بیوانفورماتیک | چیستی، تاریخچه، اهداف، ابزار و کاربردها جدیدترین‌های 1403

احتمالاً تابه‌حال این سؤال برایتان پیش آمده است که بیوانفورماتیک چیست و چه کاربردی دارد؟ یا اینکه ابزارهای پرکاربرد در بیوانفورماتیک چه ابزارهایی هستند؟ بیوانفورماتیک، علم کاربرد روش‌های محاسباتی برای تجزیه و تحلیل داده‌های بیولوژیکی، مانند توالی‌های DNA، ساختارهای پروتئینی، بیان ژن و مسیرهای متابولیک است.  بیوانفورماتیک، علومی مانند زیست‌شناسی، علوم کامپیوتر، ریاضیات و آمار را برای حل مسائل پیچیده بیولوژیکی و کشف بینش‌های جدید در مورد زندگی یا حتی تولید محصولات زیستی و صنعتی مانند داروها، ترکیب می‌کند.  در این مقاله از مجلة بیوزوم، برخی از موضوعات و کاربردهای اصلی بیوانفورماتیک، ابزارهای کاربردی، پایگاه‌های داده و همچنین وب‌سایت‌های آموزشی مفید در حوزه بیوانفورماتیک را معرفی خواهیم کرد. در پایان این مطلب، درک بهتری از چیستی بیوانفورماتیک، اهمیت آن در زندگی روزمره و تأثیر آن بر علم، جامعه و صنعت خواهید داشت. تا انتهای این مقاله از مجله بیوزوم همراه ما باشید.

بیوانفورماتیک چیست؟

بیوانفورماتیک، یک حوزه علمی نوظهور و میان‌رشته‌ای است که از فناوری اطلاعات برای تفسیر پدیده‌های زیستی استفاده می‌کند. این رشته، با استفاده از ابزارها و روش‌های محاسباتی، داده‌های بیولوژیکی بزرگ را مدیریت، تجزیه‌وتحلیل و هدایت می‌کند. بیوانفورماتیک می‌تواند به‌عنوان یک زیرمجموعه از زیست‌شناسی محاسباتی مطرح شود که در آن با استفاده از تکنیک‌های تحلیلی کمی، مدل‌سازی و حل مسائل زیستی انجام می‌شود. بیوانفورماتیک یک رویکرد ترکیبی است که به دانش پیشرفته در علوم کامپیوتر، ریاضیات و روش‌های آماری برای تفسیر پدیده‌های زیستی در سطح مولکولی و حتی در سطوح کلان‌تر زیستی، نیاز دارد. به این سؤال پاسخ دادیم که بیوانفورماتیک چیست؟ در بخش بعدی کمی در خصوص تاریخچه این علم نوظهور صحبت خواهیم کرد.

تاریخچه بیوانفورماتیک

بیوانفورماتیک که در دهه ۱۹۶۰ شکل گرفت، از روش‌های محاسباتی برای آنالیز ساختار پروتئین‌ها استفاده کرد. با پیشرفت‌های هم‌زمان در زیست‌شناسی مولکولی و علوم کامپیوتر، آنالیز  DNA نیز ساده‌تر شد. این پیشرفت‌ها شامل توانایی بیشتر برای دست‌کاری توالی DNA، و ظهور رایانه‌های کوچک با نرم‌افزارهای جدید و مناسب برای کارهای بیوانفورماتیک بود. اصطلاح بیوانفورماتیک برای اولین بار در دهه ۱۹۹۰ معرفی شد. این علم، با مدیریت و آنالیز داده‌های مربوط به توالی DNA، RNA و پروتئین رابطه تنگاتنگی دارد.

با افزایش سریع تولید داده‌های بیولوژیکی، حضور بیوانفورماتیک برای مدیریت و تفسیر این داده‌ها ضروری شده است. این حوزه علمی اکنون شامل انواع متنوعی از داده‌های بیولوژیکی است. پایگاه اطلاعاتی اولیه بیوانفورماتیکی/ بیولوژیکی در چند سال پس از اولین توالی‌های پروتئینی ایجاد شد. اولین توالی پروتئین که گزارش شد، انسولین گاوی بود که در سال ۱۹۵۶ و با ۵۱ اسیدآمینه تشکیل شده بود. حدود یک دهه بعد، اولین توالی‌یابی اسیدنوکلئیکی که گزارش شد، tRNA آلانین مخمر با ۷۷ باز بود. فقط یک سال بعد، مارگارت دیلوف، یک شیمی – فیزیک‌دان آمریکایی، تمام داده‌های توالی‌های موجود را جمع‌آوری کرد تا اولین پایگاه‌داده بیوانفورماتیک را ایجاد کند. پروتئین Data Bank در سال ۱۹۷۲ با جمع‌آوری ده پروتئین کریستالوگرافی شده با اشعه ایکس پایه‌ریزی شد و در سال ۱۹۸۷، اولین پایگاه‌داده توالی پروتئین با نام The SWISS PROT تأسیس شد.

داده‌ها و اطلاعات در بیوانفورماتیک

بیوانفورماتیک، از داده‌های بیولوژیکی گسترده‌ای مانند توالی‌های  DNA، توالی‌های پروتئین، ساختارهای سه‌بعدی مولکول‌ها و تعاملات بین مولکول‌ها، استفاده می‌کند. این داده‌ها می‌توانند از مطالعات ترنسکرپتومیکس (Transcriptomics) که الگوی تولید RNA از DNA را مشخص می‌کند، پروتئومیکس (Proteomics) که توزیع پروتئین در سلول‌ها را نشان می‌دهد، اینترکتومیکس (Interactomics) که تعاملات بین پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک را مشخص می‌کند و متابولومیکس (Metabolomics) که ترافیک مولکول‌های کوچک در مسیرهای بیوشیمیایی فعال در سلول‌ها را تعیین می‌کند، حاصل شوند. هدف از این تحقیقات، دستیابی به داده‌های دقیق و جامع برای انواع خاصی از سلول‌ها و شناسایی الگوهای تغییر و تحول در داده‌ها است.

به‌عنوان‌مثال، بسته به نوع سلول، زمان جمع‌آوری اطلاعات، مرحله رشد و شرایط محیطی مختلف، داده‌ها ممکن است تغییر کنند. بیوانفورماتیک به‌سرعت باعث پیشرفت فرایندهای تولید داده در زیست‌شناسی شده است. روش‌های تعیین توالی ژنوم از بزرگ‌ترین شواهد این پیشرفت به شمار می‌روند. در سال ۱۹۹۹، بایگانی توالی اسیدنوکلئیک حاوی ۳/۵ میلیارد نوکلئوتید بود که کمی بیشتر از طول یک ژنوم انسانی است. طی گذشت یک دهه، این اطلاعات به بیش از ۲۸۳ میلیارد نوکلئوتید افزایش یافت که طولی به‌اندازه ۹۵ عدد ژنوم انسانی است.

ذخیره‌سازی و بازگردانی داده‌ها

بیوانفورماتیک از سیستم‌های پایگاه‌داده (Data Base) برای نگهداری و سازماندهی اطلاعات استفاده می‌کند، و پژوهشگران توالی‌های DNA و RNA را از پایگاه های داده‌ای که شامل مقالات علمی و پروژه‌های ژنومی هستند، استخراج می‌کنند. بسیاری از این پایگاه‌های اطلاعاتی تحت سرپرستی گروه‌های بین‌المللی قرار دارند. به‌عنوان نمونه، یک کمیته مشاوره‌ای شامل اعضای بانک اطلاعاتی توالی نوکلئوتیدی آزمایشگاه زیست‌شناسی مولکولی اروپا (EMBL-Bank) در انگلستان، بانک داده DNA ژاپن (DDBJ)، و GenBank از مرکز ملی اطلاعات بیوتکنولوژی در ایالات متحده (NCBI) بر «تعامل بین‌المللی بانک اطلاعات توالی نوکلئوتیدی» (INSDC) نظارت می‌کنند.

برای اطمینان از دسترسی عمومی و رایگان به داده‌های توالی‌یابی، مجلات علمی می‌بایست توالی‌های نوکلئوتیدی جدید را به‌عنوان یکی از شرایط انتشار مقالات در یک پایگاه‌داده عمومی قرار دهند. این شرایط برای ساختارهای پروتئینی نیز صادق است. همچنین، مرورگرهای ژنوم وجود دارند که تمام اطلاعات ژنومی و مولکولی مربوط به یک‌گونه خاص را در یک مکان جمع‌آوری می‌کنند. بانک اطلاعات پروتئین که یک پایگاه‌داده برای ساختارهای ماکرومولکولی بیولوژیکی در سراسر جهان است، نتیجه همکاری مشترک بین تحقیقات بیوانفورماتیک ساختاری (RCSB) در ایالات متحده، بانک اطلاعات پروتئین (PDBe) در انستیتوی بیوانفورماتیک اروپا در انگلستان و بانک اطلاعات پروتئین ژاپن در دانشگاه اُساکا است.

صفحات اصلی همکار PDB شامل لینک‌هایی به فایل‌های داده، مطالب آموزشی و خبری، امکانات ذخیره‌سازی مطالب جدید و نرم‌افزارهای جستجوی تخصصی برای بازیابی ساختارها هستند. بازیابی اطلاعات از آرشیوهای داده، با استفاده از ابزارهای استاندارد برای شناسایی داده‌ها توسط کلمات کلیدی انجام می‌شود. الگوریتم‌های دیگر نیز بانک‌های داده را برای شناسایی شباهت‌های موردی در داده‌ها جستجو می‌کنند. به عنوان یک موضوع قابل‌بررسی در یک پایگاه‌داده، می‌توان استفاده از توالی ژنی یا پروتئینی خاص برای شناسایی موجودات با توالی مشابه را مثال زد.

هدف‌های علم بیوانفورماتیک

یکی از اهداف اصلی بیوانفورماتیک، ارائه الگوریتم‌هایی است که بتوانند تشابه بین توالی‌های زیستی را اندازه‌گیری کنند. الگوریتم Needleman – Wunsch  که بر پایه برنامه‌نویسی پویا استوار است، بهینه‌ترین چینش بین دو توالی را پیدا می‌کند. این الگوریتم، یک مسئله بزرگ (توالی کامل) را به زیر مسائل کوچک‌تر (قسمت‌های توالی کوتاه) می‌شکند و با استفاده از جواب‌های به‌دست‌آمده در پاسخ به ریز مسائل، جواب مسئله اصلی را محاسبه می‌کند. تشابه بین توالی‌ها در یک ماتریس امتیازدهی نشان داده می‌شوند و الگوریتم قادر است شکاف‌های احتمالی در ترازبندی توالی‌ها را شناسایی کند. الگوریتم Needleman – Wunsch ، علی‌رغم کارایی بسیار بالایی که دارد، برای جستجو در یک پایگاه‌داده توالی بزرگ بسیار زمان‌بر است.

لذا، تلاش‌های زیادی برای ابداع الگوریتم‌هایی که بتوانند با حجم زیادی از داده‌ها در مخازن توالی کار کنند، صورت‌گرفته است. یکی از این الگوریتم‌ها، برنامه BLAST یا Basic Local Alignment Search Tool است. نسخه پیشرفته‌تری از BLAST، به نام PSIBLAST یا position-specific iterated BLAST، از الگوهای مشترک در توالی‌های مرتبط بهره می‌گیرد و توانایی یافتن توالی‌های مشابه را با سرعت بالا و حساسیت زیاد دارد.

هدف دیگر بیوانفورماتیک، افزایش داده‌های آزمایشگاهی با استفاده از پیش‌بینی‌ها است. یکی از اهداف اصلی زیست‌شناسی محاسباتی، پیش‌بینی ساختار سه‌بعدی پروتئین از روی توالی اسیدآمینه آن است. پیشرفت و توسعه در روش‌های پیش‌بینی حالت پیچش پروتئین، توسط برنامه‌های ارزیابی عملکردی، مانند پیش‌بینی ساختار (CASP)، هر دو سال یک‌بار سنجیده می‌شود که شامل آزمایش‌های کور (Blinded experiment) برای ارزیابی روش‌های پیش‌بینی ساختار است. بیوانفورماتیک همچنین برای پیش‌بینی تعاملات بین پروتئین‌ها بر اساس ساختارهای اسیدآمینه‌ی آن‌ها نیز مورداستفاده قرار می‌گیرد. این نوع تحقیقات، به‌عنوان داکینگ پروتئین‌ها (Protein Docking) معروف است. مجموعه‌های پروتئین – پروتئین، سازگاری خوبی با یکدیگر در شکل و بار سطحی دارند و عمدتاً توسط تعاملات ضعیف مانند پیوندهای آب‌گریز، پیوندهای هیدروژنی و نیروهای واندروالس محکم می‌شوند.

برنامه‌های کامپیوتری، این تعاملات را برای پیش‌بینی موقعیت فضایی بهینه بین زیر واحدهای متصل‌شونده شبیه‌سازی می‌کنند. چالشی که می‌تواند دارای کاربردهای درمانی مهم باشد، طراحی آنتی‌بادی‌هایی است که با تمایل اتصال بالا به پروتئین هدف متصل می‌شوند. در ابتدا، بسیاری از تحقیقات بیوانفورماتیک، تمرکز کمتری بر الگوریتم‌هایی برای تجزیه‌وتحلیل انواع خاصی از داده‌ها، مانند توالی ژن‌ها یا ساختارهای پروتئینی داشتند. اما اکنون، اهداف بیوانفورماتیکی یکپارچه شده‌اند و مقصود آن‌ها این است که بفهمند چگونه می‌توان با ترکیب انواع مختلف داده‌ها، پدیده‌های طبیعی، مانند ارگانیسم‌ها و بیماری‌ها را بهتر درک کرد.

ابزارهای بیوانفورماتیکی کدام‌اند؟

ابزارهای کامپیوتری و اینترنتی برای یک «بیوانفورماتیست» (یک شخص که در حوزه بیوانفورماتیک تحقیق و مطالعه می‌کند) حیاتی هستند. یکی از کارهای اصلی در این زمینه، استفاده از نرم‌افزارها و پایگاه‌های داده متنوع موجود در وب برای تجزیه‌وتحلیل توالی DNA و پروتئین‌ها است. همه افراد، از پزشکان تا زیست‌شناسان مولکولی، با دسترسی به اینترنت و سایت‌های مرتبط، می‌توانند با استفاده از ابزارهای اصلی بیوانفورماتیک، ساختار مولکول‌های بیولوژیکی مانند اسیدهای نوکلئیک و پروتئین‌ها را بررسی کنند. اما این به معنی این نیست که هر کسی به‌راحتی می‌تواند داده‌های ژنومی خام را به دست آورده و تحلیل کند.

ازآنجایی‌که بیوانفورماتیک یک‌رشته مدرن و در حال تکامل است، متخصصان این حوزه ابزارهای مختلف و متنوعی برای دستیابی به مقاصد علمی و پژوهشی خود استفاده می‌کنند. یک بیوانفورماتیست به‌تنهایی، برای هر تجزیه‌وتحلیل پیچیده‌ای فراتر از فراگیری اولیه و تجزیه‌وتحلیل داده‌های ساده، نیازمند مشاوره بیوانفورماتیک خارجی است. با رشد بیوانفورماتیک و ایجاد شبکه‌های کامپیوتری، دسترسی آسان به داده‌های بیولوژیکی و توسعه برنامه‌های نرم‌افزاری برای تجزیه‌وتحلیل بدون دردسر فراهم شده است. چندین پروژه بین‌المللی با هدف ارائه پایگاه‌های داده ژنی و پروتئینی از طریق اینترنت به‌صورت رایگان در دسترس عموم جامعه علمی قرار دارند. به طور کلی و در یک نگاه، برخی از ابزارهای بیوانفورماتیکی عبارتند از:

1. تحلیل توالی
2. مدل سازی مولکولی
3. دینامیک مولکولی
4. FASTA در بیوانفورماتیک
5. آنالیز فیلوژنیک

در ادامه به معرفی هر یک از این ابزارهای مورداستفاده در حوزه بیوانفورماتیک می‌پردازیم:

معرفی ابزارهای علم بیوانفورماتیک

تحلیل توالی

تحلیل توالی، یک فرایند است که در آن توالی‌های RNA، پپتید و DNA به روش‌های تحلیلی متفاوتی مورد بررسی قرار می‌گیرند. این عملیات با هدف شناسایی منبع، تکامل و ساختار پایگاه‌های داده بیولوژیکی انجام می‌شود.

مدل‌سازی مولکولی

مدل‌سازی مولکول که از روش‌های محاسباتی و نظری برای تجزیه‌وتحلیل رفتار مولکول‌ها استفاده می‌کند، یکی از فعالیت‌های اصلی در بیوانفورماتیک است. ابزارهای بیوانفورماتیک با منبع‌باز و رایگان بهترین گزینه برای انجام این نوع مدل‌سازی با استفاده از شبیه‌سازی‌ها هستند.

دینامیک مولکولی

دینامیک مولکولی که در بیوانفورماتیک برای تعیین حرکت فیزیکی اتم‌ها استفاده می‌شود، یکی از روش‌های مهم در این حوزه است. این روش در محیط‌های سلولی و در بیوانفورماتیک ساختاری از اهمیت بالایی برخوردار است. معیارهای اندازه‌گیری استفاده شده در این روش شامل نظریه‌های نمودار، روابط پویای میان مولکولی و بررسی واکنش‌های آشفتگی اتم‌ها و مولکول‌ها است.

FASTA در بیوانفورماتیک

FASTA یک قالب متن محور در بیوانفورماتیک است که برای نمایش توالی‌های پپتید و نوکلئوتید استفاده می‌شود. بسته‌های نرم‌افزاری FASTA به‌عنوان ابزاری در بیوانفورماتیک برای تعیین توالی ترازهای پروتئین و DNA کاربرد دارند.

آنالیز فیلوژنتیک

تجزیه‌وتحلیل فیلوژنتیک در بیوانفورماتیک از ابزارهایی استفاده می‌کند که نمودارهای شاخه‌ای را برای نمایش روابط یا تاریخچه تکاملی بین ارگانیسم‌های گونه‌های متفاوت ایجاد می‌کند. این نمودارهای شاخه‌ای که به‌عنوان درختان فیلوژنتیک شناخته می‌شوند، در شناسایی ویژگی‌هایی مانند ژن‌ها، اندام‌ها و پروتئین‌ها در ارگانیسم‌ها کمک می‌کنند.

پایگاه‌های داده بیولوژیک در بیوانفورماتیک را می‌توان با تجزیه‌وتحلیل سه گروه اصلی شامل: توالی، ساختار و عملکرد شناخت. توالی‌های پروتئین‌ها و اسیدنوکلئیک‌ها در پایگاه‌های داده توالی ذخیره می‌شوند، درحالی‌که ساختارهای پروتئین و اسیدنوکلئیک‌ها در پایگاه‌های داده ساختاری قرار دارند. پایگاه‌های داده عملکردی نیز ارائه‌دهنده نقش‌های فیزیولوژیکی محصولات ژنی هستند.

بیوانفورماتیک از ابزارهای گوناگونی برای ذخیره، دسترسی، تحلیل و استفاده از داده‌های زیستی بهره می‌برد. این ابزارها شامل پایگاه‌های داده متنوعی هستند که اطلاعات مربوط به ژنوم، پروتئین، متابولیت و غیره را در اختیار عموم قرار می‌دهند. همچنین نرم‌افزارهای مختلفی وجود دارند که برای تجزیه‌وتحلیل داده‌های بیوانفورماتیکی طراحی شده‌اند. برخی از این نرم‌افزارها رایگان هستند و برخی دیگر نیاز به پرداخت هزینه دارند. در ادامه این مقاله از مجله بیوزوم، چند نمونه از پایگاه‌های داده و نرم‌افزارهای بیوانفورماتیکی را معرفی می‌کنیم. همراه باشید.

پایگاه‌های داده در بیوانفورماتیک

پایگاه‌های داده در بیوانفورماتیک نقش حیاتی دارند. این پایگاه‌ها اطلاعات ژنتیکی، پروتئینی، متابولیکی و سایر اطلاعات بیولوژیکی را ذخیره و سازماندهی می‌کنند. این اطلاعات می‌توانند در تحقیقات بالینی، توسعه دارو، کشاورزی و حفاظت از محیط‌زیست کاربرد داشته باشند. بدون پایگاه‌های داده، پردازش و تحلیل این حجم عظیم از اطلاعات ناممکن خواهد بود؛ بنابراین، پایگاه‌های داده یکی از ابزارهای اساسی بیوانفورماتیک به شمار می‌روند. در ادامه، یک تقسیم‌بندی جامع و کامل از پایگاه‌داده‌هایی که در حال حاضر موجودند، ارائه می‌دهیم. با مجله بیوزوم همراه باشید.

پایگاه‌های داده توالی نوکلئوتیدی

• Nucleotide@NCBI
• ENA@EBI
• DDBJ

پایگاه‌های داده توالی پروتئین

• PIR
• Protein@NCBI
• UniProt

پایگاه‌های داده ژنی

• Entrez Gene
• GeneCards

سرورهای پیش‌بینی ژن

• Genscan
• GeneMark
• GENEID
• آگوستوس (AUGUSTUS)
• EuGene

پایگاه‌های داده ژنوم و مرورگرها

• ENSEMBL
• مرورگر ژنوم UCSC
• فیتوزوم (Phytozome)
• Gramene
• NCBI Genome Data Viewer
• NCBI Genome
• VISTA
• GOLD – Genomes Online Database
• MITOMAP

تجزیه‌وتحلیل ژنوم

• GeneCensus
• Catalog GWAS
• UCSC Xena

پایگاه‌های داده بیان ژن

• GENT2
• GEO@NCBI
• Allen Brain Atlas
• TCGA
• Cell Miner
• Expression Atlas

پایگاه‌های داده ساختار سه‌بعدی پروتئین

• PDB
• Structure@NCBI
• PDBe@EBI
• PDBSum@EBI
• MMDB@NCBI
• BMRB
• SCOP
• CATH

پایگاه‌های داده دامین پروتئین

• InterPro
• CDD
• ProDom
• SMART
• HPA

بانک اطلاعات خانواده پروتئین‌ها

• PFam
• PROSITE
• RFam
• DFam
• TreeFam

پایگاه‌های داده برهم‌کنش پروتئین

• STRING@EMBL
• BioGRID
• STITCH@EMBL
• REACTOME
• DAVID

پایگاه‌های داده مسیرهای بیولوژیکی

• KEGG
• PathGuide
• Pathway Commons
• PhosphoSitePlus
• METscout

پایگاه‌های داده متابولیت

• HMDB
• KEGG LIGAND Database
• KNApSAcK
• LIPID MAPS
• MassBank
• MetaCyc
• METLIN

پایگاه‌های داده ژنوم باکتری‌ها

• PATRIC
• BacDive

پایگاه‌های داده ژنوم ویروس‌ها

• Viral Genomes
• GISAID
• NCBI Flu
• Plant Viruses

پایگاه‌های داده میکروبی

• ECMDB
• IMG
• LoQAtE

پایگاه‌های داده گیاهان

• PlantTFDB
• TAIR
• AraPort
• IC4R
• Oryzabase
• MaizeGDB
• SoyBase
• SGN
• CuGenDB
• GDR
• GoMapMan
• NPACT
• PGDD
• PIECE
• PlantRNA
• PlnTFDB
• PMRD
• SALAD

نرم‌افزارهای مورد استفاده در بیوانفورماتیک

نرم‌افزارهای بیوانفورماتیک در طیف گسترده‌ای از ابزارها قرار دارند، از ابزارهای ساده خط فرمان تا برنامه‌های گرافیکی پیچیده. این نرم‌افزارها می‌توانند رایگان یا پولی باشند و همچنین می‌توانند به‌صورت آنلاین یا تحت وب باشند. هر یک از این نرم‌افزارها کاربردهای خاص خود را دارند.

برای مثال، برخی از نرم‌افزارهای بیوانفورماتیک برای تجزیه‌وتحلیل داده‌های ژنومیک، پروتئومیک، یا متابولومیک طراحی شده‌اند و تعدادی دیگر برای مدل‌سازی ساختار سه‌بعدی پروتئین‌ها، پیش‌بینی تعاملات مولکولی، یا شبیه‌سازی مسیرهای متابولیکی استفاده می‌شوند. همچنین بعضی نرم‌افزارها امکاناتی برای مدیریت و نگهداری پایگاه‌داده‌های بزرگ بیوانفورماتیکی را فراهم می‌کنند.

باتوجه ‌به نیازهای خاص هر پروژه، باید نرم‌افزار مناسب را انتخاب کرد. می‌توان برخی از این نرم‌افزارها را به‌صورت مستقل استفاده کرد، درحالی‌که برخی دیگر بهتر است در ترکیب با سایر ابزارها استفاده شوند. در نهایت، انتخاب نرم‌افزار مناسب بستگی به نیازهای خاص پروژه، داده‌های موجود، و دانش افراد دارد. در این بخش از مقاله، با برخی از نرم‌افزارهای پرکاربرد در این حیطه آشنا می‌شویم.

نرم‌افزارهای اوپن سورس یا منبع‌باز(Open Source)

از دهه ۱۹۸۰ تاکنون، ابزارهای نرم‌افزاری رایگان و اوپن سورس فراوانی وجود داشته و همچنان در حال توسعه هستند. ترکیبی از نیاز مداوم به الگوریتم‌های تازه برای تحلیل و تجزیه انواع جدید بازخوانی‌های بیولوژیکی، پتانسیل خلاقیت در آزمایش‌های «درون رایانه‌ای» و دسترسی به پایگاه‌های «کدباز»، فرصت‌هایی را برای تمام گروه‌های تحقیقاتی فراهم کرده است تا بتوانند بدون توجه به بودجه مالی‌شان، به بیوانفورماتیک و همچنین به حوزه نرم‌افزار منبع‌باز موجود کمک کنند. بزارهای رایگان معمولاً به‌عنوان محرک ایده‌ها یا افزونه‌های(Extension) پشتیبانی شده توسط جامعه در نرم‌افزارهای تجاری عمل می‌کنند. از میان تعداد بی‌شماری از بسته‌های نرم‌افزاری رایگان می‌توان موارد زیر را نام برد:

 BioPerl: یک پروژه نرم‌افزاری در حال اجرا است که تحت حمایت بنیاد Open Bioinformatics قرار دارد. این پروژه برای حل مشکلات موجود در پروژه توالی‌یابی ژنوم انسان به‌کاررفته است.

Biopython: مجموعه‌ای از ابزارهای Python را برای بیوانفورماتیک و زیست‌شناسی محاسباتی ارائه می‌دهد که توسط یک گروه بین‌المللی از توسعه‌دهندگان توسعه‌یافته است. Biopython شامل سیستم‌های طبقه‌بندی برای نمایش توالی‌های بیولوژیکی است و توانایی خواندن و نوشتن در فرمت‌های مختلف فایل مورد بررسی را دارد. علاوه بر این، ابزار Biopython امکان دسترسی و استفاده از پایگاه‌های داده آنلاین اطلاعات بیولوژیکی، مانند NCBI را فراهم می‌کنند.

BioJava: یک پروژه نرم‌افزاری است که با هدف فراهم‌کردن ابزارهای مبتنی بر جاوا برای کار با داده‌های بیولوژیکی طراحی شده است. این ابزار شامل مجموعه‌ای از توابع کتابخانه‌ای در زبان برنامه‌نویسی جاوا است که برای مدیریت توالی‌ها، ساختارهای پروتئینی، سیستم توزیع حاشیه‌نویسی (DAS)، دسترسی به AceDB، برنامه‌نویسی پویا و سیستم‌های آماری ساده استفاده می‌شود.

BioJS: یک پروژه مرتبط با داده‌های بیوانفورماتیک در سطح اینترنت است که هدف اصلی آن ایجاد یک کتابخانه منبع‌باز از اجزای زبان برنامه نویسی JavaScript به منظور تجسم داده‌های بیولوژیکی است.

BioRuby: یک مجموعه کد در زبان برنامه‌نویسی روبی است که برای کار با زیست‌شناسی مولکولی محاسباتی و بیوانفورماتیک طراحی شده است. این مجموعه شامل کلاس‌هایی برای کار با توالی‌های DNA و پروتئین، هم‌ترازی توالی‌ها، کار با پایگاه‌های داده بیولوژیکی، زیست‌شناسی ساختاری و دیگر وظایف مرتبط با بیوانفورماتیک است.

Bioclipse: یک پلتفرم بصری است که بر پایه زبان برنامه‌نویسی جاوا، منبع‌باز و مبتنی بر شیمی و بیوانفورماتیک در محیط نرم‌افزاری Eclipse Rich Client (RCP) کار می‌کند.

EMBOSS: یک نرم‌افزار رایگان برای تجزیه‌وتحلیل است که برای پاسخگویی به نیازهای کاربران زیست‌شناسی مولکولی و بیوانفورماتیک طراحی شده است. این نرم‌افزار به‌صورت خودکار با داده‌های موجود در فرمت‌های متفاوت کار می‌کند و حتی قابلیت بازیابی داده‌های توالی به‌صورت شفاف از اینترنت را دارد.

NET Bio: یک کتابخانه منبع‌باز در حوزه بیوانفورماتیک و ژنومیک است که برای فراهم‌کردن قابلیت آپلود، ذخیره‌سازی و آنالیز داده‌های بیولوژیکی طراحی شده است.

Orange: یک مجموعه از ابزارهای تجسم داده، ماشین لرنینگ (Machine Learninh) و داده‌کاوی است. نرم‌افزار Orange دارای یک رابط کاربری بصری برای تحلیل سریع داده‌های کیفی و نمایش تعاملی داده‌ها است.

UGENE: یک برنامه کامپیوتری در حوزه علم بیوانفورماتیک است و در تمام سیستم‌های عامل قابل‌اجرا است. این برنامه به دانشمندان زیست‌شناسی کمک می‌کند تا با داده‌های ژنتیکی متنوعی از جمله توالی‌ها، حاشیه‌نویسی‌ها، ترازبندی‌های چندگانه، درختان فیلوژنتیک، سرهم‌بندی‌های NGS و موارد دیگر کار کنند.

GenoCAD: این ابزار، در مواردی مانند طراحی وکتورهای بیانی انتقال ژن، شبکه‌های مصنوعی ژنی و دیگر ساختارهای قابل‌استفاده در مهندسی ژنتیک به کار می‌رود و از اولین ابزارهای طراحی به‌وسیله کامپیوتر برای بیولوژی مصنوعی است.

وب‌سایت‌های بیوانفورماتیک کدام‌اند؟

رابط‌های برنامه‌نویسی مبتنی بر SOAP و REST برای یک دامنه وسیع از برنامه‌های بیوانفورماتیک طراحی شده‌اند. این رابط‌ها به یک برنامه که در یک کامپیوتر در هر نقطه‌ای از دنیا قرار دارد، اجازه می‌دهند تا از الگوریتم‌ها، منابع و داده‌های محاسباتی که در سرورهای موجود در سایر نقاط جهان قرار دارند، استفاده کند. یکی از مزایای کلیدی استفاده از این رابط‌ها این است که کاربران نیازی به تعامل مستقیم با مدیران نگهداری نرم‌افزار و پایگاه‌داده ندارند. سرویس‌های اصلی بیوانفورماتیک که از EBI (انستیتوی بیوانفورماتیک اروپا) مشتق شده‌اند، شامل SSS (خدمات جستجوی توالی)، MSA (هم‌ترازی چندگانه توالی) و BSA (تحلیل توالی بیولوژیکی) هستند.

دسترسی به این منابع بیوانفورماتیکی ارزنده، امکان استفاده از راهکارهای مبتنی بر وب را در بیوانفورماتیک فراهم می‌کند. این منابع از مجموعه‌ای از ابزارهای مستقل، با یک قالب داده مشترک تحت یک رابط مستقل یا مبتنی بر وب استفاده می‌کنند.

بسترهای آنلاین آموزش بیوانفورماتیک

روزالیند (Rosalind) و دوره‌های آنلاین ارائه شده از طریق پرتال آموزشی «انیستیتیوی بیوانفورماتیک سوئیس» (SIB)، در حقیقت سیستم‌عامل‌های نرم‌افزاری طراحی شده برای آموزش مفاهیم و روش‌های مبتنی بر بیوانفورماتیک‌اند. ویدئوها و اسلایدهای مربوط به کارگاه‌های آموزشی، با مجوز Creative Commons، در «ورکشاپ‌های بیوانفورماتیک کانادایی» ارائه می‌شوند. علاوه بر این موارد، بسیاری از دانشگاه‌های مطرح جهان در حوزه علوم زیستی نیز هر ساله دوره‌های آنلاین، ورکشاپ‌ها و سمینارهایی را در حوزه آموزش بیوانفورماتیک و جدیدترین دستاوردهای این حوزه برگزار می‌کنند.

بسیاری از پلتفرم‌های MOOC (دوره‌های آنلاین گسترده و جمعی) گواهینامه‌های آنلاین در بیوانفورماتیک و حوزه‌های مرتبط را ارائه می‌دهند. به‌عنوان نمونه، وب‌سایت Coursera که متعلق به دانشگاه ایالتی سن دیگو در کالیفرنیا است، دوره‌های تخصصی بیوانفورماتیک را ارائه می‌کند. همچنین، وب‌سایت تخصصی علوم داده‌های ژنومیک که توسط دانشگاه جانز هاپکینز اداره می‌شود و دانشگاه کالیفرنیای جنوبی که دوره‌های ارشد بیوانفورماتیک ترجمه را ارائه می‌دهد، نیز در این زمینه فعالیت دارند. علاوه بر وب‌سایت بسیار مفید کورسرا (Coursera)، از دیگر سایت معتبر MOOC که دوره‌های آنلاین در زمینه بیوانفورماتیک و علوم زیستی ارائه می‌دهند می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• وب‌سایت ادکس (edX)
• وب‌سایت یودمی (Udemy)
• دوره‌های آنلاین دانشگاه هاروارد (Harvard University)
• وب‌سایت فیوچرلرن (FutureLearn)

کاربردهای علم بیوانفورماتیک چیست؟

احتمالاً تا اینجای مقاله این سؤال برایتان پیش آمده است که کاربرد بیوانفورماتیک چیست؟ در این بخش از مقاله به پاسخ این سؤال می‌پردازیم. بیوانفورماتیک که برای تحقیقات پایه در زیست‌شناسی ژنومی و مولکولی ضروری است، نقش مهمی در بسیاری از حوزه‌های بیوتکنولوژی و علوم پزشکی ایفا می‌کند. این رشته علمی در زمینه‌های مختلفی از ژنومیک، از جمله ژنومیک ساختاری، ژنومیک عملکردی و ژنومیک تغذیه‌ای، نقش حیاتی دارد. برای مثال، بیوانفورماتیک می‌تواند برای شناسایی رابطه بین توالی ژن و بیماری‌ها، پیش‌بینی ساختار پروتئین از توالی اسیدهای آمینه، کمک به طراحی داروها و واکسن‌های جدید و تنظیم توالی DNA برای بیماران بر اساس توالی DNA خودشان (فارماکوژنومیک) استفاده شود. در ادامه، به بررسی برخی از کاربردهای کلیدی بیوانفورماتیک و توضیح درباره هر یک از آن‌ها خواهیم پرداخت.

کاربردهای بیوانفورماتیک در علوم پزشکی

بیوانفورماتیک در عرصه پزشکی نقش بسیار مهمی ایفا می‌کند. این رشته علمی با تعیین توالی کامل ژنوم انسان، به درک بهتر سهم ژنتیک در بسیاری از بیماری‌ها کمک کرده است. این درک عمیق‌تر از ژنتیک، امکان پیشرفت‌های چشمگیر در زمینه‌های مختلفی از پزشکی را فراهم می‌کند. در یک نگاه، برخی از کاربردهای مهم بیوانفورماتیک در حوزه علوم پزشکی عبارت‌اند از:

• کشف دارو: بیوانفورماتیک به تحقیقات دارویی کمک می‌کند تا داروهای جدید را کشف کنند. با استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیک، محققان می‌توانند ساختار مولکولی هدف‌های دارویی را بررسی کنند و داروهایی را طراحی کنند که به آن‌ها متصل شوند.
• واکسن: بیوانفورماتیک در توسعه واکسن‌های جدید نقش مهمی دارد. با استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیک، محققان می‌توانند ساختار مولکولی ویروس‌ها و باکتری‌ها را بررسی کنند و واکسن‌هایی را طراحی کنند که به آن‌ها متصل شوند.
• داروهای شخصی‌سازی‌شده: بیوانفورماتیک به توسعه داروهای شخصی کمک می‌کند. با استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیک، محققان می‌توانند ژنتیک فردی را بررسی کنند و داروهایی را طراحی کنند که به نیازهای خاص هر فرد پاسخ دهند.
• داروهای پیشگیری‌کننده: بیوانفورماتیک به توسعه داروهای پیشگیری‌کننده کمک می‌کند. با استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیک، محققان می‌توانند ساختار مولکولی بیماری‌ها را بررسی کنند و داروهایی را طراحی کنند که به پیشگیری از بیماری کمک کنند.
• ژن‌درمانی: بیوانفورماتیک در توسعه ژن‌درمانی نقش مهمی دارد. با استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیک، محققان می‌توانند ژنتیک فردی را بررسی کنند و راه‌حل‌های ژن‌درمانی را طراحی کنند که به درمان بیماری‌های ژنتیکی کمک کنند.

به طور خلاصه، بیوانفورماتیک یک ابزار قدرتمند برای پیشرفت پزشکی است و باعث ایجاد تحولات بزرگی در زمینه کشف دارو، توسعه واکسن، داروی شخصی، داروهای پیشگیری‌کننده و ژن‌درمانی شده است. در ادامه با کاربردهای شاخص بیوانفورماتیک در حوزه علوم پزشکی آشنا خواهیم شد.

کشف، توسعه و بهبود داروها و واکسن‌ها

در حال حاضر، بر اساس اطلاعات سازمان جهانی بهداشت، بیش از ۱۳ میلیون مرگ سالانه به دلیل بیماری‌های عفونی و عوارض ناشی از این بیماری‌ها رخ می‌دهد. کشورهای در حال توسعه بیشترین تعداد مرگ‌ومیر ناشی از این بیماری‌ها را دارند که این موضوع عمدتاً به عدم دسترسی به داروها و هزینه‌های بالای آن‌ها برمی‌گردد. یکی از چالش‌های اصلی در حوزه سلامت و درمان، تولید داروهای ارزان قیمت و کارآمد برای مقابله با بیماری‌هاست که می‌توان با استفاده از علم بیوانفورماتیک و طراحی منطقی دارو، بر این مشکل غلبه کرد. با گسترش روزافزون دانش بیوانفورماتیک، صنعت داروسازی از روش آزمایش‌وخطا به سمت طراحی داروی منطقی و مبتنی بر ساختار حرکت کرده است. با طراحی مناسب فرایند تولید دارو و اجرای موفق آن، می‌توان زمان و هزینه تولید عوامل دارویی را به طرز قابل توجهی کاهش داد. با استفاده از کاربردهای بیوانفورماتیک، فرایند شناسایی هدف دارو و غربالگری داروها می‌تواند سرعت بگیرد و بر اساس مدل‌سازی و شبیه‌سازی مولکولی، محصولات دارویی ایمن‌تر و به‌صرفه‌تری تولید شود.

در عصر حاضر، استفاده از بیوانفورماتیک در تحقیقات واکسن و کشف دارو بسیار ضروری است. همه‌گیری ویروس SARS-CoV-2 (سندرم حاد تنفسی حاد کروناویروس ۲) که در دسامبر ۲۰۱۹ در ووهان چین رخ داد، باعث شد تا تعداد زیادی از محققان و دانشمندان علوم زیستی، از ابزارهای بیوانفورماتیک برای رمزگشایی خصوصیات مولکولی در عوامل بیماری‌زای عفونی استفاده کنند.

به دلیل در دسترس بودن اطلاعات ژنوم ویروس SARS-COV-2  تنها چند هفته پس از گزارش شیوع این ویروس، سیستم‌های بیوانفورماتیکی به ابزاری مهم و حیاتی برای کاهش زمان مبارزه با این بیماری همه‌گیر تبدیل شدند. قبل از شیوع همه‌گیری کووید، پلتفرم‌های متعددی برای کشف اپیتوپ‌های آنتی‌ژنی، پیش‌بینی ساختارهای اتصال‌دهنده و اتصال آنتی‌بادی به پروتئین، پپتید و شبیه‌سازی واکنش‌های آنتی‌ژن و آنتی‌بادی و موارد دیگر وجود داشت که همگی در تولید سریع‌تر، بهتر و مؤثرتر واکسن‌های مختلف این بیماری نقش داشتند.

پزشکی شخصی‌سازی‌شده

یکی دیگر از کاربردهای بیوانفورماتیک، پزشکی شخصی‌سازی‌شده است. «پزشکی شخصی‌سازی‌شده» یک مدل مراقبت بهداشتی است که بر اساس ساختار ژنتیکی منحصربه‌فرد هر شخص طراحی شده است. ویژگی‌های ژنتیکی یک بیمار می‌تواند به پزشک او کمک کند تا پیش‌بینی کند که آیا فرد به بیماری‌های خاصی حساس است یا خیر. براین‌اساس، پزشک می‌تواند داروی مناسب و دوز مناسب را برای کاهش عوارض جانبی انتخاب کند. این روش در حال حاضر در تولید داروهای سفارشی برای درمان سرطان، بیماری‌های مرتبط با دیابت و HIV مورد استفاده قرار می‌گیرد. بیوانفورماتیک در پزشکی شخصی‌سازی‌شده، برای آنالیز و تحلیل داده‌ها از تعیین توالی ژن یا تجزیه‌وتحلیل بیان ژن ریزآرایه در جستجوی جهش‌ها یا انواع واریانت‌های ژنی که می‌توانند در پاسخ‌دهی بیمار به یک داروی خاص تأثیرگذار باشد یا بیماری را پیش‌بینی کنند، استفاده می‌شود.

پزشکی پیشگیرانه

پزشکی پیشگیرانه با تمرکز بر حفظ سلامتی افراد، گروه‌ها و جمعیت‌های خاص، از تکنیک‌های متنوع تحقیقاتی مانند آمار زیستی، بیوانفورماتیک و اپیدمیولوژی (علمی که به بررسی الگوهای شیوع بیماری‌ها در جمعیت ها، منشا بیماری‌ها و عوامل موثر بر آن می‌پردازد) برای درک الگوها و علل سلامت و بیماری استفاده می‌کند. این اطلاعات سپس به برنامه‌هایی تبدیل می‌شوند که با هدف جلوگیری از بیماری، ناتوانی و مرگ طراحی شده‌اند. یکی از مثال‌های کاربرد پزشکی پیشگیرانه، غربالگری نوزادان در فوریت برای شناسایی اختلالات سلامتی است که ممکن است شامل بیماری‌های ژنتیکی یا اختلالات متابولیکی باشد که قابل‌درمان هستند، اما در مراحل اولیه زندگی نوزادان قابل‌تشخیص نیستند. برای ایجاد این آزمایش‌های غربالگری و شناسایی بیماری‌ها در مراحل اولیه، دانشمندان از ابزارهای بیوانفورماتیک برای تجزیه‌وتحلیل داده‌های ژنومیک، پروتئومیک و متابولومیک برای شناسایی نشانگرهای زیستی بیماری استفاده می‌کنند.

ژن تراپی

ژن‌درمانی فرایندی است که در آن ژن‌های نقص دار با ژن‌های سالم در سلول‌های یک بیمار جایگزین می‌شوند. اگرچه این روش درمانی قدرتمند است، اما هنوز به طور گسترده‌ای مورداستفاده قرار نگرفته است. توسعه یک روش عمومی برای ژن‌درمانی چالش‌برانگیز است، زیرا ویژگی‌های ژنتیکی افراد مختلف با یکدیگر تفاوت دارد. بیوانفورماتیک می‌تواند با توجه ‌به این تفاوت‌های ژنتیکی، در شناسایی بهترین محل هدف برای ژن در هر فرد کمک کند. همچنین این روش توانایی کاهش خطر عوارض جانبی غیر مترقبه را نیز دارد. با استفاده از بیوانفورماتیک، می‌توانیم به درک بهتری از ژنتیک هر فرد برسیم و امکان طراحی درمان‌های ژنتیکی اختصاصی برای هر فرد را فراهم کنیم.

مقاومت آنتی‌بیوتیکی

دانشمندان در حال مطالعه ژنوم باکتری «انتروکوکوس فکالیس» (Enterococcus faecalis) هستند که عامل اصلی بروز عفونت‌های باکتریایی در بیمارستان‌ها است. آن‌ها منطقه‌ای را در ژنوم این باکتری شناسایی کرده‌اند که شامل چندین ژن مقاوم به آنتی‌بیوتیک است. این منطقه می‌تواند نقش مهمی در تبدیل باکتری از یک باکتری روده‌ای غیرخطرناک به یک باکتری مهاجم و خطرناک ایفا کند. این منطقه که به‌عنوان یک جزیره بیماری‌زا شناخته شده است، می‌تواند به‌عنوان مارکری مفید برای شناسایی سویه‌های بیماری‌زا استفاده شود و در ایجاد راهکارهای کنترلی برای جلوگیری از شیوع عفونت در بیمارستان‌ها کمک کند.

کاربردهای دیگر بیوانفورماتیک

بیوانفورماتیک فقط به حوزه پزشکی محدود نیست. این رشته دارای گستردگی وسیع است و باتوجه‌به اینکه در آینده بخش‌های گسترده‌تری از علوم زیستی تحت‌تأثیر آن قرار می‌گیرند، به طور مداوم در حال تکامل است. این حوزه می‌تواند فرصت‌های شغلی جذاب و سودآوری را برای افرادی که در حوزه بیوتکنولوژی یا بیوانفورماتیک تحصیل کرده‌اند ارائه دهد. بیوانفورماتیک، علمی که در حقیقت ترکیبی از چندین رشته مختلف است، کاربردهای فراوانی دارد که برخی از آنها را توضیح دادیم. در ادامه به برخی دیگر از کاربردهای آن اشاره خواهیم کرد.

برنامه‌های کاربردی بیوانفورماتیک در حوزه ژنوم میکروبی

توالی‌های ژنوم کامل و قابلیت‌های آن‌ها برای فراهم‌کردن درک عمیق‌تر از دنیای میکروب‌ها و توانمندی‌های آن‌ها، می‌تواند تأثیرات وسیعی بر روی کاربردهای محیط‌زیست، بهداشت، انرژی و صنعت داشته باشد. به همین خاطر، وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) در سال ۱۹۹۴ پروژه ژنوم میکروبی (MGP) را راه‌اندازی کرد تا توالی ژنوم باکتری‌های مفید را برای تولید انرژی، تصفیه محیط‌زیست، فرایندهای صنعتی و کاهش زباله‌های سمی مشخص کند. با بررسی ماده ژنتیکی این ارگانیسم‌ها، دانشمندان می‌توانند شروع به فهم این میکروب‌ها در سطح فوق‌العاده اساسی کنند و ژن‌هایی را که به آن‌ها توانایی منحصربه‌فرد برای بقا در شرایط سخت را می‌دهد، شناسایی کنند.

کاربردهای بیوانفورماتیک در انهدام زباله

باکتری «داینوکوکوس رادیودورانس» (Deinococcus radiodurans) به دلیل مقاومت بالایی که در برابر اشعه دارد، به‌عنوان مقاوم‌ترین باکتری جهان شناخته شده است. این میکروارگانیسم بی‌نظیر به دلیل توانایی خود در تحمل شرایط سخت و نامساعد، موردتوجه دانشمندان قرار گرفته است. این باکتری می‌تواند در محیط‌هایی که حاوی اشعه و مواد شیمیایی سمی هستند، زنده بماند و به همین دلیل، پتانسیل بالایی برای استفاده در پروژه‌های پاک‌سازی محیطی دارد. این خاصیت می‌تواند در آینده به ما کمک کند تا محیط‌های آلوده را پاک‌سازی و از این طریق، به حفظ سلامت جوامع انسانی و حفاظت از محیط‌زیست کمک کنیم.

کاربردهای علم بیوانفورماتیک در مطالعه‌های تغییر اقلیم و تولید انرژی

افزایش میزان دی‌اکسیدکربن در جو، بیشتر به دلیل استفاده گسترده از سوخت‌های فسیلی برای تأمین انرژی، ممکن است منجر به تغییرات آب‌وهوایی در سطح جهانی شود. در پاسخ به این مسئله، کشورهای توسعه‌یافته برنامه‌هایی را برای کاهش میزان دی‌اکسیدکربن در جو آغاز کرده‌اند. یکی دیگر از کاربردهای بیوانفورماتیک و یکی از راه‌هایی که برای دستیابی به این هدف در نظر گرفته شده است، بررسی ژنوم میکروب‌هایی است که توانایی استفاده از دی‌اکسیدکربن به‌عنوان منبع کربن اصلی خود را دارند. این کار با استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیکی و پایگاه‌های داده مربوطه انجام می‌شود. در کنار این تلاش‌ها، دانشمندان نیز در حال مطالعه ژنوم میکروب «کلروبیوم تپیدوم» (Chlorobium tepidum) هستند که توانایی استثنایی تولید انرژی از نور را داراست.

کاربردهای علم بیوانفورماتیک در زیست‌فناوری و بیوتکنولوژی

میکروارگانیسم‌هایی مانند «آرکئون» (Archaeoglobus fulgidus) و «ترموتوگا» (Thermotoga maritima) که در دماهای بالاتر از نقطه‌جوش آب رشد می‌کنند، می‌توانند آنزیم‌های مقاوم به حرارت را برای استفاده در فرایندهای صنعتی تولید کنند. این میکروارگانیسم‌ها در صنعت و اصلاح محیط‌زیست کاربردهای عملی دارند. «کورینه باکتریوم گلوتامیکوم» (Corynebacterium glutamicum) نیز یکی از میکروب‌های صنعتی مفید است که برای تولید بیوتکنولوژیکی اسیدآمینه لیزین (Lysine) توسط صنایع شیمیایی استفاده می‌شود. لیزین به‌عنوان منبع پروتئین در تغذیه حیوانات و همچنین به‌عنوان منبع پروتئین در خوراک کنسانتره‌ها استفاده می‌شود. لاکتوکوکوس لاکتیس (Lactococcus lactis) نیز یکی از میکروارگانیسم‌های مهم در صنایع لبنی است و محققان در حال بررسی ظرفیت آن برای خدمت به‌عنوان میزبان تولیدی داروها هستند. در این تحقیقات، استفاده از پایگاه‌های داده بیوانفورماتیک و نرم‌افزارهای کاربردی آن بسیار مهم است. همچنین، با استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیکِ ژنومی، دانشمندان توانسته‌اند تفاوت بین سویه باسیلوس آنتراسیس که در حمله تروریستی تابستان ۲۰۰۱ در فلوریدا استفاده شد و سویه‌های سیاه‌زخم که نزدیک به آن هستند را تشخیص دهند.

کاربردهای علم بیوانفورماتیک در ساخت سلاح‌های بیولوژیک و بیوتروریسم

دانشمندان به‌تازگی موفق شده‌اند که با استفاده از ابزارهای مصنوعی، ویروس فلج اطفال را تولید کنند. این پروژه با استفاده از داده‌های ژنومی که در اینترنت قابل‌دسترسی بود و مواد اولیه موجود در منابع شیمیایی، از طریق اطلاعاتی که در یک ایمیل بود، انجام شد. این تحقیق توسط وزارت دفاع امریکا در چارچوب برنامه‌ای برای پاسخگویی به تهدیدات جنگ زیستی و اثبات وجود سلاح‌های زیستی به دنیا انجام شد.

این پروژه نشان داد که چگونه داده‌های ژنومی که در اینترنت قابل‌دسترسی هستند، می‌توانند برای ساخت ویروس‌های مصنوعی استفاده شوند. این امر نشان می‌دهد که تکنولوژی و دانش علمی می‌تواند در دستاوردهای بزرگی نقش داشته باشد، اما همچنین می‌تواند خطراتی را نیز به همراه داشته باشد. این پروژه باعث ایجاد واکنش‌های متفاوتی در جامعه شد، برخی از افراد نگران امکان سوءاستفاده از این تکنولوژی برای ایجاد سلاح‌های زیستی بودند، درحالی‌که برخی دیگر از افراد این پیشرفت را به‌عنوان یک گام مهم در پیشرفت علمی دیدند.

کاربردهای علم بیوانفورماتیک در مطالعه‌های تکاملی

بیوانفورماتیک با استفاده از روش‌های پیشرفته محاسباتی و آماری، امکان تحلیل و مقایسه داده‌های ژنومی بزرگ را فراهم می‌کند. این اطلاعات می‌تواند به ما کمک کند تا درک بهتری از چگونگی عملکرد، تکامل و تعامل ژن‌ها و پروتئین‌ها در سطح سلولی و زیستی داشته باشیم.

باتوجه‌به توالی‌یابی ژنوم در سه خانواده یوکاریوت‌ها، باکتری‌ها و آرکئاها، بیوانفورماتیک امکان انجام مطالعات تکاملی را فراهم می‌کند. این مطالعات می‌توانند به تعیین درخت فیلوژنیک و آخرین جد جهانی مشترک کمک کنند. درخت فیلوژنیک نشان‌دهنده روابط تکاملی بین گونه‌های مختلف است و آخرین جد جهانی مشترک، نقطه‌ای در تاریخ تکاملی است که تمام گونه‌های زنده امروزی از آن منشأ می‌گیرند. این اطلاعات می‌تواند به ما کمک کند تا درک بهتری از تاریخچه تکاملی موجودات زنده و تنوع زیستی روی زمین داشته باشیم.

کاربردهای علم بیوانفورماتیک در بهبود محصولات و مواد مغذی

مطالعات مقایسه‌ای روی ژنوم گیاهان نشان داده است که ساختار ژنتیکی آن‌ها در طول دوران تکامل بیشتر از آنچه فکر می‌کردیم حفظ شده است. این یافته‌ها امکان ارتقای محصولات غذایی با استفاده از اطلاعات حاصل از سیستم‌های کشاورزی را فراهم می‌کند. در حال حاضر، ژنوم کامل «آرابیدوبسیس تالیانا» یک نوع شاهی چینی و «اوریزا ساتیوا» یک نوع برنج برای انجام تحقیقات اصلاحی در دسترس است.

بازرسان علمی اخیراً توانسته‌اند ژن‌هایی را به برنج اضافه کنند تا میزان ویتامین A، آهن و سایر مواد مغذی ریز را افزایش دهند. این اقدام می‌تواند در کاهش بروز بیماری‌های نابینایی و کم‌خونی ناشی از کمبود ویتامین A و آهن مؤثر باشد. دانشمندان ژنی را از مخمر به گوجه‌فرنگی منتقل کرده‌اند که نتیجه آن گیاهی است که میوه آن بیشتر روی گیاه باقی می‌ماند و در فروشگاه‌ها ماندگاری بیشتری دارد.

کاربردهای علم بیوانفورماتیک در مقاومت در برابر حشرات و خشکی

ژن‌های باکتری «باسیلوس تورینجنسیس» که قادر به کنترل برخی از آفات خطرناک هستند، با موفقیت به گیاهانی مانند پنبه، ذرت و سیب‌زمینی انتقال یافته‌اند. این قابلیت جدید گیاهان برای مقاومت در برابر حشرات به این معناست که می‌توان از میزان مناسبی از کشاورزی استفاده کرد که در نتیجه باعث افزایش کیفیت غذایی محصولات می‌شود.

علاوه بر این، پیشرفت‌هایی در تولید انواع غلات انجام شده است که تحمل بیشتری نسبت به خاک‌های قلیایی، سمیت آلومینیوم و آهن آزاد دارند. این ارقام به کشاورزان این امکان را می‌دهند که گیاهان را در مناطقی با خاک‌های فقیر از نظر مواد معدنی کشت کنند و محصول بیرون بیاورند، بنابراین این خاک‌ها نیز به مراکز تولید جهانی اضافه می‌شوند. همچنین، تحقیقات در حال انجام است برای تولید انواع محصولاتی که تحمل کمبود آب را دارند.

کاربردهای علم بیوانفورماتیک در دامپزشکی

در حال حاضر، پروژه‌هایی برای تعیین توالی ژنتیکی انواع مختلف از دام‌های مزرعه، از جمله گاو و گوسفند، در دست اقدام هستند. این تلاش‌ها با امید به فهم عمیق‌تر از بیولوژی این موجودات صورت می‌گیرد و به دنبال این است تأثیرات مهمی در بهبود عملکرد و سلامتی دام‌ها داشته باشد. در نهایت، این تغییرات می‌تواند منجر به بهبود خواص غذایی برای انسان شود. همچنین، با استفاده از بیوانفورماتیک، تحقیقات و تولید واکسن‌های دامپزشکی در آینده پیشرفت خواهد کرد. این امر به دلیل این است که ابزارهای جدیدی برای شناسایی هدف‌های واکسن از داده‌های بیولوژیکی توالی یافته موجودات وجود دارد.

کاربردهای علم بیوانفورماتیک در مطالعه‌های تطبیقی

تحلیل و مقایسه مواد ژنتیکی از گونه‌های متفاوت روش مهمی برای بررسی کارکرد ژن‌ها، مکانیزم بیماری‌های ژنتیکی و تکامل گونه‌ها است. ابزارهای بیوانفورماتیک می‌توانند برای مقایسه اعداد، مکان‌ها و عملکردهای بیوشیمیایی ژن‌ها در موجودات متفاوت مورداستفاده قرار گیرند. برای تحلیل و تجزیه توالی‌های DNA با حجم بالا، نیاز به ابزارهای محاسباتی قوی و جدید وجود دارد.

در حقیقت، تحلیل مقایسه‌ای ژن‌ها و ژنوم‌ها می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره منشأ آن‌ها و مکانیزم‌های مرتبط با تکامل آن‌ها ارائه دهد. همچنین، حوزه مطالعات ژنوم ویروسی با افزایش فوق‌العاده حجم داده‌ها روبرو شده است. گونه‌های جدید ویروس‌های شناخته شده به طور مداوم به بانک اطلاعاتی GenBank اضافه می‌شوند و گونه‌های کاملاً جدیدی وجود دارند که شباهت چندانی به پایگاه‌داده‌های توالی ما ندارند. علاوه بر این، تکنیک‌های متاژنومی قابلیت افزایش تعداد و حجم ژنوم‌های توالی یافته را دارند.

جمع‌بندی

در این مقاله از مجله بیوزوم، با علم نوظهور بیوانفورماتیک آشنا شدیم و تاریخچه مختصری از آن را شرح دادیم. در ادامه به معرفی ابزارها و اهداف علم بیوانفورماتیک پرداختیم و گفتیم که یک دانشمند بیوانفورماتیک برای دستیابی به اهداف مختلف در این حوزه، از ابزارهای مختلفی بهره می‌گیرد. بعد از آن با تعدادی از وب‌سایت‌های مفید این حوزه آشنا شدیم که آموزش‌های آنلاین بسیار مفیدی ارائه می‌دهند و همچنین فهرست جامع و کاملی از پایگاه‌های داده بیوانفورماتیکی را نیز معرفی کردیم. باتوجه‌به مطالبی که در این مقاله مطالعه کردید، به نظر شما در حال حاضر مهم‌ترین کاربرد بیوانفورماتیک چیست؟