رشته بیوانفورماتیک چیست؟ از تحصیل در رشته بیوانفورماتیک دانشگاه تهران چه می‌دانید؟ این روزها شاید اصطلاح «بیوانفورماتیک» به گوشتان خورده باشد. بیوانفورماتیک دانشی نسبتا جدید است که برای تحلیل و بررسی داده‌های زیستی از آن بهره می‌گیریم. حال در این نوشتار از تریتا قصد داریم از بیوانفورماتیک و برخی از کاربردهای آن در دنیای امروز بگوییم. پیش از هر چیز باید بدانیم رشته بیوانفورماتیک چیست؟ و چگونه علمی است و در آن به چه چیز پرداخته می‌شود. در انتها نیز به تحصیل در رشته‌ی بیوانفورماتیک در ایران و بیوانفورماتیک دانشگاه تهران نگاهی خواهیم داشت.
رشته بیوانفورماتیک چیست؟
با توجه به اینکه امروزه بسیاری از ژنوم‌های پروکاریوتی و یوکاریوتی به طور کامل توالی‌یابی شده‌اند، دسترسی به اطلاعات ژنومی و سنتز ژنوم‌ها، به موضوع اصلی تحقیقات بیولوژیکی مدرن تبدیل شده است. استخراج اطلاعات ژنومی نیازمند استفاده از ابزارهای محاسباتی پیچیده‌ای است. بنابراین برای نسل جدید زیست‌شناسان، آشنایی با یک زمینه‌ی مطالعاتی که با ذخیره‌سازی دقیق، سازماندهی و فهرست‌بندی اطلاعات به منظور مقابله با چالش‌های جدید در عصر جدید در ارتباط است، ضروری می‌باشد. با درآمیختن علم اطلاعات در زیست‌شناسی رشته‌ای جدید به نام بیوانفورماتیک پدید آمد. اگر بخواهیم تعریفی برای بیوانفورماتیک ارائه دهیم، می‌توان آن را فرآیندی نامید که با به کارگیری تکنیک‌هایی در به دست آوردن، ذخیره کردن و تفسیر و تحلیل داده‌های زیستی پیچیده به ما کمک می‌کند. بیوانفورماتیک به به‌کارگیری ابزارهای محاسباتی موجود، برای حل مشکلات تحقیقات بیولوژیکی مربوط می‌شود.
اصطلاح بیوانفورماتیک در ابتدا توسط پائولیئن هاگوگ و بن هسپر در سال ۱۹۷۰ برای توصیف «مطالعه‌ی فرآیندهای اطلاعاتی در سیستم‌های زیستی» ابداع شد و زمانی که اولین داده‌های توالی بیولوژیکی به اشتراک گذاشته شدند، این اصطلاح هم رایج شد و اولین کاربردهایش را پیدا کرد. توسعه بیوانفورماتیک به عنوان یک رشته، نتیجه‌ی پیشرفت در زیست‌شناسی مولکولی و علوم کامپیوتر در طول ۳۰ سال گذشته است. بیوانفورماتیک به عنوان یک حوزه‌ی میان‌رشته‌ای، از زیست‌شناسی، علوم کامپیوتر، مهندسی اطلاعات، ریاضیات و آمار برای تحلیل و تفسیر داده‌های بیولوژیکی کمک می‌گیرد. حوزه‌های کلیدی بیوانفورماتیک شامل پایگاه‌های داده بیولوژیکی، هم‌ترازی توالی، پیش‌بینی ژن و پروموتر، فیلوژنیک مولکولی، بیوانفورماتیک ساختاری، ژنومیک و پروتئومیکس است.
تفاوت محاسبات زیستی با رشته بیوانفورماتیک چیست؟
بیوانفورماتیک با یک زمینه مرتبط یعنی «محاسبات زیستی» متفاوت است. بیوانفورماتیک محدود به آنالیز توالی، ساختار و عملکرد ژن‌ها و ژنوم‌ها و محصولات مربوط به آنها است و اغلب به عنوان زیست‌شناسی مولکولی محاسباتی در نظر گرفته می‌شود. با این حال، محاسبات زیستی شامل تمام حوزه‌های بیولوژیکی است که شامل محاسبات هستند. بیوانفورماتیک به عنوان محصول ابزارهای محاسباتی در مدیریت انواع داده‌های بیولوژیکی به کار می‌رود. در حالی که محاسبات زیستی بیشتر محدود به توسعه نظری الگوریتم‌های مورد استفاده برای بیوانفورماتیک است.
توالی‌یابی ژنوم
نقش توالی‌یابی ژنوم در رشته بیوانفورماتیک چیست؟ مطالعه ژنوم مستلزم تحلیل و بررسی آن‌هاست. مثلا تعیین ساختار، کارکرد و نحوه تکامل آنها بخشی از این فرآیند است. در سال ۱۹۹۰ پروژه‌‌‌ای با هدف توالی‌یابی ژنوم انسان از طریق روش توالی‌یابی سنجر آغاز شد. این روش، منجر به ساخت تکه‌هایی از DNA شد که با ترکیب شدن طی فرآیندهای بیوتکنولوژیکی، یک دنبالهی کامل را می‌ساختند. بعد از اینکه این پروژه در سال ۲۰۰۳ با موفقیت به اتمام رسید، توالی ژنوم انسان به طور جامع تفسیر شد و اطلاعاتی در مورد ژن‌ها، کارکرد‌های زیستی، پروتئین‌های تولید‌شده و نقش آنها در بروز بیماری‌ها به دست آمد. بیوانفورماتیک در موفقیت پروژه “ژنوم انسان” نقشی مهم ایفا کرد. در این پروژه، حجم وسیع و گسترده‌ای از داده‌های مختلف به دست آمد که تحلیل و بررسی آنها و همچنین چگونگی ارتباط آنها با یکدیگر، نیازمند صرف زمان طولانی‌ای بود که با کارگیری علم بیوانفورماتیک، تفسیر داده‌ها در زمان کوتاهی انجام شد و در زمان صرفه‌جویی شد. همچنین پس از اتمام این پژوهش، داده‌های مربوط به آن، به صورت آنلاین هم منتشر شدند و اکنون همه‌ی محققان در سراسر دنیا به آنها دسترسی دارند. با توسعهی بیشتر تکنولوژی‌های توالی‌یابی، امروزه می‌توان تمام یک ژنوم را ظرف چند ساعت از طریق روشی به نام “Next-generation sequencing” توالی‌یابی کرد. این متد، تکنولوژیِ توالی‌یابیِ سیستماتیکِ بسیار قدرتمند و به صرفه‌ایست که میلیون‌ها و حتی میلیاردها رشته‌ی DNA را توالی‌یابی می‌کند.
کاربردهای رشته بیوانفورماتیک چیست؟
بیوانفورماتیک نه تنها برای تحقیقات پایه ژنومی و زیست‌شناسی مولکولی ضروری شده است، بلکه تاثیر عمده‌ای در بسیاری از زمینه‌های بیوتکنولوژی و علوم زیست پزشکی نیز دارد. در این قسمت به بیان برخی از کاربردهای بیوانفورماتیک خواهیم پرداخت. کاربردهای اصلی بیوانفورماتیک عبارتند از:
- بیوانفورماتیک نقشی حیاتی در زمینه‌های ژنومیک ساختاری، ژنومیک عملکردی و ژنومیک تغذیه‌ای ایفا می‌کند. این شاخه‌ی جدید مربوط به تحقیقات علمی در خصوص کشف پروتئوم‌ها از سطح ترکیب پروتئین داخل سلولی (پروفایل های پروتئین)، ساختار پروتئین، تعامل پروتئین با پروتئین و الگوهای فعالیت منحصربهفرد (مانند تغییرات پس از ترجمه) می‌باشد.
- از بیوانفورماتیک برای تجزیه و تحلیل رونویسی ژن‌ها نیز استفاده می‌شود که در آن سطوح بیان mRNA را می توان تعیین کرد.
- بیوانفورماتیک به صورت تئوری برای شناسایی و اصلاح ساختار یک محصول طبیعی، طراحی یک ترکیب با خواص مطلوب و ارزیابی اثرات درمانی آن هم کاربرد دارد.
- تجزیه و تحلیل انفورماتیک شیمیایی (Cheminformatics) شامل تحلیل‌هایی مانند جستجوی تشابه، خوشه‌بندی، مدل‌سازی QSAR، غربالگری و غیره است. همچنین بیوانفورماتیک نقش مهمی در تقریبا تمام جنبه‌های کشف دارو و توسعه دارو ایفا می‌کند.
- ابزارهای بیوانفورماتیک در پیش‌بینی، تحلیل و تفسیر یافته‌های بالینی و پیش‌بالینی بسیار موثر هستند.
در سایر زمینه‌ها، کاربردهای رشته بیوانفورماتیک چیست؟
کاربردهای اصلی آن شامل زمینه‌های زیر است:
پزشکی مولکولی (Molecular medicine)
ژنوم انسان تاثیرات عمیقی بر زمینه‌های تحقیقات بیوپزشکی و پزشکی بالینی خواهد داشت. تکمیل ژنوم انسان و استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیک به این معنی است که ما می‌توانیم به دنبال ژن‌هایی باشیم که به طور مستقیم با بیماری‌های مختلف در ارتباط هستند و به درک بهتر اساس مولکولی این بیماری‌ها کمک بزرگی خواهد شد. چنین دانش جدیدی از مکانیسم‌های مولکولی بیماری، درمان، مراقبت و حتی آزمایش‌ها پیشگیرانه بهتر را ممکن می‌سازد.
پزشکی شخصی شده (Personalised medicine)
با توسعه رشته فارماکوژنومیک، پزشکی بالینی شخصی‌سازی‌شده‌تر خواهد شد. به این معنی که خدمات درمانی مبتنی بر ویژگی‌های ژنی و مولکولی به وی ارائه خواهد شد. در واقع این حوزه مربوط به مطالعه‌ی چگونگی تاثیر ژنتیک یک فرد بر پاسخ بدن به داروها است. امروزه، پزشکان باید از آزمون و خطا برای یافتن بهترین دارو برای درمان یک بیمار خاص استفاده کنند، چرا که بیمارانی که علائم بالینی مشابهی دارند می‌توانند طیف وسیعی از پاسخ‌ها را به یک درمان نشان دهند. با پیشرفت این حوزه در آینده، پزشکان قادر خواهند بود که پروفایل ژنتیکی بیمار را آنالیز کنند و بهترین دارو درمانی و دوز را از همان ابتدا برای بیمار تجویز کنند. این نوع درمان می‌تواند به طرز فوق‌العاده‌ای روند درمان یک فرد را بهبود ببخشد. بدین ترتیب جنبه سازمانی و تحلیلی بیوانفورماتیک وارد می‌شود. در آلمان، فردی به نام توماس لنگوئر،با استفاده از روش‌های درمانی مبتنی بر بیوانفورماتیک توانست درمانی برای بیماران مبتلا به HIV ارائه کند. علاوه بر این در آلمان، یک مطالعه‌ی آزمایشی بر روی کودکان مبتلا به سرطان که در وضعیت حاد قرار داشتند انجام شد. هدف از این تحقیق، ارائه‌ی درمان هدفمند و موثر برای هر بیمار بود. نتیجه این بود که از ۵۷ بیمار که در این آزمایش حضور پیدا کردند، ۱۰ نفر توانستند درمان را با موفقیت کامل دریافت کنند.
ژن‌درمانی (Gene therapy)
این احتمال وجود دارد که در آینده‌ای نه چندان دور با استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیکی، پتانسیل‌های بالقوه استفاده از ژن‌ها برای درمان بیماری‌ها،به یک واقعیت تبدیل شود. ژن‌درمانی روشی است که برای درمان، مراقبت و یا حتی جلوگیری از بیماری با تغییر بیان ژن‌های فرد به کار می‌رود.
توسعه دارو (Drug development)
در حال حاضر تمام داروها در بازار تنها حدود ۵۰۰ پروتئین را هدف قرار می‌دهند. با درک بهتر مکانیسم‌های بیماری و استفاده از ابزارهای محاسباتی برای شناسایی و تایید اهداف دارویی جدید، می‌توان داروهای خاص‌تری را توسعه داد که غیر از اثرگذاری بر روی نشانههای یک بیماری، بر عامل به وجود آورنده‌ی آن بیماری هم تاثیر خواهدن گذاشت. این داروهای بسیار خاص تضمین می‌کنند که عوارض جانبی کمتری نسبت به بسیاری از داروهای امروزی داشته باشند.
کاربردهای ژنومی میکروبی(Microbial genome applications)
ورود توالی‌های کامل ژنوم و پتانسیل آنها برای ارائه بینش بیشتر به جهان میکروبی و ظرفیت‌های آن می‌تواند پیامدهای مثبت گسترده‌ای برای کاربردهای محیطی، بهداشتی، انرژی و صنعتی داشته باشد. به همین دلایل، در سال ۱۹۹۴، وزارت انرژی ایالات متحده (DOE)، پروژه‌ی ژنوم میکروبی که به اختصار MGP (به Microbial Genome Project اشاره دارد) نامیده می‌شود را آغاز کرد. هدف از این پروژه، توالی‌یابی ژنوم باکتری‌های مفید در تولید انرژی، پاک‌سازی زیست‌محیطی، پردازش صنعتی و کاهش زباله‌های سمی است. دانشمندان با مطالعه مواد ژنتیکی این موجودات زنده، می‌توانند نحوه فعالیت این میکروب‌‌ها را درک کنند و ژن‌هایی را که توانایی منحصربهفرد برای زنده ماندن تحت شرایط سخت را می‌دهد، جدا کنند.
پاک‌سازی مواد زائد (Waste cleanup)
دینوکوکوس رادیودورانس(Deinococcus radiodurans) به عنوان سخت‌ترین باکتری در دنیا شناخته می‌شود و در برابر تشعشع، مقاوم شناخته شده است. دانشمندان به دلیل مفید بودن بالقوه این میکروب در پاک‌سازی محل‌های زباله که حاوی تشعشع و مواد شیمیایی سمی هستند، به مطالعه‌ی این میکروب علاقه‌مند هستند.
مطالعات تغییرات آب و هوایی(Climate change Studies)
تصور می‌شود که افزایش میزان انتشار دی‌اکسید کربن، عمدتا از طریق گسترش استفاده از سوخت‌های فسیلی برای انرژی، به تغییرات آب و هوایی جهانی منجر شود. اخیرا، DOE (وزارت انرژی، ایالات‌متحده آمریکا)برنامه‌ای را برای کاهش سطوح دی‌اکسید کربن جو آغاز کرده‌است. یکی از روش‌های انجام این کار مطالعه ژنوم میکروب‌هایی است که از کربن دی‌اکسید به عنوان تنها منبع کربن خود استفاده می‌کنند.
منابع انرژی جایگزین(Alternative energy sources)
دانشمندان در حال مطالعه بر روی توالی ژنوم میکروب Chlorum tepidum هستند که توانایی شگفت‌انگیز و غیرمعمول برای تولید انرژی از نور دارد.
زیست‌شناسی تکاملی
برای مطالعه‌ی فرآیند تکامل، نیاز است که منشا و مبدا انواع گونه‌ها، اجداد آنها و احتمال جهش در طول این فرآیند را تحلیل و بررسی کرد. در سال ۱۹۷۷ اولین توالی ژنومی مربوط به نوعی فاژ(باکتری خوار) شناسایی شد. بیوانفورماتیک در مقایسه‌ی گونههای متعدد بر حسب نمایه‌ی ژنتیکی آنها و در نتیجه شناسایی درخت‌های تکاملی موسوم به درخت‌های فیلوژنتیک کمک می‌دهد.
بیوتکنولوژی (Biotechnology)
باکتری‌ها و میکروب‌هایی وجود دارند که می‌توانند کاربرد عملی در اصلاح محیط زیست صنعتی داشته باشند. این میکرو ارگانیسم‌ها در دمای بالاتر از نقطه جوش آب رشد می‌کنند و بنابراین می‌توانند برای نهادهای مربوط به محیط زیست جذاب باشند. چرا که می‌توانند با تولید آنزیم‌های مقاوم در برابر حرارت، برای استفاده در فرآیندهای صنعتی مناسب باشند. یکی از میکروب‌های مفید صنعتی کورینه‌باکتریوم‌گلوتامیکوم(Corynebacterium glutamicum) است که توسط صنعت محصولات شیمیایی برای تولید بیوتکنولوژیکی اسید آمینه لیزین به کار برده می‌شود. این ماده به عنوان منبع پروتئین در تغذیه حیوانات کاربرد دارد. لیزین تولید شده بر اساس این روش، به عنوان منبع پروتئن به خوراک کنسانتره اضافه می‌شود و جایگزینی برای سویا، گوشت و استخوان است. همچنین لاکتوکوکوس لاکتیس (Lactococcus lactis) یکی از مهم‌ترین میکروارگانیسم‌های درگیر در صنعت لبنیات است. محققان پیش‌بینی می‌کنند که درک فیزیولوژی و ساختار ژنتیکی این باکتری برای تولید‌کنندگان مواد غذایی و همچنین صنعت داروسازی که در حال بررسی ظرفیت لاکتیس به عنوان وسیله‌ای برای حمل دارو است، بسیار ارزشمند خواهد بود. واضح است که ورود دانش بیوانفورناتیک برای بررسی و تجزیه و تحلیل چنین میکروب‌هایی، نقش انکارناشدنی‌ای در صنایع ذکر شده دارد.
تحقیقات حول محور سرطان
از دیگر موضوعاتی که از وجود بیوانفورماتیک بهره‌‌مند می‌شود، تحقیق حول محور سرطان است. «بیوانفورماتیک سرطان» به عنوان یک استراتژی مهم و کارآمد در سیستم‌های پزشکی بالینی برای بهبود نتیجه‌ی درمان است و به آرامی در حال ظهور می‌باشد. برای مثال، گزارش شده است که تفسیر نشانههای ژنتیکی بیمار، می‌تواند در دسته‌بندی بیماران مبتلا به سرطان سینه کمک کند. همچنین الگوریتمی برای شبیه‌سازی رشد تومور و شناسایی متاستازها در سلول‌ها ارائه گردیده است. بیوانفورماتیک سرطان، نقشی اساسی در بررسی و اعتبارسنجی شبکه‌‌ی نشانگرهای زیستی پویا ایفا می‌کند. نشانگرهای زیستی شبکه‌ای، نشانگرهایی شامل تعامل پروتئین-پروتئین می‌باشند. هر گونه تغییر در این شبکه می‌تواند در زمان‌های مختلف پیشرفت بیماری بررسی شود .این شبکه به عنوان شبکه‌‌ی نشانگرهای زیستی پویا شناخته می‌شود.
بهبود کیفیت تغذیه
دانشمندان اخیرا موفق شدند ژن‌هایی را به برنج انتقال دهند که برای افزایش سطح ویتامین A، آهن و دیگر مواد مغذی به کار می‌روند. این کار می‌تواند تاثیر عمیقی در کاهش وقوع نابینایی و کم‌خونی ناشی از کمبود ویتامین A و آهن داشته باشد. همچنین دانشمندان یک ژن را از مخمر به گوجه‌فرنگی وارد کرده‌اند و نتیجه آن گیاهی است که میوه آن بیشتر روی تاک باقی می‌ماند و عمر مفید طولانی دارد.
توسعهی گونههای مقاوم در برابر خشکسالی
پیشرفت‌هایی در توسعه انواع غلات صورت‌گرفته است که تحمل بیشتری در برابر قلیایی بودن خاک، آلومینیوم آزاد و سمی بودن آهن دارند. با به وجود اومدن چنین گونههای از گیاهان، می‌توان امیدوار بود که کشاورزی را بتوان حتی در مناطق کم‌آب نیز رونق داد.
علوم دامپزشکی
پروژه‌های توالی‌یابی بسیاری از حیوانات مزرعه از جمله گاو، خوک و گوسفند در حال حاضر به خوبی در حال انجام است؛ به این امید که درک بهتر بیولوژی این موجودات زنده تاثیرات زیادی بر بهبود تولید و سلامت دام داشته و در نهایت برای تغذیه انسان سودمند باشد.
رشته بیوانفورماتیک در ایران | بیوانفورماتیک دانشگاه تهران
در حال حاضر امکان تحصیل در رشته‌ی بیوانفورماتیک در ایران تنها در مقاطع کارشناسی ارشد و دکتری وجود دارد. البته برای مقطع دکتری تنها گروه بیوانفورماتیک دانشگاه تهران است که دانشجو می‌پذیرد. این گروه، یعنی گروه بیوانفورماتیک دانشگاه تهران، در در سال ۱۳۸۴ در مرکز تحقیقات بیوشیمی و بیوفیزیک دانشگاه تهران تاسیس شد و از آن زمان تاکنون به تربیت دانشجویان دکترای تخصصی بیوانفورماتیک پرداخته است. در دی ماه ۱۳۹۷ نیز این گروه به ساختمان جدید بیوانفورماتیک دانشگاه تهران، واقع در خیابان قدس منتقل شد.
به غیر از گروه بیوانفورماتیک دانشگاه تهران، دانشگاه‌های دیگری در ایران وجود دارند که مقطع کارشناسی ارشد دانشجو می‌پذیرند. برای قبولی در این دانشگاه‌ها باید در کنکور گروه علوم کامپیوتر یا مهندسی کامپیوتر شرکت کنید. در میان دانشگاه‌های دولتی، دانشگاه صنعتی شریف (تهران)، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (تهران)، دانشگاه تربیت مدرس (تهران)، دانشگاه الزهرا (تهران)، دانشگاه شهید باهنر کرمان و دانشگاه زابل در این رشته را ارائه می‌کنند. علاوه بر دانشگاه‌ها، برخی از موسسات آموزشی غیرانتفاعی نیز دوره‌های آموزشی بیوانفورماتیک را در ایران برگزار می‌کنند. اما همچنان بالاترین مدرک علمی که از جانب وزارت علوم به شخصی اعطا می‌شود، همان مدرک بیوانفورماتیک دانشگاه تهران است.
منابع :
