بیوانفورماتیک چیست؟

تا چند دهه پیش ، کامپیوترها و زیست شناسی  دو حوزه علمی کاملا متفاوت محسوب می شدند. اما اخیرا، با رشد گسترده ­ی داده ها از طریق آزمایش های زیستی با توان بالا (High throughput) مانند توالی­ یابی ژنوم ، پروتئومیکس ، میکروبیوم و داده های حاصل از مطالعات بالینی ، زمینه جدیدی از علم را به نام بیوانفورماتیک تولید کرده است.

همه چیز درباره بیوانفورماتیک

• یک تعریف؟!

بیوانفورماتیک به شیوه­ های بسیار زیادی تعریف شده است؛ زیرا متخصصان این رشته همیشه بر سر حوزه و محدوده­ ی عمل آن در زیست­ شناسی و علوم کامپیوتر با یک­ دیگر توافق ندارند؛ اگرچه همواره به عنوان تلفیقی از هر دو علم با مشارکت سایر رشته­ ها در نظر گرفته­ شده است.

اولین بار در سال 1970 دو دانشمند با نام­ های پاولین هاگوگ (Paulien Hogeweg) و بن هسپر (Ben Hesper) اصطلاح بیوانفورماتیک را به معنای “مطالعه­ ی پردازش­ های اطلاعاتی در سیستم های بیوتیک” ابداع کردند، که معنایی به کل متفاوت با معنای امروزی آن دارد.

1. بیوانفورماتیک به عنوان یک دانش زیست ­شناختی

این که بیوانفورماتیک (Bioinformatics) و زیست­ شناسی محاسباتی (Computational Biology) به معنای ادبی ( زیست­ شناسی که شامل محاسبات است) یکسان هستند یا مجزا قابل بحث است. برای برخی، بیوانفورماتیک و زیست شناسی محاسباتی به عنوان هرگونه استفاده از کامپیوتر برای پردازش هر نوع اطلاعات مشتق شده زیست­ شناختی تعریف می­ شود، می ­خواهد این اطلاعات توالی­ های DNA باشد یا داده­ های مربوط به پرتونگاری اشعه­ ی X پستان. بنابراین حوزه­ های دیگری مانند تصویربرداری پزشکی و پردازش تصویر وجود دارد که ممکن است به عنوان بخشی از بیوانفورماتیک در نظر گرفته شود. می­ توان تعریف بالا را گسترده ­ترین تعریف برای این اصطلاح نامید. در عمل اما، تعریفی که بیشتر افراد از آن استفاده می­ کنند محدوده­ ی کوچک­تری را در برمی­ گیرد؛ برای آن ها بیوانفورماتیک مترادف است با ” زیست­ شناسی مولکولی محاسباتی” ؛ هرگونه استفاده از کامپیوتر برای توصیف اجزای مولکولی موجودات زنده.

2. بیوانفورماتیک به عنوان یک دانش محاسباتی

از نظر دیگران، بیوانفورماتیک مخفف ” انفورماتیک زیستی” است و از این رو با حوزه­ های علوم کامپیوتر هم چون فناوری اطلاعات و علم اطلاعات مرتبط است. این تعریف بنابراین بر اطلاعات  موجود در داده­ های زیستی تاکید می­ کند؛ هم چنین حاکی از آن است که حجم عظیمی از داده­ های زیستی باید مدیریت و تجزیه و تحلیل شوند.

با این حال می­ توان با توجه به ملاحظات بالا بیوانفورماتیک را این­ گونه تعریف کرد:

جمع­ آوری، طبقه­ بندی، ذخیره ­سازی و تجزیه و تحلیل اطلاعات زیستی و بیوشیمیایی با بهره ­گیری از رایانه­ ها، به خصوص در مورد زیست­ شناسی مولکولی، ژنتیک مولکولی و ژنومیک.

• چه کارهایی در بیوانفورماتیک انجام می شود؟

1. پردازش و تفسیر داده­ های گوناگون زیستی و بالینی؛ مانند توالی­ های نوکلئوتیدها (DNA و RNA) و آمینواسیدها (پروتئین ها)؛ هم­چنین ساختار پروتئین ­ها و دامین­ های آن­ ها
2. توسعه نرم افزارها، ابزارها و روش­های آماری جدید، که با استفاده از آن­ ها می ­توان اطلاعات زیستی را تجزیه و تحلیل کرد؛ مانند اندازه­ گیری میزان تشابه توالی­ های موجود در پایگاه­ های داده.
3. پیاده ­سازی ابزارها، که امکان ذخیره­ سازی، مدیریت و بازیابی کارآمد اطلاعات داده ­ها را فراهم می­ کند؛ مانند پایگاه­ های داده (databases) و نقشه­ برداری یکپارچه اطلاعات (integrated mapping information). بخش بسیار بزرگی از ابزار های بیوانفورماتیکی بر پایه ­ی هوش مصنوعی، یادگیری ماشین، یادگیری عمیق و غیره بنا شده ­است؛ برای نمونه می­ توان کتابخانه جدید یادگیری عمیق گوگل با نام Tensorflow را معرفی کرد.

پروتئاز ویروس کرونا

پروتئاز اصلی ویروس کرونای SARS-CoV-2 (2019-nCoV) در اتصال با مهارکننده (آبی). پیش­ بینی ساختار سه بعدی ماکرومولکول ­ها، طراحی دارو، پپتید و مهارکننده، یکی از وظایف اصلی بیوانفورماتیک ساختاری می­ باشد.

• شاخه ­های بیوانفورماتیک

شاخه های بیوانفورماتیک

1. شاخه ­های کامپیوتر محور

• کسب اطلاعات (Data acquisition)
• ورک فلو و پایپ لاینینگ (Workflow and pipelining)
• داده­ کاوی (Data mining)
• تشخیص الگو (Pattern recognition)
• پردازش زبان طبیعی (Natural language processing)
• یادگیری ماشین (Machine learning)
• پایگاه­ های داده (Machine learning)
• مصورسازی داده ­ها (Data visualization)

2. شاخه ­های زیست ­شناسی محور

• آنالیز توالی (Sequence analysis)
• اومیکس (Omics)
• ژنومیکس (Genomics)
• پروتئومیکس (Proteomics)
• ژنتیک (Genetics)
• سیستماتیک (Systematics)
• فیلوژنتیک (Phylogenetics)
• آنالیز ساختار (Structure analysis)
• آنالیز عملکرد (Function analysis)
• زیست شناسی سامانه ­ها (Systems biology)

3. شاخه­ های ریاضی محور

• ریاضیات زیستی (Mathematical biology)
• مدل­سازی زیستی (Biological modeling)
• آمار زیستی (Biostatistics)

4. شاخه­ های شیمی محور

• بیوشیمی ­انفورماتیک و بیوشیمی محاسباتی(Biocheminformatics and computational biochemistry)
• مدل­سازی مولکولی (Molecular modeling)
• مسیرهای زیستی (Biopathways – computational pathways biology)
• آنالیز چیپ­ های زیستی (Biochip analysis) مانند میکرو آرایه

5. شاخه ­های پزشکی محور

• انفورماتیک پزشکی (Medical informatics)
• طراحی و کشف دارو (Drug discovery and design)

• کار در بیوانفورماتیک

کار در بیوانفورماتیک

افرادی که دارای توانایی و شرایط مناسب هستند می­ توانند با عناوین زیر در حوزه­ ی بیوانفورماتیک کار کنند:

1. متخصص بیوانفورماتیک: متخصصانی که با این عنوان کار می کنند وظایفی مانند ارائه­ ی خدمات بیوانفورماتیکی و خدمات تجزیه و تحلیل داده ها ، آموزش ابزارهای موجود و ارائه­ ی کمک نوشتاری علمی به محققان را برعهده دارند.
2. پژوهشگر بیوانفورماتیک: این دانشمندان با استفاده از فناوری اطلاعات و علوم رایانه، زیست شناسی را مطالعه می­ کنند. آن­ ها با پژوهش، مطالعه، آنالیز و پردازش داده­ های زیستی تلاش می ­کنند تا اطلاعات بالقوه­ ی کشف نشده­ ی موجود در این داده­ ها را استخراج کنند.
3. تحلیل­گر بیوانفورماتیک: این افراد داده­ های بزرگ را برای استفاده در پژوهش ­ها آنالیز، دست­کاری و تفسیر می ­کنند.
4. مهندس نرم افزار بیوانفورماتیک: این افراد وظایفی همچون ساخت و توسعه ­ی نرم افزارهای مورد استفاده در این رشته را برعهده دارند. آن­ ها ممکن است به توسعه ابزارهای جدید برای تجزیه و تحلیل و اعتبار سنجی داده ها کمک کنند و به دنبال راه هایی برای گسترش قابلیت های دستیابی به داده ها باشند.

• چشم ­انداز شغلی

وزارت کار ایالات متحده در کتابچه چشم انداز شغلی خود بیوانفورماتیک را بیان نمی کند ، اما نگاهی به علوم پزشکی و حوزه سلامت الکترونیک نشان می دهد که متخصصان این عرصه می توانند انتظار چه درآمدی را داشته باشند. طبق نظرسنجی ملی اداره کار آمریکا در سال 2012 در همه زمینه ها ، متوسط حقوق و دستمزد سالانه این رشته 76980 دلار بود. پیش بینی می شود تقاضا برای کا در این حوزه تا سال 2022، 13 درصد رشد را تجربه کند.

هم چنین مجموعه نوین زیست انفورماتیک مفتخر است که با برگزاری دوره های کارآموزی بیوانفورماتیک به صورت تخصصی در جهت آموزش وارتقای سطح علمی علاقه‌ مندان به این رشته گام مهمی را بردارد.

• تحصیل بیوانفورماتیک در ایران

آن دسته از عزیزانی که علاقمند به ادامه تحصیل در رشته­ ی جذاب و نوین بیوانفورماتیک هستند می­ توانند با شرکت در آزمون کاشناسی ارشد، مجموعه علوم کامپیوتر در دانشگاه ­های تربیت مدرس، امیرکبیر، الزهرا و زابل و در مقطع دکترا در دانشگاه­ تهران و شهید بهشتی اقدام به تحصیل و پژوهش کنند.