تازه های علمی

زیست شناسی مدرن

بیولوژی سامانه ها (System Biology)

تاکنون علوم زیستی و پزشکی درصدد کشف جزئیات فرایند های سلولی و مولکولی و نفوذ در ذرات جهان و جزئی نگری بوده است، توجه به جزئیات به تنهایی نمی تواند پاسخگوی سئوالات بشر و جهان پیچیده باشد. همان طور که دانش ما در مورد ژنوم، پروتئوم و متابولوم عمیق تر شد و لیست اجزا یا مولکول های درگیر (پروتئین ها، چربی ها، یون ها) در فرایندهای سلولی توسعه یافت، نیاز به درک چگونگی سازماندهی آن ها در موجود زنده و ارتباط برقرار کردن این مولکول ها با یکدیگر به صورت ماژول یا واحدهای عملکردی زیستی افزایش یافت. به زبان ساده تر، ثروت حاصل از داده های فراوان زیستی را می توان شبیه به انباری بسیار بزرگ از لوازم یدکی یا اجزا یک ماشین بسیار پیچیده مثل هواپیما دانست که برای درک رفتار این سیستم اولین قدم یافتن نقشه ارتباطات این اجزا باهم است. در گام بعدی یافتن اهمیت اجزا در ساختار این نقشه و یا رفتار پویا یا دینامیکی آن ها اهمیت دارد تا بتوان در مورد عملکردهای یک سامانه زیستی توضیح بیشتری داد. مدل سازی و شبیه سازی رفتارهای سلول به کمک این نقشه می تواند ما را در پیش بینی رفتارهای آن در آینده یا عیب یابی و رفع آن راهنمایی کند.

در زیست شناسی مدرن یا زیست شناسی سامانه ای، به دنبال یافتن نقشه یا شبکه ارتباطی مولکول های درگیر در سیستم های بسیار پیچیده تر زنده هستیم که موجب فرایندهایی مثل انتقال پیام، نسخه برداری، تقسیم سلولی، تحرک، ساعت زیستی و تحریک پذیری الکتریکی می شوند. در واقع سیستم بیولوژی از طریق نگرش بالا به پایین و کلی نگری بر مسائل زیستی سعی در رسیدن به درک بهتری از زیست شناسی و مکانیزم های آن، به ویژه از عملکرد ها و برهمکنش های عناصر کلیدی سیستم های زنده (DNA، RNA، پروتئین ها، سلول) دارد. این سیستم بیولوژی است که سعی دارد رفتار یک شبکه پیچیده زیستی پویا را در شرایط مختلف و زمان های متفاوت پیشگویی و شبیه سازی کند و ارتباط های اجزای یک مکانیسم پیچیده تنظیمی و حتی بین شبکه ها و بخش های یک سیستم زیستی را بیابد.

یکی از کاربردهای اصلی رشته سیستم بیولوژی که امروزه هزینه ها و تمرکز زیادی را به خود اختصاص داده است، استفاده از آن در مدل سازی اثر دارو ها بر سلول های هدف و میسرهای بیوشیمیایی درگیر است. دانشمندان امیدوارند که در آینده نزدیک با مدل سازی های دقیق تر بتوانند داروهای اختصاصی تر با اثرات جانبی کمتر و بهینه را طراحی کنند. موضوعات اصلی در سیستم بیولوژی شامل آنالیز شبکه های مختلف است که مهمترین این شبکه ها عبارتند از: شبکه های ژنی؛ شبکه های برهمکنش پروتئین ها؛ شبکه های متابولیسمی و شبکه های سیگنالی است که برای مدل سازی هر کدام از این شبکه ها با توجه به ویژگی هایی که هر کدام از آن ها دارند از روش ها و الگوریتم های خاصی استفاده می شود ولی آن چه مهم است این است که در نهایت هدف سیستم بیولوژی رسیدن به یک مدل واحد و کشف ارتباطات بین این شبکه ها و نقش آن ها در حیات سلول، ارتباط بین سلول ها و شرایط محیطی و در نهایت پاسخ موجود به تغییرات محیطی است.

در سال­های اخیر، همزمان با توسعه فناوری‌های مختلف زیستی که در مدت زمان کوتاهی داده‌های بسیاری تولید می‌کنند، انبوهی از اطلاعات در سطوح مختلف سلولی و فرآیندهای رشد و نمو موجودات زنده، در اختیار محققان قرار گرفته است. چالش بزرگی که در حال حاضر دانشمندان با آن روبرو هستند، بهره‌برداری از این داده ها و اطلاعات و ادغام آنها به منظور درک بهتر برهمکنش سطوح مختلف زیستی در تشکیل واحدهای عملیاتی مانند مسیرهای هماهنگ کننده، شبکه‌های تنظیمی و ساختارهای پیچیده­تر مثل سلول­ها و بافت­ها می‌باشد.

زیست شناسی سامانه‌های سلولی (Cell Systems Biology) تلاشی است برای درک سازوکارهای اجزا عملیاتی سلول یا یک موجود کامل و فرآیندهای رشد و توسعه آنها، که از طریق پیش­بینی خصوصیات این سازوکارها و فرآیندها با استفاده از داده‌های عددی به دست آمده و تحلیل برهمکنش عناصر متعدد این سامانه‌ها کسب می‌شود. این اطلاعات به دانشمندان اجازه می‌دهد تا با مطالعه و درک دینامیک (پویایی) سلولی و عمل سازواره‌ها بتوانند الگوهای تنظیم سلولی را مدلسازی نموده و اطلاعاتی از شبکه های مسیرهای ترارسانی پیام­ها (Signal Transduction) که برای اعمال فیزیولوژیکی و رشد و توسعه موجودات زنده لازم است، کسب نمایند. برای دستیابی به این هدف، باید روش­های ریاضی و کامپیوتری مناسبی برای مدلسازی و شبیه‌سازی سامانه‌های پیچیده زیستی طراحی نمود چرا که تاکنون بخش اعظم زیست شناسی به جای تمرکز در خلق الگوهای شبیه­ سازی شده کمی، اکتشافی و توصیفی بوده است. تاکنون هیچ برنامه‌ای که بتواند فرآیندهای زیستی را به طور دقیق مدلسازی نماید ساخته نشده است. البته استانداردهای جدیدی نیز لازم است تا با طراحی و تجزیه و تحلیل آزمایش­ها، خطاهای موجود در کار با مجموعه‌های عظیم داده‌ها را به حد قابل قبولی برساند.به منظور رمزگشایی الگوهای زیستی، تلاش زیادی برای تجزیه و تحلیل کمی پدیده‌های زیستی در راستای هدف بلندمدت توانمندی در مدلسازی فرآیندهای زیستی لازم است. بدین ترتیب از بطن این تلاش­ها پاسخ مناسبی برای بسیاری از مسائل مهم زیست شناسی نوین پیدا خواهد شد. تشریح و تجزیه و تحلیل سامانه‌های زیستی در تمامی سطوح، یک ساختار پژوهشی جدید را شکل می‌دهد که در آن از فرصت­های طلایی ایجاد شده به دلیل ظهور فناوری‌های نوین ژنومیکس و پروتئومیکس نهایت استفاده صورت گیرد و به این مسائل مهم پاسخ مناسبی داده شود .در این مسیر نوآورانه و پیچیده، به دلیل ماهیت میان رشته‌ای آن، همکاری تنگاتنگ زیست­شناسان، ریاضی دانان، متخصصان علوم رایانه، مهندسان و متخصصان رشته‌های دیگر لازم است. برخی از سوالات اساسی که این همکاری مثبت و سازنده باید به آنها پاسخ دهد، عبارتند از:

1) ساختار سامانه‌های سلولی تا چه حد عمومی و قابل تقسیم به اجزا قابل اندازه‌گیری می‌باشد؟

2) شبکه‌های سلولی ایجاد شده طی تحول (Evolution) تا چه حد با معادل های خود، که با استفاده از فنون منطقی مهندسی از روی آنها طراحی شده، مشابهت نشان می‌دهند؟

3) این شبکه ها تا چه حد می‌توانند اجزا سازنده را تعیین نمایند؟

4) چگونه می‌توان مشخصات سلول را با کنار هم قرار دادن نتایج حاصل از این فعالیت ها و فرآوری آنها، توصیف نماییم.

هدف اصلی زیست شناسی سامانه‌ها مدلسازی موجودات زنده است. زیست­شناسی سامانه‌ها به جای آزمایش و بررسی خصوصیات بخش­های جدا شده یک سلول یا موجود، ساختار و دینامیک کل سلول و کل موجود را بررسی می‌کند.دلیل اصلی محبوبیت زیست شناسی سامانه‌ها در سال­های اخیر، پیشرفت سریع زیست شناسی مولکولی خصوصاً در ژنومیکس، پروتئومیکس و حجم وسیع اندازه‌گیری‌های دقیق و پرسرعت می‌باشد که به دانشمندان توانایی جمع‌آوری مجموعه‌هایی از داده‌های جامع مربوط به سازوکارهای بنیادی رشد و پاسخ موجودات زنده به شرایط نامساعد را می‌دهد.ابزارهای جدید و پربازده ژنومیکس، به دانشمندان این امکان را داده است تا به طور هدفمند و سازمان یافته، سامانه‌های زیستی را هنگام عمل دستکاری یا کنترل نمایند. به دلیل فزونی اطلاعات حاصل از این رهیافت­های جدید، تحقیقات زیست شناسی، امروزه بیش از پیش به علوم اطلاعات متکی شده است. برهمکنش بین زیست شناسی مولکولی و علوم اطلاعات به تعیین اینکه چه نوع اندازه‌گیری و آزمایش تحلیلی نیاز می‌باشد، کمک می‌نماید. تشخیص صحیح برهمکنش­ها نیازمند اندازه‌گیری در شرایط مختلف و نتیجه گیری براساس مدلی است که این برهمکنش­ها را توضیح می‌دهد. متخصصان کامپیوتر می‌توانند به زیست شناسان در طراحی آزمایش‌ها، تکرار نتایج و مدل سازی برهمکنش ها کمک نمایند ولی در ابتدا باید به درک متقابلی برسند. متاسفانه در بسیاری موارد مدل­های ریاضی که توسط ریاضی دانان ارائه می‌شود یا برنامه‌های تحلیلی که توسط متخصصان رایانه تهیه می‌شود، مورد استقبال زیست شناسان قرار نمی‌گیرد. سوال این است که چرا نظریات زیستی باید با داده‌های واقعی آزمون شوند و نه با محاسبات عددی؟ علی‌رغم مشکلاتی که در تفکر متخصصان رایانه و علوم ریاضی نسبت به زیست شناسان وجود دارد تاکنون چندین طرح موفق در مدلسازی مسیرهای بیوشیمیایی، مدل­های رشد و توسعه موجودات زنده اجرا شده است که امید می‌رود با ادامه این روند، شاهد انقلاب دیگری در علوم زیستی به واسطه دستاوردهای زیست شناسی سامانه‌ها باشیم. در طی هر انقلاب علمی، دانشمندان ابزار جدیدی به کار برده اند که در حال حاضر این ابزار جدید دانشمندان در زیست شناسی سامانه‌ها، ریاضیات می‌باشد. زیست شناسی سامانه‌های متابولیک جنبه دیگری از این مطالعات در علوم زیستی است که در آن هدف بهره برداری از مجموعه جامعی از داده‌ها برای توصیف متابولیسم یک موجود مدل می باشد. با استفاده از این مدل، می‌توان متابولیسم موجود زنده را به طور قابل پیش بینی مهندسی کرد. بهره‌برداری از گیاهان و افزایش تولید غذا با استفاده از این رهیافت جدید، آنچنان مهیج است که می‌تواند به رشد سریع زیست شناسی سامانه‌ها بیانجامد. حال که با تحول تحقیقات علوم زیستی، داده‌های فراوانی از طریق روش­های مختلف در پایگاه‌های داده‌ها جمع‌آوری و نگهداری می‌شوند، به ابزاری مناسب برای استخراج اطلاعات کارآمد و مفید از این داده‌های خام نیاز است. ابزارهای مدلسازی به ما در پروراندن ایده‌های نظری و فرضیات با استفاده از داده‌های خامی که در پایگاه‌های داده‌ها نگهداری می‌شوند، کمک می‌کنند .نرم‌افزارهای عمومی Mathematica و Matlab در حل مسائل عددی و تحلیلی ریاضی و مشاهده نتایج به صورت انواع نمودار و شکل‌های متنوع، ابزار کارآمدی می‌باشند.

به طور كلي دانش سيستم بيولوژي بر سه پايه اصلي استوار است:

• جمع آوري و ادغام داده هاي آزمايشگاهي
• پردازش داده ها
• مدل سازي
• موضوعات اصلي در سيستم بيولوژي شامل آناليز شبكه هاي مختلف است كه مهمترين اين شبكه ها عبارتند از :
• شبكه هاي ژني
• شبكه هاي برهمكنش پروتئين ها
• شبكه هاي متابوليسمي
• شبكه هاي سيگنالي

واضح است كه براي مدل سازي هر كدام از اين شبكه ها با توجه به ويژگي هاي كه هر كدام از آن ها دارند از روش ها و الگوريتم هاي خاصي استفاده مي شود ولي آن چه مهم است اين است كه در نهايت هدف سيستم بيولوژي رسيدن به يك مدل واحد و كشف ارتباطات بين اين شبكه ها و نقش آن ها در حيات سلول ، ارتباط بين سلول ها و شرايط محيطي و در نهايت پاسخ موجود به تغييرات محيطي است.

سیستم بیولوژی و داروسازی

يكي از كاربرد هاي اصلي اين رشته كه امروزه هزينه ها و تمركز زيادي را به خود اختصاص داده است، استفاده از سيتم بيولوژي در مدل سازي اثر دارو ها در سلول هاي هدف و ميسر هاي بيوشيميايي درگير است. دانشمندان اميدوارند كه در آينده نزديك با مدل سازي هاي دقيق تر بتوانند دارو هاي اختصاصي تر با اثرات جانبي كمتر و بهينه را طراحي كنند. به عنوان مثال نشان داده شده است كه گيرنده فاكتور رشد اپيدرمال كه امروزه مورد هدف بسياري از دارو هاي جديد سرطان است، متعلق به يك خانواده است كه چهار نوع از انواع گيرنده هاي هم خانواده را شامل مي شود. نشان داده شده است كه اين گيرنده ها توسط 30 بر همكنش مختلف با مولكول هاي متفاوت تحريك مي شوند. فلذا اين بر همكنش پيچيده ايجاب مي نمايد كه دياگرام و طرحي از نحوه ي عملكرد اين مولكول ها و نقش هر كدام از آن ها را داشته باشيم. در اين صورت براحتي و با هزينه كم مي توانيم اثر هر نوع دارويي را كه طراحي مي كنيم در نحوه عملكرد اين تركيب پيچيده پيش بيني كنيم. بعلاوه مدل هاي كه توسط سيستم بيولوژي طراحي مي شوند اين امكان را فراهم مي كنند كه واكنش سلول و مسير هاي بيوشيميايي آن را نسبت به شرايط محيطي كه نمي توان براحتي در آزمايشگاه مطالعه كرد را آناليز كنيم.