در دهه­ گذشته با بهبود و پیشرفت امکانات جدید آزمایشگاهی مانند PCR ، BAC ، الکتروفورز ژل و چیپ های micro array و همچنین انقلاب در فناوری رایانه ها و تکنیک های بیوانفورماتیک به رشد عظیمی در پایگاه داده های ژنومیک و پروتئومیکس دست یافته ایم. در دسترس بودن این داده ها و تکنیک های بیوانفورماتیک برای بشر این انتظار را به وجود آورده است، که بتواند با دست ورزی میکروارگانیسم ها ژنتیک آنها را کنترل کند. مزایایی چون تشخیص بهتر بیماری ها از طریق استفاده از مارکرهای زیستی پروتئینی، محافظت در برابر بیماری­ها با استفاده از واکسن­های مقرون به صرفه و طراحی منطقی دارو، بهبود کیفیت و کمیت کشاورزی و… با بهبود سرور های بیوانفورماتیک میسر شده است.

علاوه بر این، تجزیه و تحلیل داده ها توسط ابزارهای  بیوانفورماتیک درک ما را در مورد ساختار ژنوم و فرایند بازسازی میکروارگانیسم ها افزایش داده است. در دهه گذشته، تکنیک های بیوانفورماتیک برای شناسایی و تجزیه و تحلیل اجزای مختلف سلول ها مانند عملکرد ژن و پروتئین، برهم کنش ها  و مسیرهای متابولیک و تنظیم کننده توسعه یافته اند. دهه آینده متعلق به درک مکانیسم سلولی و دستکاری سلولی با استفاده از ادغام بیوانفورماتیک، آزمایشات مولکولی و تکنیک های شبیه سازی سلولی است.

اخیرا، محققان از این تکنیک ها برای تولید پروتئین های نوترکیب استفاده نموده اند. علی رغم اینکه ، این رشته حوزه جدیدی است، اما بیوانفورماتیک از طریق توسعه الگوریتم ها، ابزارها و تکنیک ها به بیوتکنولوژی کمک بنیادی کرده است. از جمله می توان به مواردی همچون تعیین توالی ژنوم به صورت خودکار، پیش بینی مدل سازی ساختار سه بعدی، مقایسه دو ژن و شناسایی ژن ها اشاره نمود.

تعیین توالی ژنوم به صورت خودکاریکی از تکنیک های مهم بیوانفورماتیکی

در این روش اساس کار مبتنی بر روش های PCR  یا BAC و الکتروفورز دو بعدی است. بیوانفورماتیک در پیش بینی منطقه پروموتور ژنوم، پیش بینی منطقه کد کننده ژنوم، کمک به پیوستن توالی قطعات کوچکتر DNA برای تشکیل توالی ژنوم کامل و شناسایی خطا در نوکلئوتید ها کاربرد دارد. از زمان تعیین توالی اولین ژنوم میکروبی Haemophilus influenzae در 1995  صدها ژنوم میکروبی برای تحقیقات عمومی در GenBank توالی یابی و بایگانی شده است.  http://ftp.ncbi.nih.gov/genbank/

تکینیک شناسایی ژ­ن ها

برنامه های مهم در تکینیک های بیوانفورماتیک مانند GLIMMER و GenBank برای شناسایی ناحیه کد کننده یا تعیین فریم های خواندن در ژنوم استفاده می شوند.

روشی شناسایی عملکرد ژن

پس از شناسایی فریم های صحیح خواندن بازها نوبت به شناسایی عملکرد ژن مورد نظر می رسد. ابزار های جست و جوی توالی و الگوریتم های BLAST ، BLOSUM ، ClustalX  و SMART برای شناسایی عملکرد ژنوم استفاده می شوند.

مدلسازی ساختار سه بعدی (سه بعدی): تکینک بیوانفورماتیکی در پیش بینی ساختار پروتئین

ساختار پروتئین بسته به اینکه به صورت منفرد باشد یا در حالت میانکنش با لیگاند، پروتئین ها، DNA و RNA باشد می تواند متغیر باشد. همچنین عملکرد این پروتئین ها نیز بستگی به این فعل و انفعالات دارد. تکنیک های بیوانفورماتیک برای پیش­بینی ساختار احتمالی پروتئین کد شده توسط ژن مربوطه استفاده می گردند. این مسئله به شناسایی عملکرد پروتئین کمک شایانی می نماید.

مقایسه ژنوم به صورت جفت تکنیکی در شناسایی گروه های مختلف ژنی

در این روش از مقایسه دو ژن برای به دست آوردن روابط هومولوگ، پارالوگ و ارتولوگ استفاده می شود. این تکنیک برای شناسایی انواع مختلف گروه های ژنی و ژن های مجاور که در عملکردهای سطوح بالاتر دخیل هستند و همچنین انتقال جانبی ژن که موجب انتقال ژن ها از میکروارگانیسم های تکاملی است، مورد استفاده قرار می گیرد. این تکنیک در بیوانفورماتیک  برای تجزیه و تحلیل ژن نیز کاربرد دارد.

کشف دارو

تکنیک های بیوانفورماتیک روند کشف و طراحی محاسباتی دارو  را بهبود و سرعت می بخشند. امروزه بر کسی پوشیده نیست سرعت کشف و تولید دارو بسیار حائز اهمیت است. با وجود بیماری های متعدد رو به رشد و از طرفی هزینه های گزاف تحقیقات نیاز به تکینک های بیوانفورماتیک پیش از پیش در این حوزه حس می شود.

کاربرد تکنیک های بیوانفورماتیک درطراحی واکسن

روش های بیوانفورماتیک در طراحی موثر و کارآمد واکسن و شناسایی عوامل ضد میکروبی بسیار می توانند موثر باشند. با وجود شیوع ویروس کرونا نقش واکسن موثر بسیار مورد توجه قرار گرفت. در این بحران جهانی تکنیک های بیوانفورماتیک نقش موثر و مهمی را ایفا نمودند.

تکنیک های بیوانفورماتیک موثر در مقایسه ژنوم

تکنیک های بیوانفورماتیک در شناسایی ژنوم به این شرح می باشد:

• شناسایی عملکرد حفظ شده در یک خانواده ژنومی
• شناسایی یک ژن خاص در ژنوم
• مدلسازی ساختار سه بعدی پروتئین
• اتصال ترکیبات مولکولی به گیرنده ها

این موارد در شناسایی عملکرد ژن و ژنوم بسیار کمک کننده هستند.

مسائل احتمالی در استفاده از تکینک های بیوانفورماتیک

به دلیل حجم بالای داده های توالی یابی شده و هزینه بر بودن پروژه های آزمایشگاهی و کمبود نیروی انسانی در سال های اخیر بیوانفورماتیک نقش بسیار پررنگی در حوزه زیست شناسی و شاخه های آن پیدا کرده است. بدون دستکاری بیوانفورماتیکی، تفسیر این داده ها غیرقابل تصور است. به دلیل کاربرد برنامه های بیوانفورماتیک، هزینه تمام این پروژه­های بزرگ به شدت کاهش می یابد.

با وجود مزایایی که گفته شد اگرچه استفاده از ابزارهای بیوانفورماتیک بسیار کمک کننده بوده اند، اما گاهی اطلاعات خروجی حاوی مثبت کاذب و منفی کاذب هستند. این نتایج باید با آزمایشات مولکولی تأیید و اصلاح شوند. با این حال، تأیید کامل به دلیل در دسترس نبودن متخصصان، منابع و مشکلات در هماهنگی و تغییر پایگاه های اطلاعاتی بیوانفورماتیک ناشی از تجزیه و تحلیل ها و اکتشافات جدید از نظر انسانی گاهی غیرممکن می شود.

کلام آخر

به طور کلی تکنیک های بیوانفورماتیک تأثیر زیادی بر روی بیوتکنولوژی و کاربردهای آن داشته است. پیشرفت در بیوانفورماتیک و تکنیک­های آزمایشگاه مولکولی باید به هم وابسته و متمرکز باشد تا یکدیگر را برای پیشرفت خود و پیشرفت بیوتکنولوژی در آینده تکمیل کنند. با وجود پیشرفت گسترده تکنیک های بیوانفورماتیک، آموزش موثر در این حوزه بسیار حائز اهمیت است. ما در نوین زیست تمامی آموزش های مهم و کاربردی در زمینه کارآموزی بیوانفورماتیک را در اختیار علاقه مندان قرار داده ایم. با ما در نوین زیست همراه باشید.