آشنایی با زیست شناسی سامانه‌های سلولی (Cell Systems Biology)

[majid.izadi]

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 پیش بینی 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 پیام ها (Signal Transduction) که برای اعمال فیزیولوژیکی و رشد و توسعه موجودات زنده لازم است، کسب نمایند.

در سال های 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 پیچیده تر مثل سلول ها و بافت ها می‌باشد.​

 

[majid.izadi]

برای دستیابی به این هدف، باید روش های 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 آزمایش¬ها، 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. رهیافت‌های مدلسازی منجر به افزایش اهمیت تحقیقاتی می‌گردد که بر مبنای فرضیه سازی در زیست شناسی انجام شود. این رهیافت ظرفیت آن را دارد که دید محدود و سنتی ما را از فرآیندهای زیستی به درکی گسترده‌تر از اجزا مرتبط که یک سامانه (System) پیچیده را تشکیل می‌دهند، تبدیل نماید. 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 زیست شناسان، ریاضی دانان، متخصصان علوم رایانه، مهندسان و متخصصان رشته‌های دیگر لازم است.

 

[majid.izadi]

برخی از سوالات اساسی که این همکاری مثبت و سازنده باید به آنها پاسخ دهد، عبارتند از:
الف) ساختار سامانه‌های سلولی تا چه حد عمومی و قابل تقسیم به اجزا قابل اندازه‌گیری می‌باشد؟
ب) 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؟
پ) این شبکه ها تا چه حد می‌توانند اجزا سازنده را تعیین (Modulate) نمایند؟
ت) چگونه می‌توان مشخصات سلول را با کنار هم قرار دادن نتایج حاصل از این فعالیت ها و فرآوری آنها، توصیف نماییم.

برای پاسخ دادن به این سوالات، لازم است که دانشمندان رشته‌های مختلف، پروژه سلول مجازی را با هدف شبیه سازی کامپیوتری خصوصیات یک سلول آغاز نمایند. موضوع چالش برانگیزتر، مهندسی یک سلول کاملاً مصنوعی می‌باشد. در آینده این ماشین های سلولی می‌توانند تبدیل به سامانه‌های مدل قدرتمندی برای شبیه سازی و تحلیل شبکه‌های واقعی سلولی گردند.

 

[majid.izadi]

با راه‌اندازی این فناوری‌ها می‌توان پاسخ های قانع کننده‌ای برای سوالاتی که زیست شناسان سال ها به دنبال پاسخ آنها بوده‌اند، پیدا کرد. به طور مثال:
- ارتباط ساختار و وظایف سلول چگونه است؟
- چه قوانینی بر نحوه عمل سامانه‌های درون سلولی حکمفرماست؟
- عوامل تعیین کننده تمایز سلولی چه هستند و تمایز چگونه رخ می‌دهد؟
- اندازه و تعداد انواع مختلف سلولها در یک بافت یا اندام چگونه تنظیم می‌شود؟
- برای مدلسازی هر نوع سلول چه چیزهایی باید بدانیم؟
- چگونه یک مدل سلولی ساده می‌تواند برای شبیه سازی ساختارهای پیچیده سلولی و تشکیل بافت استفاده شود؟
- آیا می‌توانیم الگوهای عمومی حکمفرما بر پیچیدگی های زیست شناسی را براساس ساختار شبکه ای پیچیده انواع مختلف سلول ها شناسایی نماییم؟

 

[majid.izadi]

پاسخ به این سوالات نیاز به عوامل زیر دارد:
- دسترسی به الگوی بیان کل ژنوم تمامی سلولها و بافتها؛
- دسترسی به الگوی کلی پروتئینی سلولها و بافتها؛
- روشهای آشکارسازی فعالیت و مکان پروتئینها در سلول و موجودات زنده در مقیاس کل ژنوم (مثل انواع روشهای فلورسنت)؛
- رهیافت‌های کشف مجموعه‌های ماکرومولکولی؛
- روش‌های درک نحوه استفاده سلولها از اطلاعات؛
- توانایی ادغام نتایج حاصل از علوم مختلف با یکدیگر برای نتیجه گیری کلی.

همان طور که ذکر شد، درک سیستمی فرآیندهای مذکور نیاز به یک ترکیب جدید از فناوری‌های نوین و همکاری نزدیک زیست شناسان محض، زیست شناسان محاسباتی، مهندسان، شیمی دانان و ریاضی‌دانانی دارد که تفکر سیستمیک دارند. همچنین نوآوری فنی در ساخت دستگاههای آزمایشگاهی امکان اندازه‌گیری‌های دقیق و با حجم زیاد در واحد زمان را به ما می‌دهد. این کار بزرگ تلفیقی از آزمایش، فرضیه و محاسبه می‌باشد.

 

[majid.izadi]

هدف اصلی زیست شناسی سامانه‌ها (Systems biology) مدلسازی موجودات زنده است. زیست شناسی 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 رهیافت های 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.

 

[majid.izadi]

زیست شناسی سامانه‌ها نیازمند داده‌های کمی جامع و با کیفیت می‌باشد. برای تسریع جمع‌آوری داده‌های دقیق و جامع باید به نوآوری‌های فنی در آزمایش‌های اندازه‌گیری پربازده خودکار و میکروسکپی توجه شود. برای طراحی این ابزارهای پربازده، زیست شناسان باید شانه به شانه مهندسانی که این سامانه‌های اندازه‌گیری را طراحی و به مرحله بهره‌برداری می رسانند، فعالیت نمایند.​

تشخیص صحیح برهمکنش ها نیازمند اندازه‌گیری در شرایط مختلف و نتیجه گیری براساس مدلی است که این برهمکنش ها 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؟

 

[majid.izadi]

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.

 

[majid.izadi]

نرم‌افزارهای عمومی Mathematica و Matlab در حل مسائل عددی و تحلیلی ریاضی و مشاهده نتایج به صورت انواع نمودار و مشکل‌های متنوع، ابزار کارآمدی می‌باشند. نرم‌افزار عمومی دیگر R-Project نام دارد که در آدرس www.r-project.org در دسترس می‌باشد.

در عین حال ابزارهای متعدد تخصصی نیز در این زمینه ارائه شده‌اند که از طریق اینترنت قابل تهیه بوده و مرتباً نسخه‌های جدید و بهبود یافته آنها به بازار می‌آید. اغلب این دسته از نرم‌افزارها مرتبط با روش یا تکنیک خاصی بوده و کار کردن با آنها به سهولت انجام می‌شود.