وظيفه اصلي بيوانفورماتيك، طراحي سيستم هاي كامپيوتري و مدل هاي رياضي براي نگهداري , مديريت و تحليل داده هاي بيولوژيكي است. ابزارهاي بيوانفورماتيكي در آينده قادر خواهند بود كه با دانستن يك توالي ژني , نحوه بروز صفت در سلول زنده را توصيف كنند.

بيوانفورماتيك دانشي بين رشته اي است. نقطه اتصال رياضيات، علوم محاسباتي و علوم زيستي. اين شاخه از علم با توجه به گسترش روز افزون حيطه هاي علمي و درگير شدن آنها با هم و طرح مسائل مشترك بين شاخه هايي از علم كه پيش از اين چندان ربطي به هم نداشتند از يك طرف و گسترش توجه به زيست شناسي و به خصوص زيست شناسي مولكولي در دو دهه اخير، بسيار مورد توجه پژوهشگران رياضي و زيست شناسان قرار گرفته است. اگر بخواهيم موضوع علم بيوانفورماتيك را در يك جمله  خلاصه كنيم، مي توان گفت:« طراحي سيستم هاي كامپيوتري و مدل هاي رياضي براي نگهداري، مديريت و تحليل مجموعه عظيمي از داده هاي بيولوژيكي و همچنين ارائه دانش زيستي » موضوع بيوانفورماتيك است.

با توجه به گسترش روزافزون و توجه به اين شاخه در كشورمان، در اين جا نگاهي هر چند مختصر به كليات بيوانفورماتيك مي اندازيم:

الف) پايگاههاي داده:

جريان اطلاعاتي را كه منجر به بروز يك واكنش خاص توسط يك سلول زنده يا يك موجود چند سلولي مي شود را در مراحل زير مي توان خلاصه كرد:

« توالي ژني ، توالي RNA ، توالي پروتئين ، ساختار پروتئين ، عملكرد پروتئين ، بروز صفت در سلول زنده.»

بر اين اساس ، هدف نهايي بيوانفورماتيك اين است كه با در دست داشتن توالي DNA هاي يك سلول يا يك موجود زنده، تمام خصوصيات و رفتارهاي آن را پيش بيني كند. يكي از محرك هاي اصلي براي فعاليت روز افزون در زمينه بيوانفورماتيك، پروژه هاي ژنوم و پروتيوم بوده اند. پروژه هاي ژنوم ، با هدف تعيين كد توالي DNA هاي موجودات زنده تعريف شده اند كه مهمترين و بزرگترين آنها پروژه ژنوم انساني است. اين پروژه كه يك برنامه بزرگ جهاني بود و دانشمنداني از سراسر جهان در آن شركت داشتند ، وظيفه اش شناخت كامل DNA انسان است. اين پروژه يكي از چهار پروژه عظيم جهاني است كه البته به لطف ساخت دستگاهي به نام PCR كه به اين فرايند سرعت بخشيد ، در سال 2002 ميلادي و سه سال پيش از موعد پانزده ساله پيش بيني شده اوليه ، به پايان رسيد.

پايگاه هاي داده اي اينترنتي مخصوص اين كار توالي هاي به دست آمده را در اختيار پژوهشگران قرار مي دهند. اين پايگاه ها كاملا عمومي هستند و با وارد كردن هر توالي دلخواه مي توان تمام توالي هاي مشابه به همراه مجموعه كاملي از اطلاعات مربوط به آنها را استخراج كرد. اين پايگاه هاي بيوانفورماتيك حجم زيادي از اطلاعات ژنتيكي را در خود حفظ كرده اند و  در طول مدت كوتاهي كه از راه اندازيشان مي گذرد ، به مهمترين ابزار پژوهشي در زيست شناسي مولكولي مبدل گشته اند.

سرعت رشد اطلاعات موجود در پايگاه هاي داده اي به صورت نمايي رشد مي يابد ، طوري كه براي مثال در پايگاه      Gen Bank هر 14 ماه حجم اطلاعات دو برابر مي شود. به طور مشابه براي پروتئين هم پروژه پروتيوم تعريف شده است. كه البته در اينجا حجم كار به طرز بسيار وحشتناكي بالاتر است. در عين حال روش هاي خوبي مثل روش هاي به كار رفته در پروژه ژنوم در دست نيست ، ضمن اينكه بسياري از پروتئين ها و آنزيم ها ، ناشناخته مانده اند. هدف اين پروژه ها تعيين توالي پروتئين ها و شكل ساختاري سه بعدي آنها است. به خصوص اين آخري كه نقش اساسي در عملكردهاي پروتئين ها دارد. اگر پروژه ژنوم در طي يك فرآيند 12 ساله به پايان رسيد ، اما با توجه به حجم كار پروژه پروتيوم ، به نظر مي رسد كه حدود يك قرن براي به پايان رساندن اين پروژه كه با همكاري اكثر مراكز پژوهشي جهان در حال انجام است ، لازم باشد.

ب) زمينه هاي مهم بيوانفورماتيك:

1- تحليل توالي ژنوم

هدف اوليه بيوانفورماتيك طراحي روش هاي استخراج ، نگهداري ، پردازش و تحليل بسيار زيادي از توالي ها بود. رسيدن به اين هدف ، براي محققان علوم زيستي دستاورد عظيمي به شمار مي رود. به طور كلي در طي چند سال اخير ، كاوش در اين پايگاه هاي داده اي براي پژوهشگران زيست شناسي مولكولي به يك فعاليت روزمره و نياز حياتي مبدل شده است. براي مثال فرض كنيد كه توالي قسمتي از يك DNA در يك آزمايشگاه به دست آمده است. نخستين سوالي كه به ذهن مي رسد       اين است كه آيا اين توالي در بر گيرنده يك ژن هست يا نه؟ در صورت مثبت بودن جواب ، اين ژن در كجاي زنجيره             DNA  اصلي قرار دارد و نهايتا آنزيمي را كه كد مي كند چه نقشي در سلول يا فرآيندهاي حياتي ايفا مي كند؟

در غياب بيوانفورماتيك و ابزارهاي آن ، ماه ها وقت لازم است تا يك تيم تحقيقاتي به حدس هاي اوليه اي در باره پاسخ سؤالات فوق برسد. در حالي كه تنها با يك رايانه شخصي متصل به اين پايگاه هاي داده اي ظرف چند دقيقه مي توان به جواب قطعي يا حدس هايي محكم رسيد. سرعت بالاي روش هاي تعيين توالي با روش هاي كامپيوتري و مدل هاي رياضي در طراحي تراشه هاي DNA به دست آمده اند. دستگاه هاي فوق پيشرفته مجهز به تراشه هاي DNA قادر هستند ضمن تعيين توالي همزمان هزاران قطعه نوكلئوتيدي آنها را به طور خودكار در پايگاه هاي داده اي به ثبت برساند.

2- پيش بيني ساختار سه بعدي (ساختار سوم و چهارم) پروتئين

كاركرد مولكول هاي عظيم پروتئين به شدت به شكل فضايي و ساختار سه بعدي آنها بستگي دارد. از طرفي همان گونه كه ديديم ژن ها نيز از طريق عملكرد پروتئين هايي كه مي سازند ، نقش خود را اعمال مي كنند. بنابراين شناخت كامل ماهيت و وظيفه ژن ها ، منوط به دانستن اطلاعات كافي درباره پروتئين ها است. ولي پروژه هاي پرونيوم با وجود اين اهميت حياتي ، به كندي پيش مي روند.

دلايل اين كندي پيشرفت ، هزينه هاي زياد و كندي روند تعيين توالي پروتئين ها و مشكل بودن تعيين ساختار سه بعدي آنها در آزمايشگاه است. با توجه به سرعت بالاي روند كار در پروژه ژنوم ، حل مسائل پروتئيني مهمترين چالش حال حاضر بيوانفورماتيك به حساب مي آيد.

دو اصل اساسي براي تعيين ساختار سه بعدي پروتئين از روي توالي آن وجود دارد كه هر كدام روش جداگانه اي را براي حل مسئله ساختار پيشنهاد مي كنند:

* پروتئين هايي كه توالي نسبتا مشابهي دارند ، شكل فضايي شبيه به هم پيدا مي كنند؛ جست و جو براي يافتن توالي مشابه.

      * شكل فضايي مولكول به نحوي است كه به حداقل انرژي برسد؛ استفاده از قوانين شيمي ، فيزيك و ترموديناميك.

3- تحليل كاركردي در سطح ژنوم

ابزارهاي تحليل كلان داده هاي زيستي ، روش كار پژوهش هاي مهندسي ژنتيك ، داروسازي و زيست شناسي را دگرگون كرده اند. فناوري جديد بيوانفورماتيكي امكانات جديد و بسيار قوي را فراهم ساخته است؛ مثل بررسي همزمان ميزان فعاليت هزاران ژن در سلول ، تحليل نحوه تعامل تعداد زيادي پروتئين و تحليل خصوصيات هزاران سلول جهش يافته در آن واحد. اين مسائل با به كار گيري روش هاي آماري پيشرفته حل شده اند. دانش مربوط به اين بخش تحت عنوان «ژنوم شناسي كاركردي» به يكي از فعال ترين زمينه هاي تحقيقي در بيوانفورماتيك مبدل شده است. از دستاوردهاي مهم در اين زمينه     مي توان به پيش بيني نقش و كاركرد ژن ها در سلول بدون نياز به تحليل داده هاي پروتئيني اشاره كرد.

4- ايجاد و مديريت پايگاه هاي داده اي

صرف نظر از نوع داده هاي توليد شده در زيست شناسي مولكولي و نحوه تحليل و تفسير آنها ، بايد اين داده ها را از طريق پايگاه هايي در اختيار پژوهشگران قرار داد. اما نحوه اين ارائه هم مشكلات خاص خود را دارد؛ مثل نحوه حصول اطمينان از درستي داده هاي ثبت شده و چگونگي نمايش مفيد داده ها براي كاربران. از اين جهت اداره كنندگان پايگاه هاي بزرگ بيوانفورماتيكي ، چالش هايي بيش از يك مهندس پيش رو دارند.

5- مدل سازي رياضي فرآيندهاي حيات

استفاده كنندگان ابزارها و داده هاي بيوانفورماتيكي محدود به متخصصان زيست شناسي مولكولي نمي شود. گروهي كه اخيرا به اهميت بيوانفورماتيك پي برده اند ، فيزيولوژيست ها هستند. آنها با استفاده از حجم عظيم داده هاي ژنومي و پروتيومي    در تلاشند تا راه شبيه سازي فرآيندهاي بيوشيميايي سلول زنده را هموار سازند. تلاش محققان اين است كه فرآيندهاي خاص سلولي را شبيه سازي كرده و با يك پارچه سازي آنها به يك سلول كامل برسند كه در اين صورت يكي از هدف هاي مهم بيوانفورماتيك علوم زيستي محقق خواهد شد؛ يعني درك كامل ساز و كار ارگانيسم هاي زنده در سطح مولكولي.

در خاتمه بايد يادآور شد كه اهميت بيوانفورماتيك تنها در سرعت بخشيدن به كارهاي آزمايشگاهي نيست بلكه گسترش اين شاخه علمي و طرح و پاسخگويي به سؤالات جديد افق هاي نويني را پيش روي زيست شناسان گشوده است.

تهيه و تنظيم: سكينه ريگي زاده – دبير دبيرستان نمونه دولتي مهديه – ناحيه 2 آموزش و پرورش شهرستان بندرعباس

منابع:

  - مطالب ارائه شده در دوره آموزشی بيوانفورماتيك که توسط انجمن زیست شناسی  در سازمان آموزش و پرورش استان هرمزگان برگزار گردید.