بیوانفورماتیک

بیوانفورماتیک دانش استفاده از علوم کامپیوتر و آمار و احتمالات در شاخه زیست‌شناسی مولکولی است. بیوانفورماتیک زیست‌شناسی محاسباتی، استفاده از تکنیک‌هایی مانند ریاضی کاربردی، انفورماتیک، آمار، علوم کامپیوتر، هوش‌مصنوعی، شیمی و بیوشیمی را دربردارند در چند دهه اخیر، پیشرفت در زیست‌شناسی مولکولی و تجهیزات مورد نیاز تحقیق در این زمینه باعث افزایش سریع تعیین توالی ژنوم بسیاری از گونه‌های موجودات شد، تا جایی که پروژه‌های تعیین توالی ژنوم‌ها از پروژه‌های بسیار رایج به حساب می‌آیند. امروزه توالی ژنوم بسیاری از موجودات ساده مانند باکتری‌ها تا موجودات بسیار پیشرفته چون یوکاریوت‌های پیچیده شناسایی شده‌است. پروژه شناسایی ژنوم انسان در سال 1990 آغاز شد و در سال 2003 پایان یافت و اکنون اطلاعات کامل مربوط به توالی هر 24 کروموزوم انسان موجود است. تا مسایل زیست‌شناختی را که معمولا در سطح مولکولی هستند حل کنند. تحقیق در زیست‌شناسی محاسباتی، با زیست‌شناسی سیستم‌ها هم‌پوشانی‌هایی دارد. بیوانفورماتیک بر روی تنظیم توالی، کشف ژن، گردآوری ژنوم، تنظیم ساختار پروتئینی، پیشگویی ساختار پروتئینی، پیش‌بینی عبارت ژن و تعاملات پروتئین- پروتئین و مدلسازی تکامل تمرکز دارد در این مقاله به بررسی روش‌های مختلف شناسایی در علم بیوانفورماتیک با استفاده از بانک‌های اطلاعاتی ژن و پروتئین و آزمایشات مختلف و ملکولی در علم بیوتکنولوژی اشاره شده است.  

در چند دهه اخیر، پیشرفت در زیست‌شناسی مولکولی و تجهیزات مورد نیاز تحقیق در این زمـیـنـه بـاعـث افـزایـش سـریع تعیین توالی ژنوم بسیاری از گونه‌های موجودات شد، تا جایی که پـروژه‌هـای تـعـیین توالی ژنوم‌ها از پروژه‌های بسیار رایج به حساب می‌آیند. امروزه توالی ژنوم بـسـیاری از موجودات ساده مانند باکتری‌ها تا موجودات بسیار پیشرفته چون یوکاریوت‌های پیچیده شناسایی شده‌است [1] سالانه داده‌های بیولوژیکی با نرخ بسیار بالایی تولید مـی‌شود. بر این اساس در اوایل سال 1975 رشته بیوانفورماتیک با هدف استفاده از رایانه‌ها، نرم‌افزارها و بانک‌های اطلاعاتی جهت ذخیره‌سازی و بازیابی اطلاعات در مطـالعـات بیـولـوژیـک شکـل گـرفـت و پـایگـاه‌هـای اطـلاعـاتی جهت ثبت و پذیرش، نگهداری توالی‌های مختلف ژن و پروتئین‌های جانداران مختلف ایجاد شدند [2و3و4] بیوانفورماتیک از لحاظ لغوی به معنای تصور بیولوژی به صورت مولکول‌ها و اعمال روش‌های انفورماتیک، که از ریاضیات کاربردی، آمار و علوم کامپیوتر استخراج شده است، است. به عبارت دیگر بیوانفورماتیک دانش استفاده از علوم کامپیوتر و آمار و احتمـالات، بـه منظور فهم و سازمان‌دهی اطلاعات مربوط به درشت مولکول‌های بیـولـوژیـک اسـت. [1] علـم بیـوانفـورمـاتیـک یـا زیسـت‌شنـاسـی محـاسباتی، استفاده از تـکـنـیـــک‌هـــایــی مــانـنــد ریــاضــی کــاربــردی، انـفــورمــاتـیــک، آمــار، عـلــوم کــامـپـیــوتــر، هوش‌مصنوعی، شیمی و بیوشیمی را دربردارند تا مسایل زیست‌شناختی را که معمولا در سـطــح مــولـکــولــی هـسـتـنــد حــل کننـد. تحقیـق در زیسـت‌شنـاسـی محـاسبـاتـی، بـا زیست‌شناسی سیستم‌ها هم‌پوشانی‌هایی دارد. در این رشته به بررسی تنظیم توالی، کـشـف ژن، گـردآوری ژنـوم، تـنـظـیـم سـاختار پروتئینی، پیشگویی ساختار پروتئینی، پیش‌بینی عبارت ژن و تعاملات پروتئین- پروتئین و مدلسازی تکامل پرداخته می‌شود. واژه‌هـای بـیـوانـفـورمـاتیک و زیست‌شناسی محاسباتی اغلب به‌جای یکدیگر به‌کار می‌روند. به‌هرحال بیوانفورماتیک، به‌گونه مناسب‌تری به ایجاد و توسعه الگوریتم‌ها، تکنیک‌های محاسباتی و آماری و تئوری اشاره می‌کند که برای حل مسایلی رسمی و عملی به‌کار می‌روند که توسط مدیریت و تحلیل داده‌های زیست‌شناختی مطرح‌شده یا از آن الهام می‌گیرند. از طرف دیگر زیست‌شناسی محاسباتی به تحقیق مبتنی بر فرضیه در مورد یک مسأله خاص زیست‌شناسی با استفاده از رایانه می‌پردازد که با داده‌های عـمـلـی و شـبـیـه‌سـازی شـده انـجـام مـی‌شـود و با هدف اصلی کشف و توسعه دانش زیست‌شناختی همراه است.  از زمان انتشار ژنوم   H. infuenzaeدر سال 1995 تا سال 2001 توالی کامل 300 جاندار منتشر شده است. این توالی‌ها بین 450 تا 10000 ژن دارند بر این اساس توانسته‌اند داده‌های حاصل از پروتئین‌های مرتبط و ساختار این پروتئین‌ها را مشخص نمایند. به‌دلیل وجود چنین حجم عظیم داده، استفاده از علوم کامپیوتر بسیار مشهود است. در این مقاله، به نقش بیوانفورماتیک در علم بیولوژی و گام‌های اساسی در این علم و نحوه حل مسائل پیچیده علم ژنتیک پرداخته شده است.

نقش بیوانفورماتیک در برهم کنش پروتئین‌ها در موجودات زنده
در طول دهه‌های پیش تکامل تدریجی زیاد تکنیک‌های ملکولی توانایی اندازه‌گیری فعل و انفعالات ترکیبات بر مقیاس گسترده ژنوم‌ها و پیشرفتی به دستگاه‌های اطلاعاتی ژنوم داده است. با ظهور این بانک اطلاعاتی بیولوژی سلولی به زمینه تحقیقاتی بسیار غنی تبدیل شد در حالی که بیولوژی سلولی سنتی تمرکز بر مطالعه تک‌ژن‌ها یا مجموعه کوچکی از ژن‌ها دارد سیستم‌های بیولوژی مطالعه خود را بر روی ارگان‌ها در سطوح بــالاتــری مـتـمــرکــز کــرده‌‌‌انــد. رویـکــرد سـیـسـتــم‌هــای بـیــولــوژی هـدف در فهمیـدن مـکـانـیـسـم‌های انتقال سیگنال و فعل و انفعالات ملکولی دارد که پیشرفتی به رفتار مشاهده شده که فهمیدن شبکه‌های تنظیمی قابل تشخیص دادن است. با استفاده از این روش می‌توانیم به برهم کنش‌های پروتئین‌های مختلف مطابق شکل 1 پی ببریم.

نقش بیوانفورماتیک در شناسایی توالی‌های ژن و پروتئین موجودات مختلفیـکــی از مـهـمـتــریــن نـقــش‌هــای عـلــم بـیــوانـفــورمــاتـیــک داده‌هــای تـولـیـد شـده در زیست‌شناسی مولکولی است که از طریق پایگاه‌های اطلاعاتی در اختیار پژوهشگران قرار می‌گیرد. پایگاه‌های ثبت و پذیرش و نگهداری توالی‌های مولکول‌های حیاتی، یعنی بانک‌های ژنی، در واقع پایگاه‌های علمی هستند که محصول علمی برای ایجاد ارتبـاط علمی و پژوهشی در زمینه زیست‌شناسی مولکولی و ایجاد تسهیلات برای دسترسی جوامع علمی و گروه‌های تخصصی به توالی‌های مولکول‌های حیاتی به صورت همسان شده، هستند [7.]  از مهمترین مراکز اطلاعات بیوانفورماتیکی می توان  NCBI،  EBI،  EXPASYو   DDBJرا نام برد که اطلاعات بسیار مهمی را با الگویی ویژه، پذیرش و نگهداری شده در اختیار پژوهشگران قرار می‌‌دهند. این مراکز اطلاعاتی هر سال نسبت به نوسازی سیستم و اطلاعات خود اقدام می کنند [5و6] درکشور ایران، انستیتو بیوشیمی و بیوفیزیک (IBB) دانشگاه تهران، یک مرکز اطلاعات بیوانفورماتیکی تحت عنوان مرکز بیوانفورماتیک ایران تأسیس کرده است که دربردارنده تسهیلات و امکاناتی در مورد توالی‌های پروتئینی و نوکلئوتیدی با اتصال به مراکز بیوانفورماتیکی متعددی است. 

نقش بیوانفورماتیک در پیش بینی ساختار سوم پروتئین‌ها 
کاربرد مولکول‌های بزرگ پروتئین بستگی زیادی به شکل فضایی و ساختار سه بعـدی آن‌هـا دارد. ژن‌هـا با عملکرد پروتئین‌هایی که می‌سازند نقش خود را اعمال می‌کنند. بنابراین لازمه شناخت کامل ژن‌ها، شناخت کامل پروتئین‌ها است. لذا با استفاده از نرم افزار‌هایی می‌توانیم به ساختار پروتئین‌هایی که تاکنون شناخته نشده‌اند، پی ببریم.

نقش بیوانفورماتیک در مدل‌سازی
یکی از اهداف مهم بیوانفورماتیک درک کامل سازوکار ارگانیسم‌های زنده در سطح مـولکولی است. برای تحقق این هدف، تلاش می‌کنند فرایندهای خاص سلولی را شبیه‌سازی کرده و با یکپارچه سازی آن‌ها به یک سلول کامل برسند. 

نقش بیوانفورماتیک در کشف دارو های جدید
از آنجایی که باکتری‌های بیماری‌زا بیشتر و بیشتر در مقابل آنتی بیوتیک‌های رایج مقاوم می‌شوند، نیاز روبه رشدی به کشف داروهای جدید و اهداف واکسن وجود دارد. لـذا بـا استفاده از علم بیوانفورماتیک می‌توان در یافتن مکانیسم‌های عمل داروها با استفاده از نرم افزارهای کامپیوتری مختلف  کمک کرد  و علم پزشکی را در شناخت اهداف جایگزین برای درمان‌های ضد باکتریایی به وسیله کامل کردن دانش ما در مورد فیزیولوژی باکتری‌ها و فراهم کردن علم در شبکه‌های انتقال سیگنال یاری دهد.

نتیجه گیری
با توجه به اینکه پیشرفت‌ها در علم بیولوژی به تجهیزات مورد نیاز تحقیق در این زمینه نیاز دارد و امروزه برای بررسی‌های مختلف ژنتیکی موجودات مختلف داده‌های بسیار زیادی به‌دست آمده است می‌توان علم بیوانفور ماتیک را برای حل با مشکلات اســاســی بــا اسـتـفــاده از نـرم‌افـزارهـای متعـدد و بـانـک‌هـای اطـلاعـاتـی گـونـاگون تعبیه شده که دارای قــابـلـیــت‌هــای مـتـفـاوت هـسـتـنـد جـهـت پیشرفت علم و تکنولوژی معرفی کرد. لذا امید است که این علم با توجه به عملکرد بسیار زیاد آن مورد استفاده همه محققان قرار گیرد.

منابع

[1] Luscombe M., Greenbaum D., Gerstein M., "What is Bioinformatics? A Proposed Definition and Overview of the Field", Method Inform Med, Vol. 4, pp. 346-358, 2001.
[2]  Berman HM, Westbrook J, Feng Z, Iype L, Schneider B, Zardecki C. The nucleic acid database. Methods Biochem Anal 2003; 44: 199-216.
[3]  Hirakawa M. HOWDY: an integrated database system for human genome research. NucleicAcids Res 2002 Jan 1; 30(1): 152-7.
[4] Chim SS, Tsui SK, Chan KC, Au TC, Hung EC, Tong YK, et al. Genomic characterisation of thesevere acute respiratory syndrome coronavirus of Amoy Gardens
[5]  Wheeler DL, Church DM, Lash AE, Leipe DD, Madden TL, Pontius JU, et al. Database resources of the National Center for Biotechnology Information. Nucleic Acids Res 2001 Jan 1; 29(1): 11-6.
[6] Hirakawa M, Tanaka T, Hashimoto Y, Kuroda M, Takagi T, Nakamura Y. JSNP: a database ofcommon gene variations in the Japanese population. Nucleic Acids Res 2002 Jan 1; 30(1): 158-62.
[7]  Berman HM, Westbrook J, Feng Z, Iype L, Schneider B, Zardecki C. The nucleic acid database. Methods Biochem Anal 2003 44: 199-216.