کاربردهای بیوانفورماتیک در حوزه ی زیست شناسی

پیشرفت تکنولوژی در سال های اخیر موجب افزایش سطح فهم مبانی ژنتیکی فنوتبیپ های مختلف شده است. در زیست شناسی چالش اصلی این است که بتوانیم مضمون حجم بسیار زیادی از داده های مرتبط با ساختارها و توالی ها را که در سطوح مختلف این علم تولید می شوند درک نماییم. در همین راستا، بیوانفورماتیک و زیست شناسی محاسباتی بر چالش های مرتبط با پردازش اطلاعات زیستی فایق آمده است.

عصر “زیست شناسی نوین” مبتنی در تولید و توسعه ی علوم مرتبط با بیوانفورماتیک و زیست شناسی محاسباتی می باشد که رابطه ی مشترکی نیز با زیست شناسی مولکولی دارد. در این نوشتار می خواهیم خلاصه ای ازعلوم و مبانی تکمیل کننده ی علم بیوانفورماتیک را با توجه به این زمینه ها بررسی نماییم: ۱٫ انواع اطلاعات و پایگاه های داده ای زیستی مرتبط با بیوانفورماتیک ۲٫ آنالیز توالی ها و مدل سازی مولکولی ۳٫ آنالیز ژنومی و ۴٫ زیست شناسی سیستم ها.

آموزش بیوانفورماتیک-کاربرد بیوانفورماتیک در زیست شناسی

آموزش بیوانفورماتیک-کاربرد بیوانفورماتیک در زیست شناسی

  1. انواع اطلاعات و پایگاه داده های زیستی مرتبط با بیوانفورماتیک

به دلیل تولید حجم بسیار بالایی از داده ها و اطلاعات، سازماندهی و ذخیره ی آن ها امری ضروری می باشد. بنابراین پایگاه های داده ای ایجاد شدند که در آن ها حجم  بسیار زیادی از اطلاعات زیستی ذخیره شده اند و به جوامع علمی اجازه می دهند که از آن ها استفاده نمایند. افزایش مقدار داده ها با افزایش تعداد پایگاه های بیولوژیکی همراه است که گزارشی از آن در مجله ی پژوهش های نوکلئیک اسید جمع آوری، به روز رسانی و منتشر شده است. مطابق با گزارش این سازمان در سال ۲۰۱۷، حدود ۱۷۳۹ پایگاه داده ای زیستی وجود دارد.

منابع اطلاعاتی اصلی که توسط بیوانفورماتیک استفاده می شود را می توان به این صورت تقسیم بندی نمود: ۱٫ توالی های DNA خام ۲٫ ساختارهای ماکرومولکولی ۳٫ توالی یابی ژنومی. بر همین اساس پایگاه های داده ای اولیه شامل: پایگاه داده ای GenBank مرتبط با NCBI، پایگاه داده ای DDBJ مرتبط با پایگاه های داده ای DNA ژاپن و پایگاه داده ای EMBL مربوط به بخش بیولوژی مولکولی اروپا می باشند که حاوی داده های اصلی مرتبط با توالی های نوکلئیک اسیدی و پروتئینی هستند.

نمونه ای از پایگاه های داده ای ثانویه نیز شامل: Protein Information Resource (PIR)، UniProtKB/Swiss-Prot، Protein Data Bank (PDB)، Structural Classification of Proteins 2 (SCOP) و Prosite می باشند. این پایگاه داده ها تنها اطلاعات مربوط به پروتئین ها را دربر می گیرند و فقط جنبه های ساختاری، دومین ها، عملکرد و طبقه بندی آن ها را شرح می دهند.

  1. آنالیز توالی ها و مدل سازی مولکولی

تجزیه و تحلیل توالی ها به طور گسترده ای در علوم زیستی جهت مقایسه و بررسی هم ترازی آن ها همراه با افزایش دسترسی به به داده های تولید شده توسط فناوری NGS (Next-Generation Sequencing Technologies) می باشد. این فرآیند بوسیله ی مقایسه دو یا چند توالی نوکلئوتیدی (RNA یا DNA) و یا اسیدآمینه ای (پپتید یا پروتئین) صورت می گیرد که با دنبال نمودن مجموعه ای از کاراکترها و الگوهای منحصر به فرد همراه است.  اما چرا توالی ها را مقایسه می نماییم؟

از جمله کاربردهای این بخش از بیوانفورماتیک یافتن اطلاعاتی در مورد ارتباط تکاملی بین ارگانیسم ها، افراد، ژن ها، عملکردها و ساختارها می باشد. بنابراین، روش هم ترازی برای تمام ژنوم نیز کاربرد دارد که در آن به مقایسه بین ژنوم موجودات مختلف و یا ژنوم افراد یک گونه می پردازد و تغییرات موجود در توالی ها را شناسایی نموده و آن ها را با فنوتیپ های خاص مرتبط می نماید. برای پروتئین ها نیز،  هم ترازی ساختارها به عنوان ابزار مهم بیوانفورماتیک محسوب می شود. چرا که مقایسه ساختارها به تجزیه و تحلیل شباهت ها و تفاوت های بین دو یا چند ساختار می پردازد، در حالی که بررسی هم ترازی به تعیین اینکه کدام آمینو اسید ها بین این ساختارها معادل می باشد، اشاره می کند.

جهت آنالیز توالی ها در بیوانفورماتیک، مباحث هم ترازی ساده (Simple alignment)، هم ترازی چندگانه (Multiple alignments) و بلاست (BLAST) بسیار حائض اهمیت هستند.

در بخش مدل سازی مولکولی نیز مبحث همولوژی مدلینگ (Homology modeling) مطرح می شود، که مدلسازی ساختارهای سه بعدی پروتئین ها بوسیله ی مقایسه توالی آن ها با توالی ساختاری پروتئین های شناخته شده دیگری انجام می گیرد که همولوگ پروتئین مجهول می باشند.  این رهیافت بر مبنای این حقیقت است که در راستای تکامل، برخی از توالی ها با یکدیگر الگوی مشابهی از ساختار تاخورده ی سوم را به صورت مشترک دارند. شناسایی ساختار سوم پروتئین ها به بررسی عملکرد آن ها در حالت داینامیک، نحوه ی برهمکنش آن ها و پیش بینی قابلیت های درمانی آن ها می پردازد.

  1. آنالیز ژنومی

توالی یابی DNA نقش بسیار مهمی در توسعه ی زیست شناسی مولکولی داشته است که نه تنها موجب تغییر چشم انداز طراحی ژنوم می شود بلکه فرصت ها و قابلیت های جدید را پیش روی ما باز می نماید. از جمله رهیافت های عملکرد بیوانفورماتیک در این حوزه، می توان به آنالیز ژنوم، ترسکریپتوم و پروتئوم اشاره نمود.

  1. زیست شناسی سیستم ها

در رویکردهای مختلف می توان از ژنوم برای شناسایی تنوعات ژنتیکی براساس اطلاعات کمی و تاثیر آن بر روی فنوتیپ بهره گرفت.هرچند موجودات سیستم های پیچیده ای هستند و فاکتورهایی مانند نمو، هموستازی و پاسخ به عوامل محیطی به طور مستقیم بر روی عملکرد آن ها تاثیر می گذارد. هر کدام از رهیافت های مربوط به “OMIC” یکی از ابعاد مرتبط با عملکرد ژنوم را ارائه می نماید. بنابراین “زیست شناسی سیستم ها نمایانگر فهم زیست شناسی در سطوح سیستمیک بوده و موجب تغییر نوع نگاه به سیستم های زیست شناسی می شود.

زیست شناسی سیستم ها یک علم چند رشته ای است که موجب توسعه ی تکنولوژی های جدید به منظور کشف جنبه ی نوینی از داده ها، ایجاد فرضیه ها و تولید چرخه ی نوآوری می گردد. رویکرد سیستمی در سطح ژنوم می تواند موجب مقایسه ی تحلیلی و تکمیلی ارتباطات موجود ما بین ژنوتیپ ها و فنوتیپ ها شود.  درک سیستم ها در بیوانفورماتیک می تواند ناشی از فهم چهار ویژگی اساسی باشد: ساختار، داینامیک، روش-کنترل و طراحی روش.

بنابراین توسعه ی قابلیت تولید داده، آنالیز آن ها و تفسیر نتایج حاصل از آن به یک آینده ی امیدوار کننده اشاره می نماید. هر چند پیشرفت در تمامی حوزه های مرتبط با علوم موجب ظهور روش های آنالیتیکال نوین می شود. چنین چشم اندازی نیاز به دانشمندانی مسلط در زمینه های بیوانفورماتیکی و محاسباتی دارد و تکمیل کننده ی علوم مرتبط با زیست شناسی می باشد.

منبع

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28301675