هاست. با استفاده از بیوانفورماتیک، از طریق الگوریتم رایانه می توان محصولات طبیعی را شناسایی کرده و از لحاظ ساختاری تغییر داد، و ترکیبی با خواص مورد نظر طراحی کرده و اثرات درمانی آن را به صورت نظری ارزیابی کرد. تجزیه و تحلیل شیمی انفورماتیک شامل تحلیل هایی از جمله همانند جویی، خوشه بندی، مدل سازی QSAR، غربالگری مجازی و غیره می شود.
کشف دارو
بیوانفورماتیک تقریبا در تمام جنبه های کشف، ارزیابی و توسعه دارو نقش مهمی ایفا می کند. اهمیت روز افزون بیوانفورماتیک تنها به این دلیل نیست که حجم بزرگی از داده ها را مدیریت می کند، بلکه در کاربرد ابزارهای بیوانفورماتیک برای پیش بینی، تجزیه و تحلیل و کمک به تفسیر یافته های بالینی و پیش بالینی است. به طور سنتی، رویکردهای داروشناسی و کشف داروهای شیمیایی در راه کشف داروهای جدید با مشکلات مختلفی مواجه هستند. فشار روز افزون برای تولید داروهای بیشتر در مدت زمان کوتاه و با ریسک کم، باعث علاقه قابل توجهی به بیوانفورماتیک شده است. در واقع، در حال حاضر رشته جدید و جداگانه ای به نام طراحی دارو به کمک رایانه (CADD) وجود دارد. بیوانفورماتیک به طرق مختلف پشتوانه عظیمی برای غلبه بر شرایط زمانی و مالی فراهم می کند. همچنین طیف وسیعی از پایگاه های داده و نرم افزارهای مرتبط با دارو را ارائه می دهد که می توان از آن ها برای اهداف مختلف مربوط به فرآیند طراحی و توسعه دارو استفاده کرد.
مطالعات تکاملی/فیلوژنتیک
مطالعه رابطه تکاملی میان افراد یا گروهی از ارگانیسم ها را فیلوژنتیک می نامند. تاکسونومیست ها رابطه تکاملی را با استفاده از روش های مختلف تشریحی پیدا می کنند که زمان زیادی می برد. با استفاده از بیوانفورماتیک، درختان فیلوژنتیک بر اساس هم ترازی توالی با روش های مختلف ساخته می شوند. روش های الگوریتمی مختلفی برای ساخت درخت فیلوژنتیک ایجاد شده اند که کاربرد آن ها بسته به تبارهای تکاملی مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.
بهبود محصول
تولید پایدار کشاورزی امری ضروری در پاسخ به تغییرات اقلیمی جهان و افزایش جمعیت است. نوآوری در تحقیقات مبنی بر اومیکس، تحقیقات گیاهی را بهبود می بخشد. استراتژی های یکپارچه ی “اومیکس”، سیستم مولکولی گیاهان را که برای بهبود بهره وری گیاهان استفاده می شود توضیح می دهند. استراتژی ژنومیک، به خصوص ژنومیک تطبیقی، به درک ژن ها و عملکرد آن ها و همچنین خواص بیولوژیکی هر گونه کمک می کند. پایگاه های داده بیوانفورماتیک در طراحی تکنیک ها و آزمایش های جدید برای افزایش تولید گیاهان نیز مورد استفاه قرار می گیرند.
علوم دامپزشکی
تولید غذا از دام می تواند نیاز انسان ها به غذا را برآورده کند. برای اقتصاد زیستی بهتر، به تولید مثل کارآمد حیوانات نیاز است. این امر با درک بهتر گونه های دام به دست می آید. روش های فعلی و جدید در گونه های دام با استفاده از مطالعات تجربی یا میدانی با بیوانفورماتیک به درک ژنتیک سامانه ای صفات پیچیده و ارائه پیش بینی های دقیق و بامفهوم از نظر بیولوژیکی، کمک می کنند. در نهایت، تقریبا تمام ابزارها و روش های نسل بعدی اومیکس که در دیگر زمینه های علوم زیستی استفاده می شوند را می توان در علوم دامپزشکی نیز به کار برد.
علوم پزشکی قانونی
علوم پزشکی قانونی شامل مطالعه در مورد شناسایی و ارتباطات افراد می شود. این رشته اساسا با بیوانفورماتیک میان رشته ای است زیرا هر دو به علوم رایانه و آمار متکی هستند. این رشته بر اساس داده های مولکولی است و تعداد زیادی پایگاه های داده برای ذخیره مشخصات DNA مجرمینِ شناخته شده در حال توسعه است. این زمینه به دلیل پیشرفت های فنی و آماری در ریزآرایه، شبکه های بیزی، الگوریتم های یادگیری ماشین، حسگرهای زیستی TFT و دیگر موارد، در حال مطرح شدن است. این زمینه روش موثر سازماندهی و استنباط شواهد را ارائه می دهد.
دفاع زیستی
دفاع زیستی به اقداماتی برای احیا امنیت زیستی گروهی از ارگانیسم ها گفته می شود که در معرض تهدیدهای بیولوژیکی یا بیماری های عفونی (در زمینه جنگ زیستی یا بیوتروریسم) قرار دارند. امروزه، بیوانفورماتیک تاثیر محدودی بر عملیات پزشکی قانونی و اطلاعاتی دارد. در بیوانفورماتیک به الگوریتم های بیشتری برای دفاع زیستی نیاز است تا پایگاه های داده پیشرفته بتوانند با یکدیگر تعامل پذیری نشان دهند. برای استفاده از توالی یابی ژنوم نسل بعدی در عملیات پزشکی قانونی، آگاهی از تهدیدهای زیستی، کاهش خسارت و اطلاعات پزشکی، به توسعه برنامه های محاسباتی بیشتری نیاز است.
پاکسازی زباله
امروزه، آلاینده های زیست محیطی نگرانی اصلی سراسر جهان است. نگرانی اصلی حامیان محیط زیست زباله های تولید شده از صنایع است. این آلاینده ها به تدریج محیط زیست را فرسوده می کنند که به نوبه خود بر سلامت انسان تاثیر می گذارد. تعداد کمی از میکرو ارگانیسم ها برای تصفیه آلاینده ها در چرخه بیوژئوشیمی طبیعی در نظر گرفته شده اند. زیست پالایی فناوری جدیدی است که به بررسی قابلیت میکروبی برای تجزیه بیولوژیکی می پردازد. این فناوری را می توان با استفاده از بیوانفورماتیک ارتقا داد. داده های ژنومیک و بیوانفورماتیک اطلاعات زیادی را ارائه می دهند که با شناسایی ساختاری برخی پروتئین ها بسیار افزایش می یابند. بیوانفورماتیک اطلاعاتی از ژنومیک میکروبی، پروتئومیکس، زیست شناسی سامانه ای، زیست شناسی محاسباتی و ابزارهای بیوانفورماتیک برای درک مکانیسم مسیرهای زیست تخریب کننده ارائه می دهد.
مطالعات تغییرات اقلیمی
یکی دیگر از نگرانی های جهانی، تغییرات اقلیمی به دلیل از بین رفتن یخ دریاها، افزایش سریع سطح آب دریاها و امواج گرمایی طولانی و شدیدتر است. بیوانفورماتیک از طریق توالی یابی ژنوم میکروبی که می تواند سطح کربن دی اکسید و دیگر گازهای گلخانه ای را کاهش دهد، به حل این مشکل کمک می کند. این کار نقش مهمی در تعدیل تغییرات اقلیمی جهان ایفا می کند. کارهای زیادی در این زمینه در حوزه بیوانفورماتیک انجام نشده است، و با توجه به میکروب های آن ناحیه و قابلیت آن ها در کاهش CO۲، فعالیت های مختص منطقه بیشتری باید صورت گیرد.
انرژی زیستی/سوخت های زیستی
سوخت های زیستی نویدبخش کمکی بزرگ در پاسخ به تقاضای روزافزون جهانی برای منابع جایگزین انرژی تجدید پذیر هستند. بیوانفورماتیک برای درک و تجزیه و تحلیل مسیرهای تولید سوخت های زیستی حائز اهمیت است. پیشرفت های اخیر در ژنومیک جلبک ها به همراه سایر رویکرد های “اومیکس”، توانایی شناسایی مسیرها و ژن های متابولیکی را که اهداف بالقوه ای در توسعه سویه های میکروجلبکی مهندسی ژنتیک شده با محتوای چربی بهینه هستند، تسریع کرده است.
