همانند آناليز کنترل های متابوليکی و...

در طول دهه ی ٨٠ با انقلابی که در زمينه ی زیست شناسی مولکولی بوجود آمد اطلاعات زیستی رو به افزایش

گذاشت به طوری که مدل سازی کمی پروسه های زیستی به عنوان یک بخش کوچک فعاليت خود را آغاز کرد.

در دهه ی ٩٠ کامل شدن اطلاعات ژنومی فرصت بسيار مناسبی را برای ارائه ی مدل های دقيق تر فراهم کرد که

این مساله با افزایش سرعت محاسبه ی رایانه های در راستای پيشرفت سریع علوم رایانه ای همزمان بود.

توانستند اولين مقاله را در زمينه ی مدل سازی کمی متابوليکی سلول ارائه Masaru Tomita در سال ١٩٩٧ ، گروه

دهند.

شروع به کار کرد، Tokyo و Seattle بعد از سال ٢٠٠٠ با تاسيس مرکز سيستم بيولوژی که به طور مشت رک در

سيستم بيولوژی فعاليت خود را به عنوان یک رشته ی مستقل آغاز نموده است.

سيستم بيولوژی و داروسازی

يكي از آاربرد هاي اصلي اين رشته آه امروزه هزينه ها و تمرآز 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 آه در آينده نزديك با مدل سازي هاي دقيق تر بتوانند دارو هاي اختصاصي تر با اثرات جانبي آمتر و بهينه

را طراحي آنند.

به عنوان مثال نشان داده شده است آه گيرنده فاآتور رشد اپيدرمال آه امروزه مورد هدف بسياري از دارو هاي

جديد سرطان است، متعلق به يك خانواده است آه چهار نوع از انواع گيرنده هاي هم خانواده را شامل مي شود .

نشان داده شده است آه اين گيرنده ها توسط ٣٠ بر همكنش مختلف با مولكول هاي متفاوت تحريك مي شوند .

فلذا اين بر همكنش پيچيده ايجاب مي نمايد آه دياگرام و طرحي از نحوه ي عملكرد اين مولكول ها و نقش هر آدام

از آن ها را داشته باشيم. در اين صورت براحتي و با هزينه آم مي توانيم اثر هر نوع دارويي را آه طراحي مي آنيم

در نحوه عملكرد اين ترآيب پيچيده پيش بيني آنيم. بعلاوه مدل هاي آه توسط سيستم بيولوژي طراحي مي شوند

اين امكان را فراهم مي آنند آه واآنش سلول و مسير هاي بيوشيميايي آن را نسبت به شرايط محيطي آه نمي

توان برا حتي در آزمايشگاه مطالعه آرد را آناليز آنيم.

به طور آلي 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 آه مهمترين اين شبكه ها عبارتند از :

شبكه هاي ژني 􀃉

شبكه هاي برهمكنش پروتئين ها 􀃉

شبكه هاي متابوليسمي 􀃉

شبكه هاي سيگنالي 􀃉

و...

شكل :مراحل مختلف و اجزاء تشكيل دهنده دانش سيستم بيولوژي

واضح است آه براي مدل سازي هر آدام از اين شبكه ها با توجه به ويژگي هاي آه هر آدام از آن ها دارند از روش

ها و الگوريتم هاي خاصي استفاده مي شود ولي آن چه مهم است اين است آه در نهايت هدف سيستم بيولوژي

رسيدن به يك مدل واحد و آشف 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.

سيستم بيولوژی چيست؟

[ ٢٣ ] | تعداد بازديد [ ٥٤٥ /٠٢/ [نسخه چاپی ] [نظر سنجی ] | [بازگشت به صفحه قبل] | تاريخ ارسال[ ١٣٨٧

يکن 􀑧 د ول 􀑧 وده ان 􀑧 ری ب 􀑧 ی نگ 􀑧 ان و جزئ 􀑧 تا کنون علوم زيستی و پزشکی درصدد کشف جزئيات فرايند های سلولی و مولکولی و نفوذ در ذرات جه

خداوند دو چشم بر انسان عطا فرموده است تا در حين توجه به جزديات کليات را نيز در نظر داشته باشد

د􀑧 د باي 􀑧 ات را دي 􀑧 د جزئي 􀑧 ه باي 􀑧 ان ک 􀑧 د همچن 􀑧 ده باش 􀑧 توجه به جزئيات به تنهايی نمی تواند پاسخگوی سئوالات بشر و جهان پيچي

نگاهی نيز به تصوير کلی حيات داشت در چند سال گذشته دانشمندان متوجه شده اند برای مشاهده تصويری بزرگ از هستی

ات و 􀑧 ه حي 􀑧 تميک ب 􀑧 رش سيس 􀑧 ا نگ 􀑧 وژی و ي 􀑧 تم بيول 􀑧 بايد علاوعه بر کشف ذرات بايد ديدی کلی به جهان داشت اين دانش به سيس

پديده های مرتبط زيستی گفته می شود

سيستم بيولوژی و داروسازی

يكي از آاربرد هاي اصلي اين رشته آه امروزه هزينه ها و تمرآز 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 آه در آينده نزديك با مدل سازي هاي دقيق تر بتوانند دارو هاي اختصاصي تر با اثرات جانبي آمتر و بهينه

را طراحي آنند.

به عنوان مثال نشان داده شده است آه گيرنده فاآتور رشد اپيدرمال آه امروزه مورد هدف بسياري از دارو هاي

جديد سرطان است، متعلق به يك خانواده است آه چهار نوع از انواع گيرنده هاي هم خانواده را شامل مي شود .

نشان داده شده است آه اين گيرنده ها توسط ٣٠ بر همكنش مختلف با مولكول هاي متفاوت تحريك مي شوند .

فلذا اين بر همكنش پيچيده ايجاب مي نمايد آه دياگرام و طرحي از نحوه ي عملكرد اين مولكول ها و نقش هر آدام

از آن ها را داشته باشيم. در اين صورت براحتي و با هزينه آم مي توانيم اثر هر نوع دارويي را آه طراحي مي آنيم

در نحوه عملكرد اين ترآيب پيچيده پيش بيني آنيم. بعلاوه مدل هاي آه توسط سيستم بيولوژي طراحي مي شوند

اين امكان را فراهم مي آنند آه واآنش سلول و مسير هاي بيوشيميايي آن را نسبت به شرايط محيطي آه نمي

توان برا حتي در آزمايشگاه مطالعه آرد را آناليز آنيم.

به طور آلي 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 آه مهمترين اين شبكه ها عبارتند از :

شبكه هاي ژني 􀃉

شبكه هاي برهمكنش پروتئين ها 􀃉

شبكه هاي متابوليسمي 􀃉

شبكه هاي سيگنالي 􀃉

و...

Pathway/

interaction

DBs / literature

Data

analysis

Model

construction

Model

analysis

Hypothesis

formulation

Experimental

planning

Experiments to

test hypotheses

Biology

Technology

Computation

Cell-specific, comprehensive, kinetic and quantitative data

شكل :مراحل مختلف و اجزاء تشكيل دهنده دانش سيستم بيولوژي

واضح است آه براي مدل سازي هر آدام از اين شبكه ها با توجه به ويژگي هاي آه هر آدام از آن ها دارند از روش

ها و الگوريتم هاي خاصي استفاده مي شود ولي آن چه مهم است اين است آه در نهايت هدف سيستم بيولوژي

رسيدن به يك مدل واحد و آشف 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.

. تاريخچه

د . از 􀑧 دا کردن 􀑧 ل پي 􀑧 ا ١٩٧٠ تکام 􀑧 ای ١٩٠٠ ت 􀑧 ا ل ه 􀑧 ين س 􀑧 ا ب 􀑧 ريشه اصطلاح سيستم بيولوژی بر می گردد به مدلسازی های کمی که در مورد کنتيک آنزي مه

اين واژه به طور همزمان در مطالعات نوروفيزيولوژی، تئوری کنترل يا سايبرنتيک استفاده می شد. يکی از نظريه پردازانی که به عنوان مرجع توليد

است که نظريه عمومی تئوری سيست مها را ارائه داد. Bertalanffy Ludwig von اين واژه به شمار م یرود، پروفسور

ی􀑧 دلی رياض 􀑧 م Fielding Huxley Andrew و Lloyd Hodgkin Alan ، ل􀑧 ايزه ی نوب 􀑧 د ه ی ج 􀑧 ی و برن 􀑧 در سال ١٩٥٢ نوروفيزيولوژيستی انگليس

ب􀑧 ربان قل 􀑧 رای ض 􀑧 ه ای را ب 􀑧 دل رايان 􀑧 اولين م Noble Denis ، را برای نحوه ی ايجاد پتانسيل عمل در طول رشته ی آکسون ارائه دادند. در سال ١٩٦٠

ارائه کرد.

در طول دهه ی ٧٠ و ٨٠ ، تلاش هايی در زمين ههای مختلف مطالع هی سيستم های پيچيد هی زيستی انجام شد همانند آناليز کنتر لهای متابوليکی و ...

ی􀑧 ازی کم 􀑧 ه مدلس 􀑧 در طول دهه ی ٨٠ با انقلابی که در زمين هی زيس تشناسی مولکولی بوجود آمد اطلاعات زيستی، رو به افزايش گذاشت به طوری ک

پروسه های زيستی به عنوان يک بخش کوچک، فعاليت خود را آغاز کرد.

رعت 􀑧 زايش س 􀑧 ا اف 􀑧 اله ب 􀑧 ن مس 􀑧 ه اي 􀑧 رد ک 􀑧 راهم ک 􀑧 ر ف 􀑧 ق ت 􀑧 ای دقي 􀑧 د ل ه 􀑧 ه ی م 􀑧 رای ارائ 􀑧 بی را ب 􀑧 يار مناس 􀑧 ت بس 􀑧 ومی فرص 􀑧 ات ژن 􀑧 در دهه ی ٩٠ ، کامل شدن اطلاع

محاسبه ی رايانه ها در راستای پيشرفت سريع علوم رايان های همزمان بود.

توانستند اولين مقاله را در زمين هی مدلسازی کمی متابوليکی سلول ارائه دهند. Masaru Tomita در سال ١٩٩٧ ، گروه

ود را 􀑧 ت خ 􀑧 وژی فعالي 􀑧 شروع به کار کرد، سيستم بيول Tokyo و Seattle بعد از سال ٢٠٠٠ با تأسيس مرکز سيستم بيولوژی که به طور مشترک در

به عنوان يک رشته ی مستقل آغاز نموده است.

سيستمهای پيچيده بيولوژیک و......

د . 􀑧 ی کنن 􀑧 روی م 􀑧 ساز و کارهای موجود در يک سيستم بيولوژيک مثلا يک سلول در عين پيچيدگی بسيار از قوانين ساده ای پي

ش􀑧 ک دان 􀑧 ه کم 􀑧 ه ب 􀑧 د ک 􀑧 ی باش 􀑧 وم م 􀑧 های عل 􀑧 اترين بخش 􀑧 کشف اين قوانين ساده جهت توصيف سيستم های پيچيده بيولوژيک از زيب

ی􀑧 وين م 􀑧 م ن 􀑧 رياضيات، بيولوژی ، کامپيوتر و فيزيک در قالب علم بيولوژی سيستمها پديدار گشته است. رهيافت های اين عل

وژی 􀑧 ون بيول 􀑧 س مره 􀑧 ن پ 􀑧 کی از اي 􀑧 م پزش 􀑧 د. عل 􀑧 ک کن 􀑧 رطانها کم 􀑧 ل س 􀑧 ده مث 􀑧 ای پيچي 􀑧 ياری از بيماريه 􀑧 م بس 􀑧 ه درک مکانيس 􀑧 د ب 􀑧 توان

سيستمها خواهد بود.

می تواند بسيار شگفت انگيز باشد. ( Systems Level) پ.ن.: نگاه به همه پديده ها در سطح سيستمها

ازی 􀑧 ور مج 􀑧 پ.ن.: آيا در آينده می توان بيماريهای مثل سرطان ها ، ديابت و ........ رابه طور جامع مدل سازی کرد و به ط

به طراحی راهکارهای درمانی پرداخت؟

رخلاف 􀑧 پ.ن: نطريه تکامل از پر بحث ترين نطريه های علمی است. تکامل تنها نطريه واقعی موجود در بيولوژی است. ( ب

ين 􀑧 يار تعي 􀑧 علومی مثل فيزيک که پر از نطريه های مختلف اند.) اهميت اين نظريه در اثر نگاه فلسفی ناشی از آن است که بس

کننده است. در پست بعدی در اين باره بيشتر می نويسم. آيا ما حاصل تکامليم؟

حيات يكي از پيچيده ترين پديده ها در جهان است که در قرون گذشته در قالب علوم زیستي

مانند پزشکی، کشاورزی، گياه شناسي ، جانور شناسي، اآولوژي و ... و اخير ا ب ا روش هاي

مولكولي مورد تحقيق قرار گرفته است .سال هاي سال است آه محققان تلاش مي آنند تا نحوه

ي فعاليت بخش هاي مختلف سلول را آشف آنند .به همين منظور آن ها مطالعات بيوشيمي ايي

زيستي انجام داده ان د . اين ،RNA و DNA زيادي را روي مولكول هاي بزرگ و آوچك مي

ماآرومولكول ه ا شامل پروتئين هاشوند .هم چنين مطالعات زيادي در مورد همانندسازي،

رونويسي، ترجمه، ساختار و عملكرد غشاء و واکنش های متابوليسمی صورت گرفته است .

بعلاوه، مفاهيم نظري درباره برهمكنش عوامل تنظيمی و شبكه هاي متفاوت زيستي تكامل پيدا

آرده اند.

اکنون پروژه های ژنومی موجودات مختلف اطلاعات بسيار زیادی را از ژن ها و محصولات آن ها در

اختيار ما گذاشته اس ت . آشکار است که گام بعدی مطالعه ی آزمایشگاهی و رایانه ای عملکرد

این ژن ها و محصولات آن ها در ابعاد سلول و نحوه ی ارتباط آن ها است .از طرف دیگر به واسطه

ی روش های آزمایشگاهی مختلف و پيشرفته که روز به روز در حال ترقی هستند اطلاعات

عملکردی ما از ژن ها و ماکرومولکول های زیستی افزایش می یابد. بنابراین به منظور استفاده از

اطلاعات به دست آمده از پروژه های ژنومی و اطلاعات عملکردی لازم است که این داده ه ا ب ا

استفاده از رایانه به صورت دسته بندی شده د ر بياین د .توليد، جمع آور ی و تجزیه و تحليل

اطلاعات در مورد واکنش های بيوشيميایی و متابوليت های حاصل را تحت می شناسند .

عنوان متابولميکسمرحله ي بعدي در ادامه اين تحقيقات، تلاش هاي بيشتر در (Metabolimics)

جهت مطالعات سيستماتيك در زمينه ي سلول ها، اندام ها و موجودات زنده؛ بويژه فرآیندهای

سلولي مانند برهمکنش های مولکولی ، ارتباطات بين سلولي، تقسيم سلولي ،هموستازي و

سازگاري های محيطی است .دانشي آه اين مجموعه از فعاليت ه ا را ناميده شده است " .

دنبال مي آند "سامانه های زیستيدر واقع، زمان آن فرا رسيده است آه شاخه (System Biology)

هاي مختلف علوم زيستي به منظور درك بهتر چگونگي عملكرد سلول، چگونگي تنظيم فزآیند

هاي سلولي و چگونگي واآنش و سازگاري با تغييرات محيطي با هم ادغام شوند .در اين ميان

هاي آزمايشگاهي مانند (microarray, proteinarray. DNAchip) اختراع و بكارگيری روش با توليد

انواع آرایه هاداده هاي انبوه امكان بررسي هم زمان تعداد زيادي از ژن ها و ماآرومولكول هاي در

سلول ها و بافت های مختلف در مراحل تکوینی متفاوت و ابعاد زمان و شرايط محيطي مختلف را

فراهم آورده اند .با استفاده از اين داده ها نحوه بر همكنش و تنظيم ژن ها در انواع فرآیند هاي

زيستي قابل شناسايي و قانونمند شدن هستن د . در واقع، اين داده ها منبع اصلي اطلاعات

مورد نياز در دانش سامانه های زیستی هستند.

رشته سامانه های زیستی توسط تعدادي از دانشمندان پيشرو و آنجكاو پايه گذاري شد .ولي به

دليل پتانسيل بسيار بالاي آاربردي اين رشته در ابعاد مختلف علوم زيستي و پزشكي بسياري از

شرآت هاي زیست فناوری آه به دنبال توليد فراورده ها و دارو هاي زیستی هستند ب ا احساس

نياز به ابزاري با قدرت پيش بينی بالا براي مدل سازي و پيش بينی اثرات محصولات خود ب ا روش

های ارزان و سريع به دنبال اين رشته رفتند .اميد هاي بسياري امروزه با تولد اين شاخه از علم

در زمينه سلامت و بيماريهاي ژنتيكي و سرطان ايجا د شده است . چر ا آه اميد می رود بتوان

تمام

اتفاقاتي را آه در سلول هاي بيمار و سالم اتفاق مي افتد را مدل سازي و با هم مقايسه آرد و به

علت اصلي بيماري ها و درمان آن ها پي برد.

يكي از آاربرد هاي اصلي اين رشته آه امروزه هزينه ها و تمرآز زيادي را به خود

اختصاص داده است، استفاده از سامانه های زیستی در م دل سازي اثرات دارو ها در

سلول هاي هدف و مسير هاي بيوشيميايي درگير اس ت . دانشمندان اميدوارند آه در

آينده نزديك با مدل سازي هاي دقيق تر بتوانند دارو هاي اختصاصي تر با اثرات جانبي

آمتر و بهينه را طراحي آنن د . به عنوان مثال نشان داده شده است آه گيرنده فاآتور

رشد اپيدرمال آه امروزه مورد هدف بسياري از دارو هاي جديد سرطان است، متعلق

به يك خانواده است آه چهار نوع از انواع گيرنده هاي هم خانواده را شامل مي شو د.

نشان داده شده است آه اين گيرنده ها توسط ٣٠ بر همكنش مختلف با مولكول هاي

متفاوت تحريك مي شون د . فلذا اين بر هم ك نش پيچيده ايجاب مي نمايد آه دياگرام و

طرحي از نحوه ي عملكرد اين مولكول ها و نقش هر آدام از آن ها را داشته باشي م.

در اين صورت براحتي و با هزينه آم مي توانيم اثر هر نوع دارويي را آه طراحي مي

آنيم، بر نحوه عملكرد اين ترآيب پيچيده پيش بيني آني م . بعلاوه، مدل ه اي آه در

قالب سامانه های زیستی طراحي مي شوند اين امكان را فراهم مي آنند آه واآنش

سلول و مسير هاي بيوشيميايي آن را نسبت به شرايط محيطي آه نمي توان برا

حتي در آزمايشگاه مطالعه آرد را پيش بينی و تجزیه و تحليل آنيم.

به طور آلي رشته سامانه های زیستی بر سه پايه اصلي استوار است:

جمع آوري و تلفيق داده هاي آزمايشگاهي

پردازش داده ها و استخراج قوانين حاکم در برهمکنش های مولکولی

مدل سازي برهمکنش های مولکولی

موضوعات اصلي در سامانه های زیستی شامل آناليز شبكه هاي مختلف است آه مهمترين اين

شبكه ها عبارتند از:

شبكه هاي ژني

شبكه هاي برهمكنش های بين مولکولی) بویژه پروتئين ها)

شبكه هاي متابوليسمي

شبكه هاي سيگنالي

و...

مراحل مختلف و اجزاء تشكيل دهنده رشته سامانه های زیستی

واضح است آه براي مدل سازي هر آدام از اين شبكه ها با توجه به ويژگي هاي آه هر آدام از آن

ها دارند از روش ها و الگوريتم هاي خاصي استفاده مي شو د .ولي آن چه مهم است اين است

آه در نهايت هدف سامانه های زیستی رسيدن به يك مدل

واحد و آشف ارتباطات بين اين شبكه ها و نقش آن ها در حيات سلول ، ارتباط بين سلول ه ا

و شرايط محيطي و در نهايت پاسخ موجود ب ه تغييرات محيطي اس ت . به طوری که زیست

شناسی نيز مانند فيزیک به علمی محاسباتی و به عبارت دیگر فابل پيش بينی تبدیل شود.

نمایی از مسير هاي بيوشيميايي سلولي و طرحي آلي و ساده از ع وامل تشكيل دهنده مسير

هاي متابوليسمي

همان طور آه اشاره شد ،سامانه های زیستی شامل بخ ش آزمايشگاهي و بخ ش مدل سازي

رايانه اي است .به همين دليل در اين رشته روش ها و داده هاي مختلف از علوم متنوعي مانن د

زیست شناسی، شيمي، فيزيك، رياضي، علوم آاربردي ، مهندسي، سيبر نتيك و رايانه مورد

استفاده قرار مي گير د . ماهيت بين رشته اي سامانه های زیستی ايجاب مي آند آه اطلاعات

بين دانشمندان رشته هاي مختلف مبادله شود .به عنوان مثال فرمول هاي رياضي توسط

دانشمندان رياضي براي زيست شناس ها بايد قابل فهم تر شوند و در مقابل دانشمندان علوم

رياضي و رايانه بايد قادر باشند تا طبيعت متغيير و متنوع داده ها و نتايج آزمايش های زيستي را

درك آنند .اين مشكلات در طولاني مدت توسط آموزش و د ر آوتاه مدت توسط ارائه و تبادل نتايج

تحقيقات مختلف در سطوح مختلف قابل حل است.

از بخش هاي اصلي دانش سامانه های زیستی مطالعه ي مسير هاي بيوشميايي و استفاده از

اطلاعات مختلف ژنوميكس در شناسايي مسير هاي ناشناخته و تكميل آن ه ا است .مجموعه

مطالعاتي آه در زمينه شناسايي متابوليت هاي سلولي و مقايسه مسير هاي بيوشيمايي سلول

هاي مختلف در موجودات مختلف صورت مي گيرد تحت عنوان "متابولميكس 1" مطرح است آه

يكي از بخش ها مهم سامانه های زیستی است .در اين بخش به منظور آشنايي با دنياي بسيار

پيچيده سامانه های زیستی شما را با مبحث متابولميكس آه آشنا مي آنيم.