بیوانفورماتیک چیست؟

سایت ویستاژن در این مقاله به تعریف علم بیوانفورماتیک پرداخته است. در صورت داشتن هرگونه سوال آن را در قسمت نظرات مطرح کرده تا در اسرع وقت توسط کارشناسان سایت پاسخ داده شود.

در دنیای کنونی و در این عرصه‌ی پرشکوه پیشرفت علم و فناوری ، رفته‌رفته توجه افراد بر ریز مولکول ها و مطالعه‌ی علوم سلولی جلب شده و بیشتر بر روی DNA و کاربردهای آن تمرکز میشود. این سلسله نوکلئوتید کوچک و پیچیده ، اساس و بنیان زندگی هر جانداری را مشخص میکند و همانطور که میدانیم ، شناخت این مولکول، اولین و مهم ترین گام برای ایجاد روش های بیشتر در راستای استفاده گوناگون از آن در زمینه های مختلف است . تلاش دنیای مدرن مولکولی امروز نیز درک دنیای خاموش اما شگفت‌ انگیزِ دنیای سلولی و سلولهای زنده است. در همین راستا، بیوانفورماتیک علمی نوین است که در آن با استفاده از کامپیوتر ، نرم افزارهای کامپیوتری و بانک‌های اطلاعاتی میتوان به مسائل بیولوژیکی بخصوص در زمینه‌های سلولی و مولکولی دسترسی پیدا کرد .
با پیشرفت و گسترش اطلاعات در زمینه علم ژنتیک و شناخت دقیق تر ژن ها و توالی آنها ، ژن ها عامل کنترل اعمال و اتفاقات درون سلول شناخته شدند. همین امر باعث شد که توجهات زیادی به آن جلب شود و از جنبه های مختلف مورد بررسی قرار گیرد. در واقع با علم بیوانفورماتیک سعی می شود تا یافته ها و اطلاعات گستره تری درباره ژن ها و محصول عملکردی آنها؛ یعنی پروتئین ها بدست آید.

بیوانفرماتیک

بیوانفورماتیک شامل ادغام رایانه ها، ابزارهای نرم افزاری و بانکهای اطلاعاتی در تلاش برای پرداختن به سؤالات زیست شناختی است. دو فعالیت مهم در مقیاس بزرگ که از بیوانفورماتیک استفاده می کنند ژنومیک و پروتئومیکس هستند. ژنومیک به آنالیز ژنوم اشاره دارد. می توان ژنوم را به عنوان مجموعه ای کامل از توالی های DNA تصور کرد که برای صفاتی که از نسلی به نسل دیگر منتقل می شود، کد گذاری شده است. این توالی های DNA شامل همه ژن ها (واحد عملکردی و فیزیکی وراثت منتقل شده از والدین به فرزندان) و رونوشت ها (نسخه های RNA که گام اولیه در رمزگشایی اطلاعات ژنتیکی است) موجود در ژنوم است. بنابراین ، ژنومیک به توالی و تجزیه و تحلیل همه این موجودات ژنومی از جمله ژن ها و رونوشت ها در یک ارگانیسم اشاره دارد. پروتئومیکس ، از طرف دیگر ، به تجزیه و تحلیل مجموعه کامل پروتئین ها یا پروتئوم اشاره دارد. علاوه بر ژنتیک و پروتئومیک ، بسیاری از زمینه های زیست شناسی وجود دارد که در آن بیوانفورماتیک کاربرد دارد . هر یک از این موضوعات مهم در بیوانفورماتیک با هدف درک سیستمهای پیچیده بیولوژیکی است.

امروزه بسیاری از دانشمندان از بیوانفورماتیک به عنوان زیست شناسی سیستم ، رویکردی برای مقابله با سؤالات بیولوژیکی جدید و پیچیده یاد می کنند. زیست شناسی سیستم شامل یکپارچه سازی اطلاعات ژنومیک ، پروتئومیکس و بیوانفورماتیک برای ایجاد منظره کل سیستم از یک موجودیت بیولوژیکی است. به عنوان مثال ، چگونگی عملکرد یک مسیر سیگنالینگ در یک سلول می تواند از طریق زیست شناسی سیستم مورد بررسی قرار گیرد. ژنهای درگیر در مسیر ، نحوه تعامل آنها و چگونگی تغییر نتایج در پایین دست ، همه را می توان با استفاده از زیست شناسی سیستم مدل کرد. هر سیستمی که می تواند اطلاعات را به صورت دیجیتالی نشان دهد ، یک برنامه بالقوه برای بیوانفورماتیک را ارائه می دهد. بنابراین بیوانفورماتیک را می توان از سلولهای منفرد تا اکوسیستم های کل استفاده کرد. دانشمندان با درک و شناخت کامل لیست اجزا در یک ژنوم ، درک بهتری از سیستمهای پیچیده بیولوژیکی کسب می کنند. دانستن تعاملاتی که بین همه این قسمت ها در یک ژنوم یا پروتئوم وجود دارد ، نشان دهنده سطح بعدی پیچیدگی در سیستم است. از طریق این رویکردها ، بیوانفورماتیک این امکان را دارد که بینش های کلیدی در مورد درک و مدل سازی ما از بیماری های خاص انسانی یا انسان های سالم ارائه دهد.

vistagene

پیشینه بیوانفرماتیک

شروع علم بیوانفورماتیک را می توان در سال 1968 به مارگارت دایوف و مجموعه‌ی توالی های پروتئینی معروف به اطلس توالی و ساختار پروتئین نسبت داد. یکی از آزمایش های مهم و قابل توجه در بیوانفورماتیک ، استفاده از برنامه جستجوی شباهت توالی برای شناسایی منشاء یک ژن ویروسی بود. در این مطالعه، دانشمندان از نخستین برنامه های جستجوی شباهت دنباله ای کامپیوتر (به نام FASTP) استفاده کردند ، تا بدانند که محتوای v-sis ( یک دنباله ویروسی ایجاد کننده سرطان ) بیشترین شباهت با ژن PDGF سلولی را دارد. این نتیجه غافلگیرکننده بینش مکانیکی مهمی را برای زیست شناسان فراهم آورده است در مورد اینکه ایجاد این توالی ویروسی چگونه باعث سرطان می شوند. رشد بیوانفورماتیک موازی با توسعه فناوری توالی DNA است. با همان روشی که توسعه میکروسکوپ در اواخر سال 1600 باعث تغییر علوم بیولوژیکی برای اولین بار در سلولها شد ، فناوری تعیین توالی DNA باعث تغییر در حوزه بیوانفورماتیک شد. رشد سریع بیوانفورماتیک می تواند با رشد توالی های DNA موجود در مخزن عمومی توالی های نوکلئوتیدی به نام GenBank یا همان بانک ژن ، نشان داده شود.
پروژه های تعیین توالی ژنوم به پرچمداران بسیاری از طرح های بیوانفورماتیک تبدیل شده اند. پروژه توالی ژنوم انسانی نمونه ای از یک پروژه توالی موفقیت آمیز ژنوم است ، اما بسیاری از ژنوم های دیگر نیز توالی شده و در حال توالی هستند. در حقیقت ، اولین ژنوم هایی که توالی شده اند از ویروس ها (یعنی فاژ MS2) و باکتری ها بودند و ژنوم Haemophilus آنفلوانزا Rd اولین ژنوم یک ارگانیسم زنده است که در بانک های اطلاعاتی دسته‌ی عمومی قرار می گیرد . این موفقیت با کمتری از فنآوری ژنوم انسان دریافت شد اما مشخص می شود که توالی ژنوم های دیگر گام مهمی در بیوانفورماتیک امروز است. با این حال ، توالی ژنوم به خودی خود دارای اطلاعات محدودی است. برای تفسیر اطلاعات ژنومی ، تجزیه و تحلیل مقایسه ای توالی ها باید انجام شود و یک معرف مهم برای این تجزیه و تحلیل ها پایگاه داده های توالی در دسترس عموم لازم است. بدون پایگاه داده توالی (مانند GenBank) ، که زیست شناسان اطلاعات مربوط به توالی مورد علاقه خود را ضبط کرده اند ، بسیاری از اطلاعات غنی به دست آمده از پروژه های توالی ژنوم در دسترس نخواهد بود.

روشی که در میکروسکوپ اکتشافات پیش بینی شده در زیست شناسی سلولی ، همان اکتشافات جدید در فناوری اطلاعات و زیست شناسی مولکولی و کشف های پیش بینی شده در بیوانفورماتیک است. در حقیقت ، بخش مهمی از زمینه بیوانفورماتیک توسعه فناوری جدید است که می تواند علوم بیوانفورماتیک را با سرعتی بسیار سریع پیش ببرد. از طرفی رایانه ، اینترنت ، تحولات نرم افزاری جدید ، الگوریتم های جدید و توسعه فن آوری خوشه رایانه ای به بیوانفورماتیک کمک کرده است تا از نظر مقدار داده ای که می تواند به طور کارآمد تجزیه و تحلیل شود ، جهش های بزرگی را انجام دهد. از طرف دیگر ، آزمایشگاه ، فن آوری ها و روش های جدید مانند توالی DNA ، تجزیه و تحلیل سریال بیان ژن (SAGE) ، ریزآرایه ها و شیمی های جدید طیف سنجی جرمی با سرعتی به همان اندازه آغاز شده اند که دانشمندان را قادر می سازد تا داده هایی را برای تجزیه و تحلیل با سرعت باورنکردنی تولید کنند. بیوانفورماتیک هر دو فناوری پلتفرمی را فراهم می کند که دانشمندان را قادر می سازد با مقادیر زیادی از داده های تولید شده از طریق ژنومیک و ابتکارات پروتئومیکس و همچنین رویکرد تفسیر این داده ها مقابله کنند. از بسیاری جهات ، بیوانفورماتیک ابزاری برای استفاده از روش علمی در داده های در مقیاس بزرگ فراهم می کند و باید به عنوان یک رویکرد علمی برای پرسیدن بسیاری از سؤالات بیولوژیکی جدید و متفاوت مورد بررسی قرار گیرد.

بیوانفورماتیک
بسیاری از دانشمندان بیوانفورماتیک را هیجان انگیز می دانند زیرا این پتانسیل را دارد که بتواند به دنیای کاملاً جدیدی از سرزمین های غیرقانونی گام بگذارد . بیوانفورماتیک یک علم جدید و یک روش جدید تفکر است که به طور بالقوه می تواند منجر به بسیاری از اکتشافات بیولوژیکی مرتبط شود. اگرچه فناوری نیز بیوانفورماتیک را قدرتمند می سازد ، اما اطلاعات و دسترسی بیوانفورماتیک نیز درباره زیست شناسی بسیار زیاد است. سؤالات زیست شناختی میتوانند همه آزمایشات بیوانفورماتیک را هدایت کنند. سوالات مهم بیولوژیکی می توانند توسط بیوانفورماتیک مورد بررسی قرار گیرند و شامل درک ارتباط ژنوتیپ–فنوتیپ برای بیماری های انسانی، درک ساختار برای عملکرد روابط برای پروتئین ها و درک شبکه های بیولوژیکی باشند. برای بسیاری ، بیوانفورماتیک بسیار پرطرفدار است زیرا دانشمندان می توانند زیست شناسی و مهارتهای رایانه ای خود را در تولید معرفها برای تحقیقات بیوانفورماتیک بکار گیرند. بسیاری از دانشمندان دریافته اند که بیوانفورماتیک قلمرو جدیدی از سؤال علمی است که دارای پتانسیل بسیار خوبی برای سلامت انسان و جامعه است.
آینده بیوانفورماتیک ، از طریق ادغام است. به عنوان مثال ، ادغام طیف گسترده ای از منابع داده ها ، مانند داده های بالینی و ژنومی به ما این امکان را می دهد تا از علائم بیماری برای پیش بینی جهش های ژنتیکی استفاده کنیم و برعکس. ادغام داده های GIS مانند نقشه ها ، سیستم های هواشناسی با سلامت محصول و داده های ژنوتیپ به ما امکان پیش بینی نتایج موفقیت آمیز آزمایش های کشاورزی را می دهد. یکی دیگر از زمینه های آینده تحقیق در زمینه بیوانفورماتیک ، ژنومیک مقایسه ای در مقیاس بزرگ است. به عنوان مثال ، توسعه ابزارهایی که می توانند 10 طرفه مقایسه ژنوم ها را انجام دهند ، سرعت کشف در این زمینه از بیوانفورماتیک را به جلو سوق می دهد. در طول این خطوط ، مدل سازی و تجسم شبکه های کامل سیستم های پیچیده می تواند در آینده مورد استفاده قرار گیرد تا به عنوان مثال سیستم یا سلول واکنش نشان دهد ، مثلاً به یک دارو . تاکنون یکی از بزرگترین موانع پیش روی بیوانفورماتیک ، کم بودن آمار محققان این حوزه است. این امر با تغییر رویه بیوانفورماتیک به خط مقدم پژوهش تغییر می کند اما این تاخیر در تخصص باعث ایجاد شکاف واقعی در دانش بیوانفورماتیک در جامعه تحقیقاتی شده است. سرانجام ، یک سؤال مهم تحقیقاتی برای آینده بیوانفورماتیک این خواهد بود که چگونه به صورت محاسباتی مشاهدات پیچیده بیولوژیکی ، مانند الگوهای بیان ژن و شبکه های پروتئینی را مقایسه کنیم. بیوانفورماتیک در مورد تبدیل مشاهدات بیولوژیکی به مدلی است که یک کامپیوتر آن را درک خواهد کرد. این یک کار بسیار چالش برانگیز است زیرا زیست شناسی می تواند بسیار پیچیده باشد. این مشکل نحوه دیجیتالی کردن داده های فنوتیپی مانند رفتار، الکتروکاردیوگرام و سلامت محصول به صورت قابل خواندن با رایانه، چالش های هیجان انگیزی را برای بیوانفورماتیک های آینده ایجاد می کند.