بیوانفورماتیک ابزارى براى تحلیل حیات در سطح مولکولى

وظیفه اصلى بیوانفورماتیک طراحى سیستم هاى کامپیوترى و مدل هاى ریاضى براى نگهدارى، مدیریت و تحلیل داده هاى بیولوژیکى است. ابزارهاى بیوانفورماتیکى در آینده قادر خواهند بود که با دانستن یک توالى ژنى، نحوه بروز صفت در سلول زنده را توصیف کنند.   

بیوانفورماتیک دانشى بین رشته اى است. نقطه اتصال ریاضیات، علوم محاسباتى و علوم زیستى. این شاخه از علم با توجه به گسترش روزافزون حیطه هاى علمى و درگیر شدن آنها با هم و طرح مسائل مشترک بین شاخه هایى از علم که پیش از این چندان ربطى به هم نداشتند از یک طرف و گسترش توجه به زیست شناسى و به خصوص زیست شناسى مولکولى در دو دهه اخیر، بسیار مورد توجه پژوهشگران ریاضى و زیست شناسان قرار گرفته است. اگر بخواهیم موضوع علم بیوانفورماتیک را در یک جمله خلاصه کنیم، مى توان گفت: �طراحى سیستم هاى کامپیوترى و مدل هاى ریاضى براى نگهدارى، مدیریت و تحلیل مجموعه عظیمى از داده هاى بیولوژیکى و همچنین ارائه دانش زیستى� موضوع بیوانفورماتیک است. محتواى این �مجموعه عظیم داده اى� چیست؟ بیوانفورماتیک با چه مسائلى درگیر است؟ چه جایگاهى در کنار علوم دیگر دارد؟

با توجه به گسترش روزافزون و توجه به این شاخه در کشورمان در این گزارش نگاهى داریم به کلیات بیوانفورماتیک.

� توالى ها

اطلاعات وراثتى هر سلول در مولکول   هاى طویلى به نام �دیوکسى ریبونوکلئیک اسید� یا DNA  نگهدارى مى شود. DNA پلیمرى است که از چهار مونومر ساخته شده است. این مونومرها که باز هستند به اختصار A، T، C و G  نامیده مى شوند. به این ترتیب براى نمایش مولکول DNA  دانشمندان از یک رشته طولانى از این چهار حرف استفاده مى کنند. به این رشته طولانى، توالى مى گویند. در واقع DNA  زنجیره اى دوگانه و به هم تابیده است، که هر دو مونومر از هر زنجیره با مونومرى از زنجیره مقابل، در هم جفت مى شوند، به این صورت که A با T و G با C  جفت مى شوند. پس با دانستن توالى یک زنجیره، توالى متقابل به دست مى آید. در درون هسته هر سلول، مولکول DNA  چندین بار تاب مى خورد و براى استحکام بیشتر، به دور گلوله هایى از چربى حلقه مى زند. به این مجموعه کروموزوم مى گویند. براى مثال در بدن انسان ۴۶ کروموزوم وجود دارد که همه خصلت هاى انسانى در آنها کد شده اند.

اما مولکول DNAبه تنهایى قادر به کنترل فعالیت هاى حیاتى موجود زنده نیست. بلکه هر کدام از قسمت هاى این دنباله باید طى فرآیندى که روخوانى و ترجمه نام دارد، در درون اندامى از سلول به نام ریبوزوم به یک آنزیم یا پروتئین معادل آن تبدیل شوند. این آنزیم یا پروتئین است که براى مثال وارد جریان خون مى شود و به وظایف محوله فرد مى پردازد. به هر قسمتى از یک مولکول DNA  که یک پروتئین را کد مى کند، یک ژن مى گویند. یک مولکول DNA  حاوى هزاران ژن است که هر کدام وظیفه اى خاص خود دارند، به این ترتیب جریان اطلاعات که توصیف کننده رفتار و عملکرد هر سلول زنده است، در DNA کنترل مى شود.

پروتئین ها نیز زنجیره اى از آمینواسیدها هستند. بیش از بیست نوع آمینواسید وجود دارد که با نسبت دادن یک علامت به هر کدام، توالى پروتئینى نشان داده مى شود. هر سه تا باز روى DNA  یک آمینواسید را کد مى کنند. به این ترتیب از روى یک توالى ژنى، مى توان توالى پروتئینى خاص آن را به دست آورد.

به این ترتیب نخستین و مهمترین شباهت زیست شناسى مولکولى و علوم کامپیوتر نمایان شد: توالى ها، داده هایى دیجیتالى هستند. قسمت عمده اى از داده هایى که در مدل ها، الگوریتم ها و پایگاه هاى داده اى (Data base)  بیوانفورماتیک مورد تحلیل قرار مى گیرند، به توالى ها اختصاص دارد.

� پایگاه هاى داده

جریان اطلاعاتى را که منجر به بروز یک واکنش خاص توسط یک سلول زنده یا یک موجود چند سلولى مى شود را در دیاگرام زیر مى توان خلاصه کرد:

توالى ژنى، توالى RNA

 توالى پروتئین، ساختار پروتئین، عملکرد پروتئین، بروز صفت در سلول زنده. براین اساس، هدف نهایى بیوانفورماتیک این است که با در دست داشتن توالى DNA هاى یک سلول یا یک موجود زنده، تمام خصوصیات و رفتارهاى آن را پیش بینى کند.

یکى از محرک هاى اصلى براى فعالیت روزافزون در زمینه بیوانفورماتیک پروژه هاى ژنوم و پروتیوم بوده اند. پروژه هاى ژنوم، با هدف تعیین کد توالى DNA هاى موجودات زنده تعریف شده اند که مهمترین و بزرگ ترین آنها پروژه ژنوم انسانى است. این پروژه که یک برنامه بزرگ جهانى بود و دانشمندانى از سراسر جهان در آن شرکت داشتند، وظیفه اش شناخت کامل DNA انسان است. این پروژه یکى از چهار پروژه عظیم جهانى است که البته به لطف ساخت دستگاهى به نام PCR  که به این فرآیند سرعت بخشید، در سال ۲۰۰۲ و سه سال پیش از موعد پانزده ساله پیش بینى شده اولیه، به پایان رسید. پایگاه هاى داده اى اینترنتى مخصوص این کار توالى هاى به دست آمده را در اختیار پژوهشگران قرار مى دهند. این پایگاه ها کاملاً عمومى هستند و با وارد کردن هر توالى دلخواه مى توان تمام توالى هاى مشابه به همراه مجموعه کاملى از اطلاعات مربوط به آنها را استخراج کرد. این پایگاه هاى بیوانفورماتیک حجم زیادى از اطلاعات ژنتیکى را در خود حفظ کرده اند و در طول مدت کوتاهى که از راه اندازیشان مى گذرد، به مهمترین ابزار پژوهشى در زیست شناسى مولکولى مبدل گشته اند.

سرعت رشد اطلاعات موجود در پایگاه هاى داده اى به صورت نمایى رشد مى یابد. طورى که براى مثال در پایگاه Gen Bank  هر ۱۴ ماه حجم اطلاعات دو برابر مى شود. به طور مشابه براى پروتئین هم پروژه پروتیوم تعریف شده است. که البته در اینجا حجم کار به طرز بسیار وحشتناکى بالاتر است. در عین حال روش هاى خوبى مثل روش هاى به کار رفته در پروژه ژنوم در دست نیست ضمن اینکه بسیارى از پروتئین ها و آنزیم ها، ناشناخته مانده اند. هدف این پروژه ها تعیین توالى پروتئین ها و شکل ساختارى سه بعدى آنها است. به خصوص این آخرى که نقش اساسى در عملکردهاى پروتئین ها دارد. اگر پروژه ژنوم در طى یک فرآیند ۱۲ ساله به پایان رسید ما با توجه به حجم کار پروژه پروتیوم، به نظر مى رسد که حدود یک قرن براى به پایان رساندن این پروژه که با همکارى اکثر مراکز پژوهشى جهان در حال انجام است، لازم باشد.

� زمینه هاى مهم بیوانفورماتیک

۱- 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.

منابع:

۱- www.stratagene.com

۲- www.pubmed.com

 ۳- www.bioinformatic.org

۴- M . Campbell, L.Heyer; Genomics, Proteomics, and Bio informatics.