Artmis.a
New member
زیست شناسی سامانه*های 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 داده*های عددی به دست آمده و تحلیل برهمکنش عناصر متعدد این سامانه*ها کسب می*شود. این اطلاعات به دانشمندان اجازه می*دهد تا با مطالعه و درک دینامیک (پویایی) سلولی و عمل سازواره*ها 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 فناوری*های مختلف زیستی که در مدت زمان کوتاهی داده*های بسیاری تولید می*کنند، 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، بهره*برداری 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، شبکه*های تنظیمی و ساختارهای پیچیده تر مثل سلول ها و بافت ها می*باشد.
برای دستیابی به این هدف، باید روش های ریاضی و کامپیوتری مناسبی برای مدلسازی و شبیه*سازی سامانه*های 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 برنامه*ای 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 مجموعه*های عظیم داده*ها را به حد قابل قبولی برساند.
به منظور رمزگشایی الگوهای زیستی، تلاش زیادی برای تجزیه و تحلیل کمی پدیده*های زیستی در راستای هدف بلندمدت توانمندی در مدلسازی فرآیندهای زیستی لازم است. رهیافت*های مدلسازی منجر به افزایش اهمیت تحقیقاتی می*گردد 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 گسترده*تر از اجزا مرتبط که یک سامانه (System) پیچیده را تشکیل می*دهند، 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 سامانه*های زیستی در تمامی سطوح، یک ساختار پژوهشی جدید را شکل می*دهد که در آن از فرصتهای طلایی ایجاد شده به دلیل ظهور فناوری*های 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 رشته*ای آن، همکاری تنگاتنگ زیست شناسان، ریاضی دانان، متخصصان علوم رایانه، مهندسان و متخصصان رشته*های دیگر لازم است.
برخی از سوالات اساسی که این همکاری مثبت و سازنده باید به آنها پاسخ دهد، عبارتند از:
الف) ساختار سامانه*های سلولی تا چه حد عمومی و قابل تقسیم به اجزا قابل اندازه*گیری می*باشد؟
ب) شبکه*های 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 می*دهند؟
پ) این شبکه ها تا چه حد می*توانند اجزا سازنده را تعیین (Modulate) نمایند؟
ت) چگونه می*توان 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 رشته*های مختلف، پروژه سلول مجازی را با هدف شبیه سازی کامپیوتری خصوصیات یک سلول آغاز نمایند. موضوع چالش برانگیزتر، مهندسی یک سلول کاملاً مصنوعی می*باشد. در آینده این ماشین های سلولی می*توانند تبدیل به سامانه*های مدل قدرتمندی برای شبیه سازی و تحلیل شبکه*های واقعی سلولی گردند.
با راه*اندازی این فناوری*ها می*توان پاسخ های قانع کننده*ای برای سوالاتی که زیست شناسان سال ها به دنبال پاسخ آنها بوده*اند، پیدا کرد. به طور مثال:
- ارتباط ساختار و وظایف سلول چگونه است؟
- چه قوانینی بر نحوه عمل سامانه*های درون سلولی حکمفرماست؟
- عوامل تعیین کننده تمایز سلولی چه هستند و تمایز چگونه رخ می*دهد؟
- اندازه و تعداد انواع مختلف سلولها در یک بافت یا اندام چگونه تنظیم می*شود؟
- برای مدلسازی هر نوع سلول چه چیزهایی باید بدانیم؟
- چگونه یک مدل سلولی ساده می*تواند برای شبیه سازی ساختارهای پیچیده سلولی و تشکیل بافت استفاده شود؟
- آیا می*توانیم الگوهای عمومی حکمفرما بر پیچیدگی های زیست شناسی را براساس ساختار شبکه ای پیچیده انواع مختلف سلول ها شناسایی نماییم؟
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)؛
- رهیافت*های کشف مجموعه*های ماکرومولکولی؛
- روش*های 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 فناوری*های نوین و همکاری نزدیک زیست شناسان محض، زیست شناسان محاسباتی، مهندسان، شیمی دانان و ریاضی*دانانی دارد که تفکر سیستمیک دارند. همچنین نوآوری فنی در ساخت دستگاههای آزمایشگاهی امکان اندازه*گیری*های دقیق و با حجم زیاد در واحد زمان را به ما می*دهد. این کار بزرگ تلفیقی از آزمایش، فرضیه و محاسبه می*باشد.
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 داده*های عددی به دست آمده و تحلیل برهمکنش عناصر متعدد این سامانه*ها کسب می*شود. این اطلاعات به دانشمندان اجازه می*دهد تا با مطالعه و درک دینامیک (پویایی) سلولی و عمل سازواره*ها 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 فناوری*های مختلف زیستی که در مدت زمان کوتاهی داده*های بسیاری تولید می*کنند، 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، بهره*برداری 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، شبکه*های تنظیمی و ساختارهای پیچیده تر مثل سلول ها و بافت ها می*باشد.
برای دستیابی به این هدف، باید روش های ریاضی و کامپیوتری مناسبی برای مدلسازی و شبیه*سازی سامانه*های 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 برنامه*ای 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 مجموعه*های عظیم داده*ها را به حد قابل قبولی برساند.
به منظور رمزگشایی الگوهای زیستی، تلاش زیادی برای تجزیه و تحلیل کمی پدیده*های زیستی در راستای هدف بلندمدت توانمندی در مدلسازی فرآیندهای زیستی لازم است. رهیافت*های مدلسازی منجر به افزایش اهمیت تحقیقاتی می*گردد 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 گسترده*تر از اجزا مرتبط که یک سامانه (System) پیچیده را تشکیل می*دهند، 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 سامانه*های زیستی در تمامی سطوح، یک ساختار پژوهشی جدید را شکل می*دهد که در آن از فرصتهای طلایی ایجاد شده به دلیل ظهور فناوری*های 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 رشته*ای آن، همکاری تنگاتنگ زیست شناسان، ریاضی دانان، متخصصان علوم رایانه، مهندسان و متخصصان رشته*های دیگر لازم است.
برخی از سوالات اساسی که این همکاری مثبت و سازنده باید به آنها پاسخ دهد، عبارتند از:
الف) ساختار سامانه*های سلولی تا چه حد عمومی و قابل تقسیم به اجزا قابل اندازه*گیری می*باشد؟
ب) شبکه*های 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 می*دهند؟
پ) این شبکه ها تا چه حد می*توانند اجزا سازنده را تعیین (Modulate) نمایند؟
ت) چگونه می*توان 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 رشته*های مختلف، پروژه سلول مجازی را با هدف شبیه سازی کامپیوتری خصوصیات یک سلول آغاز نمایند. موضوع چالش برانگیزتر، مهندسی یک سلول کاملاً مصنوعی می*باشد. در آینده این ماشین های سلولی می*توانند تبدیل به سامانه*های مدل قدرتمندی برای شبیه سازی و تحلیل شبکه*های واقعی سلولی گردند.
با راه*اندازی این فناوری*ها می*توان پاسخ های قانع کننده*ای برای سوالاتی که زیست شناسان سال ها به دنبال پاسخ آنها بوده*اند، پیدا کرد. به طور مثال:
- ارتباط ساختار و وظایف سلول چگونه است؟
- چه قوانینی بر نحوه عمل سامانه*های درون سلولی حکمفرماست؟
- عوامل تعیین کننده تمایز سلولی چه هستند و تمایز چگونه رخ می*دهد؟
- اندازه و تعداد انواع مختلف سلولها در یک بافت یا اندام چگونه تنظیم می*شود؟
- برای مدلسازی هر نوع سلول چه چیزهایی باید بدانیم؟
- چگونه یک مدل سلولی ساده می*تواند برای شبیه سازی ساختارهای پیچیده سلولی و تشکیل بافت استفاده شود؟
- آیا می*توانیم الگوهای عمومی حکمفرما بر پیچیدگی های زیست شناسی را براساس ساختار شبکه ای پیچیده انواع مختلف سلول ها شناسایی نماییم؟
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)؛
- رهیافت*های کشف مجموعه*های ماکرومولکولی؛
- روش*های 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 فناوری*های نوین و همکاری نزدیک زیست شناسان محض، زیست شناسان محاسباتی، مهندسان، شیمی دانان و ریاضی*دانانی دارد که تفکر سیستمیک دارند. همچنین نوآوری فنی در ساخت دستگاههای آزمایشگاهی امکان اندازه*گیری*های دقیق و با حجم زیاد در واحد زمان را به ما می*دهد. این کار بزرگ تلفیقی از آزمایش، فرضیه و محاسبه می*باشد.