کامپیوتر در علوم زیستی

چكيده
هزاران سال است كه بشر از فعاليتهاي زيست شيميايي موجودات زنده بهره‌برداري مي‌كند و در نتيجه زيست تكنولوژي تا حد زيادي مديون كارهاي نوين است . دانش نوظهور زيست، تكنولوژي را بصورت كاربرد خواص زيستي جانوران و يا فرايندهاي گوناگون در صنايع توليدي يا خدماتي تعريف مي‌كند.

استفاده از علوم گوناگون زيستي به نفع بشريت اغلب از نوآوريهاي اخير تصور مي‌شود ولي درك عميق مكانيسم و كنترل تبديلات زيست شيميايي موجود را ميسر مي‌سازد .
توانايي بشر در تغيير ويژگي جانداران به روش خاص دستكاري ژنها است و زيربناي شاخه‌هاي مختلف علوم زيستي تكنولوژي (ژنتيك) ، ابداع روشهاي جديد ژني است كه امكان هدايت جانداران را به انجام تبديلات خاص و يا توليد محصولات معين فراهم مي‌كند .

و كاربرد تكنولوژي كه سمبل آن كامپيوتر است در بررسي و به ثمر رساندن يافته‌هاي تئوري و مشاهده‌اي متخصصين اين علوم به ذخيره و بازيابي ومقايسه وبه اشتراك گذاشتن اطلاعات دريافتي نقش بسزايي در پيشرفتهاي شگرف دارد .

استفاده مداوم از يك منبع همچنين بستگي به اثرات وارده از استخراج آن بر محيط زيست دارد حتي اگر تهيه يك منبع از نظر اقتصادي به صرفه باشد استفاده از آن با توجه به بررسيهاي مختلف شاخه‌هاي علوم زيستي در خصوص نقش آن بر ژن و چه تأثير آ‌ن بر اكولوژي محيط زيستي و چه در رشد و بقاي جانداران ، ممكن است حداقل و گاهي حذف شود .

پس تعريف يك منبع و موارد دسترسي به منابع بستگي به تغييرات تكنولوژيكي و اقتصادي و اثرات بررسي شده آن و اثرات منتجه از بهره‌برداري آن بر محيط زيست را دارد .
بطور عملي آنچه در بقاي محيط زيست حائز اهميت است كه استفاده اقتصادي از تمامي جنبه‌هاي مختلف علوم زيستي را قابل دسترسي و براي بهره‌برداري با هزينه‌هاي منطقي ميسر سازد .

مقدمه
حذف علوم زيستي نوينه درك و توجيه خصوصيات موجودات زنده بر حسب ساختار عناصر تشكيل‌دهنده آنها است و علوم زيستي از مهم‌ترين مباحث مورد تحقيق و بررسي كنگره‌ها و مجامع علمي است زيرا تأثير آنها در بهبود شرايط حيات و تداوم بقاي موجودات زنده از اهميت بسزايي برخوردار است .
در اين راستا كتب و مقالات علمي بسياري به نگارش درآمده و گردهمايي‌هاي زيادي در ارتباط متقابل بين اين علوم باعلوم ديگر و بخشهاي متفاوت بين آنها ارائه گرديده است .

با توجه به حجم بالاي اين اطلاعات و نياز به دسترسي سريع به آنها استفاده از ابزار رسانه‌اي جديد كه بتواند با ذخيره‌سازي و اطلاع رساني سريع اين مهم را بر عهده گيرد بسيار حائز اهميت است .
رايانه ابزاري قدرتمند براي تحقق آن است و با پيشرفت تكنولوژي روز دنيا دسترسي به شبكه گسترده وسيع اينترنت نيز دسترسي سريع و بروز و نوين را تسهيل نموده است .
نرم‌افزارهاي كاربردي علوم زيستي كه با تحقيق و تفحص دانشمندان متخصص ارائه گرديده است كمك شاياني به روند تكاملي و رو به گسترش شاخه‌ها وزمينه‌هاي مختلف بررسي‌ها و نتايج صاحبنظران نموده است و با اطمينان مي‌توان گفت كه با ادامه تحقيقات و ارائه نرم‌افزارهاي جديد توصيفي ، انسان خواهد توانست ويژگي‌هاي اساسي تشكيل‌دهنده حيات را بطور كامل تشريح نمايد.

كاربرد گسترده كامپيوتر در علوم زيستي
اطلاعات تكنولوژي درباره كاربرد نرم افزارها، كه سبب افزايش حجم اطلاعات و سرعت اطلاع رساني شده است، علوم زيستي را دگرگون كرده است. اين مقاله مختصري است از برخي پيشرفتهاي بيولوژيكي در عقايدي كه براي اين علوم محوريت دارد. همچنين درك خواهيم كرد كه كاربرد وسيع كامپيوتر چه نقش بزرگي را براي پيشرفت علوم زيستي باز مي كند.

مقالات اين نشريه بيشتر از جعبه IBM و ژورنال همراه آن، استخراج شده و شرحي است از تحقيقات و پيشرفتهاي تكنولوژي كه منجر به فهم بهتر است ملكولي حيات شده و در نهايت به درمان بيماريها و بهبود شرايط انساني مي انجامد
چه چيزي ما را تبديل به انسان مي كند؟ ژنوم هر انسان مواد ژنتيكي است كه صفات انسان از آن ناشي مي شود ژنوم شامل ۲۳ جفت كروموزم است كه از ملكولهاي لزاكسي رمپوئوكلينك اسيد (DNA) تشكيل يافته اند.

ملكولهاي DNA يك مارپيچ مضاعف شده را شكل ميدهد كه مانند يك نردبان پيچ خورده به نظر مي رسد. تركيب ملكولهاي قند و فسفات نرده هاي نردباني را شكل مي دهد كه پله هاي آن بازهاي آلي هستند. بازهاي آلي نوكلئوتيدها ۴ نوع اصلي هستند: گوانين ،‌آنين ،‌سترزين و تيمين كه با علائم اختصاري T,C.A.G نشان داده مي شود.
در هر پله يك زوج باز آلي وجود دارد كه به صورت G-C ( يا ) C-G يا T-A يا A-T وجود دارد. ژنوم انسان شامل حدود ۳ ميليون جفت باز مي باشد كه همان پله هاي نردباني مي باشد. DnA موجود در سلولهاي بدن انسان تقريباً مشابه است. كدهاي DNA در ژنوم انسان همان اطلاعاتي هستند كه ما را به انسان تبديل مي كنند.

اني كدها اطلاعاتي را فراهم مي كنند كه بدن ما را به عنوان جنين شكل مي دهد و عملكردهاي بيولوژيكي ها را در طول زندگي كنترل مي كند. در فوريه ۲۰۰۱ ژورنالهاي علوم و طبيعت هر دو مقالاتيرا درباره ژنوم انسان منتشر كردند كه موفقيتهاي انسان در كامل كردن اولين طرح كامل توالي DNA (نقشه ژني انسان) در آن توصيف شده بود. البته كار سنگين تر و با ارزش تر تجزيه و تحليل و استفاده از اين اطلاعات مي باشد و با پيشرفت بيشتر تكنولوژي به كار گيري آن در شناخت ژنوم گونه هاي گياهي و جانوري مي باشد.

اين مقاله براي نخستين بار خلاصه اي از پيشرفتهاي زيست شناسي و عقايدي كه سهم بسزائي در پيشرفت اين علم داشته اند را ارائه مي كند. سپس درون آن مقالاتي از سيستم ژورنالهاي IBM و نشريه همراه IBM در باره اين پيشرفتها بيان مي شود. دورنماي پيشرفتهاي علوم زيستي و عقايدي كه پيرامون شيمي سلول و محيط درون آن شكل گرفته با DNA شروع مي شود و به طرف پروتئين ها و داروها كشيده مي شود، بايد از نقش اساسي كاربرد نرم افزارها، ابزار آلات ، وسايل مطالعات فراساختاري و … كه نقش اساسي و پيشرفت علوم زيستي داشته اند، غافل نماند و بهمين منظور تاريخچه اي از آن ذكر ميشود.

تصوير ۱: بيانگرتجلي ژنهاست. همچنين تاخوردگي پروتئينها و داروهائي كه مراحل بيوشيميائي را كوتاه مي كنند.
واژه هاي به كار رفته در مقاله در ارتباط است با انواع نرم افزارهاي به كار رفته براي اين تجزيه و تحليل ها و ترتيب به كارگيري آنها، كدهاي ژنتيكي موجود در DNA با توجه به ترتيب اسيدهاي آمينه انواع پروتئينهارا ايجاد مي كند. اين اسيدهاي آمينه پشت سر هم پيچ و خم مي يابد ، تا مي خورد و ساختمان سه بعدي خاصي را ايجاد ميكند كه ارتباط آن را مي رساند. داروها با پروتئينها واكنش ميدهد و روي عملكرد آنها اثر مي كند و اغلب نوعي پيوند با بخشي از جايگاه پروتئين ايجاد مي كند كه مانع توانائي پروتئين در انجام وظيفه طبيعي اش مي شود.

كاربرد گسترده نرم افزارهاي كامپيوتري ، براي ديناميك ملكولها،‌(MD) ، شيمي كوانتوم (QC) و ارتباطات ساختماني (QSAn) به مطالعه اين سيستم هاي ملكولي كمك نموده اند ..
ژنها و پروتئينها: تقريباً هر يك از اعضاي يك گونه مقدار مساوي DNA دارد. اما سه ميليون جفت باز آلي كه ژنوم انسان را شكل مي دهد، فقط در حدود ۱% پروتئينها را، كد
مي كند. تنوع اعضاي مختلف يك گونه به دليل تفاوتهاي كم اهميت در DNA آنها رخ ميدهد. براي انسانها اين تفاوت ناشي از يك جفت باز از هر ۱۳۰۰ تا مي باشد. يا درباره ۱% از يك درصدي كه پروتئينها راكد مي كند.

براي نمايش كل اطلاعات ژنتيكي يك فرد چه تعداد ديسك لازم است؟
از آنجائيكه بازهاي آلي هر پيچ DNA در قطعه جا مي گيرد بنابراين ۲ ميليون جفت باز مي تواند ذخيره شود در نزديك به ۷۵۰ مگابايت ( فقط براي نواحي كد كننده پروتئينها) و اگر فقط اطلاعات موجود روي كروموزمهاي جنسي ذخيره شوند، نتيجه مي تواند جاسازي شود در ۵/۷ كيلوبايت . سرانجام و خيلي مهم اينكه هر يك از ما ۲ كپي از ژنوم انسان در سلولهاي خود داريم. يكي از پدر و ديگري از مادر كه جفت كروموزمهاي ما را شكل مي دهد. و براي اين مقدار ما نياز داريم به ۱۵ كيلوبايت .

البته موقعيت از اين پيچيده تر است. براي مثال چندين بيماري وجود دارد كه در آن بخشهائي از مواد ژنتيكي براي پروتئينها S نمي شود. اما اگر DNA در يك موجود زنده اطلاعاتي را كد مي كند كه دستگاههاي درون سلول از ان براي ساختن پروتئين استفاده مي كنند. در مقابل DNA كه اطلاعات لازم براي ساختن پروتئين هاست، پروتئينها ملكولهايي هستند كه عملكرد روزانه سلول را بيرون مي برند. فعاليت پروتئينها اعمالي نظير: جنبشهاي متابوليسمي،

جفت شدن سلولها،‌انتقال سيگنال از يك سلول به ديگري و توليد مثل سلولي را در بر مي گيرد. هر يك از بخشهاي كنترل كننده ژنوم در زمانهاي بخصوصي براي توليد پروتئينهاي مخصوصي و متفاوت فعال است. پروتئينها زنجيرهاي طويلي هستند كه واحد ساختماني آنها از ۲۰ نوع امينو اسيد مي باشد. دستور و نحوه قرار گيري آمينو اسيدها نهايتاً ساختمان سه بعدي و عملكرد بيولوژيكي پروتئينها را تعيين مي كند.

اگر چه DNA در سلولهاي مختلف بدن مشابه است، تفاوتهاي آشكاري بين سلولهاي بينايي، عصبي و سلولهاي كبد وجود دارد .
اين چگونه ممكن است در حاليكه هر سلول همان DNA را دارد؟ جواب در اين حقيقت نهفته است كه اين سلولها تركيبات مختلفي از پروتئينها را درون خود دارند.

اين سلولها بدليل تجلي متفاوتي از ژنها ايجاد مي شوند. تفاوت در بخشهائي از همان ژنوم – در هر نوع از سلولها. تجلي ژنها مرحله اي است از استفاده از اطلاعات كد شده در DNA براي ساختن يك واحد سازنده آن آمينو اسيد مي باشد. نوع ژنهايي كه تجلي مي يابند نه فقط از اين يك نوع سلول به ديگري متفاوت است بلكه به عواملي مانند: سن سلول و فشارها يا بيماريهائي كه ممكن است در آن وجود داشته باشد وابسته است. تجلي ژنها متشكل از چندين مرحله در واسط از ايجاد ملكولهاي RNA بنام mrna ( RNA پيامبر) ميباشد.

مراحل كپي برداري از DNA براي ساختن mRNA ترانس كريپت ناميده مي شود. آزمايشاتي براي تسخير و تجزيه MRNA در سلول انجام گرفته كه محصولات تجلي ژنها را نشان مي دهد. استفاده از تنظيم تجلي ژنها در حال رايج شدن است بخصوص در تعدادي از مؤسسات تحقيقات بيولوژيك . در آينده اين تكنولوژي احتمالاً يك كليد تشكيل دهنده تشخيصهاي پزشكي و حتي درمانهاي فردي مي باشد كه با درمانهاي داروئي يا داروهائي متناسب با آزمايش ژنتيكي فرد و شرايط پزشكي از تطبق مي كند.

هنگامي كه اطلاعات ژنتيكي بيان مي شود MRNA توليد شده ، به ساختمانهاي سلولي خاصي بنام ديپوزدم منتقل مي شود. ديپوزدم يك جايگاه توليد سلولي است كه در اينها آمينو اسيد را درون پروتئين انباشته مي كند، دستور قرار گيري آمينو اسيدها در هر ملكول پروتئين به وسيله mRNA تعيين مي شود، به وسيله آنچه كه كد ژنتيكي نام دارد. همچنانكه در بالا توضيح داده شد بازهاي آلي نوكلوتيدهاي DNA شامل بازهايي نظير T,A,C,G مي باشد.

اينها همانند ۴ حرف الفبا مي توانند كلمات سه حرفي ايجاد كنند. ۴ كلمه سه حرفي ممكن است وجود داشته باشد كه از ۴ حرف الفباشكل مي گيرد. هر يكاز اين كلمات از طريق كدهاي ژنتيكي يا يكي از ۲۰ نوع آمينو اسيد ارتباط دارند (بعضي از آمينو اسيدها با بيش از يك كلمه سه حرفي ارتباط دارند و بعضي كلمات به عنوان يك نشانه عمل مي كنند) در سالمترين ديدگاه به ما گفته مي شود كه هز ژن از نظر محتواي ژنتيكي شامل اطلاعاتي براي پروتئينهاي بخصوصي ديگري كنترل ميشود كه تغييرات را كنترل مي كند .

تعداد زيادي از دانشمندان پذيرته اند كه بين ۲۵۰۰۰ تا ۴۰۰۰۰ پروتئين وجود دارد و بعضي قبول دارند كه تعداد پروتئين ها تكيه مي كنند بر پروتئينهاي ديگري براي تجلي خودشان . بعضي از پروتئينها كمك مي كنند تا خوردگي ديگر پروتئينها . پروتئينهائي وجود دارند كه واقعاً دوبله مي شوند (پروتئين زوج مي شود از بعضي ژنهاي ياقي بيش از دو تا . بهمان اندازه كه دورنماي توصيف ژنوم مشكل است مي بينيم كه توصيف چهره پروتئينها مشكل تر
مي‌باشد.

انتخاب پروتئينهائي كه از يك ژن معلوم ساخته مي شود به وسيله پروتئينهاي ديگري كنترل ميشود. شماره اين پروتئينها براي ژنوم انسان از ۵۰۰۰ تا ۴۰۰۰۰ مي باشد. مقداري از دانشمندان اكنون باوردارند كه پروتئينها مي تواند بيش از ۱ ميليون باشد.
مطالعه پروتئينهاي ويژه ، مسيرهاي شيميائي كه آنها را در بر مي گيرد و فعاليتهاي آنها يك بخش كليدي را در مطالعات بيوشيميايي ملكولهاي زيستي شكل مي دهد.

اما مطالعه تمام مجموعه هاي پروتئيني در سلول و پيچيدگي روابط آنها ، يك رشته پويا و كاملاً قابل درك مي باشد. پروتئينها عملكردشان را به طور گسترده ا به ساختارهاي بعدي خود مديون هستند كه شكل پيچيده اي يافته اند. اين اشكال به پروتئينها اجازه مي دهد كه بطور مطلوبي با هم تركيب شود.

بعنوان مثال هنگام ارتباط متقابل پروتئين ها، بنابر اني به منظور درك عملكرد پروتئينها ما دوست داريم اطلاعات كاملي بدست آوريم ارتباط جايگاههاي اتمها در ملكولهاي پروتئيني . دو تا از معمولي ترين ابزار تجربي را براي قادر ساختن ما به تحليل اطلاعات اتمي ساختار و پروتئينها ، اسپكتروسكپي با اشعه X و اسپكتروسكپي رزنانس مغناطيسي (NMR)

مي‌باشد. به طور معمول شناسائي سطح اتمها فقط درباره صدر ۱۵۰۰۰ پروتئين ميسر
مي‌باشد. اين پرتئينها پروتئينهايي هستند كه تعدادي از ارگانيسمهائي را شكل مي دهند كه همه آنها مربوط به انسان نمي باشد. اسپكتروسكپي با اشعه X خيلي متداول مي باشد. قابليت تكثير بالا و روشهاي برگزينده توسط دانشمندان به طور معمول اطلاعات مربوط به ساختمان سه بعدي پروتئينها را بيان مي كند. اما توليد دينانسهاي اتمي به وسيله تكنيكهاي اشعه X مدت زيادي را در بر مي گيرد. بعضي از پروتئين ها نمي توانند به طور كامل كريستاليزه شوند و بعضي فقط تحت شرايط آزامايشي بخصوص كريستاليزه

مي‌شوند. با وجود اينكه پروتئينها به سختي كريستاليزه مي شوند رده هاي كاملي از پروتئينها شناسائي شده نظير پروتئينهاي غشاء و ساير رشته هاي پروتئيني كه بطور گسترده اي توسط مطالعات اشعه X انجام شده . شرايط بخصوص كريستاليزه شدن : PH و در جه حرارت و ساير عوامل خاص پروتئيني نيست .

بهر حال آزمايشات مي تواند ارائه روشهاي بدون ابهام مشكل باشد. تعدادي از پروتئينهاي متراكم و رسوبات غليظ براي اين تكنيك مناسب هستند. بعلاوه حتي اگر پروتئينها به اندازه كافي محلول باشند، تفسير تجزيه NMR از پروتئينهاي درشت مشكل يا غير ممكن مي باشد.
از آنجائيكه تعداد زيادي از تواييهاي آمينو اسيد قابل دسترسي است به عنوان يك توليد مهم از طرح و از آنجا ئيكه آزمايشات تعيين ساختمان كامل پروتئينها بسيار مشكل است

دو تا از مهمترين طرحهاي رايج امروزي عبارتند از :
۱) تعيين ساختمان سه بعدي پروتئينها و تعيين دقيق توالي آمينو اسيدها.
۲) مراحلي كه توسط آنها پروتئينها شكل مي گيرند و براي وظايفشان متناسب مي شوند.

اين ۲ طرح اغلب ناميده ميشود «طرح پيچ خوردگي پروتئينها» كه تشكيل ميدهد بدنه اصلي يك مبارزه جدي تحقيقاتي را كه مرا به مدت ۵۰ سال به خودش مشغول و علاقمند نموده است. و اين علاقه اخيراً به دليل كاربرد گسترده سيستمهاي كامپيوتري تشديد شده است . براي تهيه بهترين مدلهاي پروتئيني ، قابل آزمايش ترين دايوها و تهيه مقادير بي شماري از نقشه هاي ژنوم انساني .

پيشرفتهاي ژنتيكي
يكي از فوائدي كه اميدواريم كسب كنيم از بررسي ژنوم انسان توانائي علاج بيماريهاي انساني مي باشد . داروها به عنوان واكنش دهنده با پرتئينهائي عمل مي كنند كه خودشان از بعضي جنبه ها با بيماريها و امراض درگير ميشوند. براي مثال ، يك دارو ممكن است اثر يك پروتئين ضروري را براي ترانسفورماسيون ويروسها كاهش دهد و اثر پروتئيني را كه به سيستم ايمني سلولها براي مبارزه با بيماريها كمك مي كند افزايش دهد.

مرحله كليدي در مبارزه با بيماريها و پيشرفت داروها، شناسائي و انتخاب پروتئينها ئي است كه به عنوان هدف داروها مي باشند. اين مرحله معمولاً مربوط مي شود به جايگاههاي ملكولي بسيار كوچكي كه در مسير بيماري، با ميكروبها درگير ميشوند، از ميان پروتئينهايي كه وارد مسير مي شوند، يك داروي هدف انتخاب مي شوند،

يك داروي هدف انتخاب مي شود و مشخص مي گردد. هدفها نبايد فقط روي نقاط بحراني مسير بيماري باشند بلكه بايد بتوانند وارد عمل شده و به ملكولهاي دارو بپيوندند. (شناسائي هدف – انتخاب هدف و درستي هدف).
ژنومها- بيان تجلي ژني و تمام وابستگيهاي زماني و مديريت تكنولوژي بطور مشابهي به كار گرفته مي شوند براي داشتن بيشترين اثر .

از آنجائيكه هدفهاي داروئي يك يا بيش از يكي هستند، مرحله بعدي در پيشرفت داروئي ، شناسائي تعاريف مهم و بهينه سازي آن مي باشد. طي اين مراحل تعدادي از اين ملكولها براي تعيين مهمترين آنها ، براي واكنش با يك يا بيشتر هدف بالقوه جدا مي شوند. ملكولهائي كه يك درجه موثر از واكنش با سلول هدف را نشان مي دهند، تركيبات پيشرو و يا به سادگي پيشرو ناميده مي شود.
بيشتر شركتهاي داروسازي بر اين اساس ميليونها دارو ساخته اند طي ساليان گذشته.