بيوتکنولوژی

بسیار بسیار در نوشتن تحت وب تنبل شده ام. مثل اینکه بیماری پیرمردایی مثل ماست که بیش از 10 ساله داریم تو وب می نویسیم. شاید این وبلاگ، اولین وبلاگ علمی فارسی باشد که الان ماه به ماه آپدیت نمی شود.

چند نکته جالب در این چند وقت پیش اوومد که می خوام باهاتون در میون بزارم.

---------------

اولین موضوع درج مقالات مسخره از طرف دانشجویان ایرانی در مجلات علمی دارای نمایه ISI است، مثل مقاله معروف به "کله پاچه" یا مقاله معروف به "آبدارخانه" که متاسفانه در کنار مقالات تقلبی چاپ شده از کشورمان، کم کم اعتبار علمی کشورمان را در جهان کاهش داده و در آینده چاپ مقالات علمی در مجلات نمایه شده با مشکل مواجه خواهد شد.

-------------

موضوع دوم شروع یک روزم در تهران بود که بعدش که بهش فکر کردم دیدم در حد یک فاجعه است. جریان از این قرار بود که یک روز برای گرفتن نتیجه یک آزمایش به داخل شهر رفتم (محل کار من اتوبان تهران کرج است و خونمون آریاشهر، بنابراین معمولاً وارد شهر نمی شوم). در ابتدا از کوچه بالایی که یه طرفه است به سمت خیابان ستارخان رفتم که ماشینی با سرعت بالایی به طرفم اوومد (ورود ممنوع) و با بوق ممتد و چراغ زدن انتظار داشت که من دنده عقب بروم. طرف بعدش پایین اوومد و با رکیکترین الفاظ به من صبح بخیر گفت. البته من در استفاده از قفل فرمان یا جک ماشین در این مواقع مشکلی ندارم و این مسئله با کمی ترشح آدرنالین و دنده عقب گرفتن راننده مذکور خاتمه یافت. داستان ادامه داشت... برای اینکه جلوی مجتمع درمانی پارک نکنم (به خاطر حضور احتمالی آمبولانس)، کمی دورتر پارک کردم. به منظور گرفتن نتیجه ازمایش، وقتی داشتم وارد ساختمان آزمایشگاه می شدم، یکی با سوت منو صدا زد. محلش نزاشتم. رفتم نتیجه آزمایش رو گرفتم و سریع رفتم سوار ماشین بشم که یه پسر جوون خشن با موهای فشن با الفاظ دلنشینی به استقبالم اوومد و منو به طرف خیابان هل داد. تازه فهمیدم که نامبرده از پارک ماشینم روبروی مغازه خود شاکی هستند و برای پارک کردن ماشینم در خیابان عمومی باید از ایشون اجازه می گرفتم!!! ایشون برای محکم کاری یه چاقو نیز از جیبشون در آورده بودند که اگه وساطت سایر مغازه داران نبود اوون چاقو یا تو تن من یا تن اوون فرو رفته بود.

وقتی به پژوهشگاه رسیدم، پیش خودم فکر کردم که این همه تنش در فاصله نیم ساعت بدون اینکه مقصر باشی برایم پیش اوومده و در کشورمون به راحتی به کرامت انسانی ما بی توجهی می شود. این همه محترمانه زندگی کردیم و به کسی بی احترامی نکردیم و این همه تلاش کردیم تا عضو هیات علمی بشیم، اون وقت یه لمپن به راحتی و بدون دلیل می تونه روت چاقو بکشه و شایدم نتایج یه عمر تلاشتو نابود کنه.

اوون وقت بود که فهمیدم ما خیلی بی ارزشیم...بی ارزشتر از اوونی که فکر کنیم و نیازی هم به ترور عوامل موساد و سیا نیست...ما خودمان مرتباً شخصیت همدیگرو ترور می کنیم.

چالش بزرگی که در حال حاضر دانشمندان در زیست شناسی سامانه ها (Systems Biology) با آن روبرو هستند، بهره‌برداری از انبوهی از داده ها و اطلاعات در سطوح مختلف سلولی و فرآیندهای رشد و نمو موجودات زنده و ادغام و تحلیل این اطلاعات به منظور درک بهتر برهمکنش سطوح مختلف زیستی می‌باشد.

برای دستیابی به این هدف، باید روش­های ریاضی و کامپیوتری مناسبی برای مدلسازی و شبیه‌سازی سامانه‌های پیچیده زیستی طراحی نمود. بدین ترتیب، به ابزاری مناسب برای استخراج اطلاعاتی کارآمد و مفید از این داده‌های خام که در پایگاه‌های داده‌ها جمع‌آوری و نگهداری می‌شوند، نیاز است. ابزارهای مدلسازی به ما در پروراندن ایده‌های نظری و فرضیات با استفاده از داده‌های خامی که در پایگاه‌های داده‌ها نگهداری می‌شوند، کمک می‌کنند.

در این مبحث چندین ابزار که با بهره­گیری از داده­های خام پایگاه­های علوم زیستی به نمایش، مدلسازی، شبیه­سازی و تحلیل این داده ها و استخراج اطلاعات از آنها کمک می­کنند، معرفی می­گردند. این ابزارها عموماً نرم­افزارها و برنامه­های رایانه­ای می­باشند و عمدتاً از طریق اینترنت قابل تهیه بوده و مرتباً نسخه‌های جدید و بهبود یافته آنها به بازار می‌آید. اغلب این نرم‌افزارها در زمینه یک روش یا فن خاصی بوده و کار کردن با آنها به سهولت انجام می‌شود.

1-    نرم‌افزارهای عمومی Matlab و Mathematica

Mathematica و Matlab دو ابزار جامع و عمومی برای انجام محاسبات و مشاهده نتایج هر نوع مدل ریاضی می‌باشند. Mathematica با انواع سیستم عامل‌ها مثل ویندوز، لینوکس و یونیکس کار کرده و آخرین نسخه آن در آدرس www.wolfram.com معرفی شده است. این نرم‌افزار دو بخش عمده دارد: هسته مرکزی برنامه که محاسبات را انجام می‌دهد و واسط گرافیکی آن موسوم به GUI که ارتباط تنگاتنگ با هسته مرکزی محاسباتی دارد.

مزیت عمده Mathematica، انجام محاسبات پیچیده خاص بوده و در عین حال سایر برنامه‌ها می‌توانند از هسته مرکزی محاسباتی آن برای ارائه انواع نمودارها بهره‌برداری نمایند. در عین حال ارائه مرتب نسخه‌های جدید این نرم‌افزار که امکان انجام محاسبات جدیدی را دارند، از دیگر مزیت­های این نرم‌افزار می‌باشد. رقیب اصلی Mathematica، نرم‌افزار Matlab می‌باشد که آخرین نسخه آن در آدرس www.mathworks.com معرفی شده است. هر دو نرم‌افزار مشابه یکدیگر می‌باشند و انتخاب یکی از این دو بیشتر به سلیقه کاربر بستگی دارد تا امکانات آنها.

 Matlab نیز دارای توانایی محاسباتی بالا و گرافیک متنوعی می‌باشد. همچنین این برنامه دارای زبان برنامه‌نویسی و عملیات خاص خود بوده که در فایل­های موسوم به M-files نگهداری می‌شود.

علی‌رغم مشابهت‌های فراوان این دو نرم‌افزار، تفاوت­هایی در رفع مشکلات نرم‌افزار، ملحقات، محاسبات نمادین، ذخیره داده‌ها و نمودارها و … وجود دارد.

2- Gepasi

http://www.gepasi.org

نرم‌افزارهای عمومی دارای ابزارهای فراوانی بوده که بخش اعظم آنها شاید مورد نیاز یک زیست‌شناس نباشد. بسیاری از متخصصان گرایش های مختلف علوم زیستی ترجیح می‌دهند تا از نرم‌افزارها و ابزار تخصصی که برای منظور خاصی طراحی شده است استفاده نمایند.

Gepasi یکی از این نرم‌افزارها است که برای مدلسازی برهمکنش های بیوشیمیایی طراحی شده است. این نرم‌افزار توسط Pedro Mendes نوشته شده و به رایگان در آدرس www.gepasi.org در دسترس می‌باشد.

در این برنامه، واکنش شیمیایی وارد شده و انرژی واکنش توسط معادلات موجود و طبق انتخاب کاربر تعیین می‌شود. وقتی که یک سامانه شناسایی گردد، برنامه این امکان را برای کاربر فراهم می‌کند که اطلاعات متعددی از واکنش­های این سامانه به دست آورده و مدل­هایی مبتنی بر داده‌های موجود را برای سامانه مورد نظر پیشنهاد نماید. این برنامه همچنین امکان خلق مدل­های چند منظوره بر اساس مکان انجام واکنش‌ها (بر مبنای انجام واکنش در سیتوپلاسم یا هسته) را دارد.

این برنامه همچنین می‌تواند اطلاعات مدلسازی شده یک سامانه را در قالب SBML ذخیره نموده و دوباره استفاده نماید. این اطلاعات قابل استفاده در سایر نرم‌افزارهای مبتنی بر این استاندارد نیز می‌باشد.

برنامه Gepasi بسیاری از مواردی را که برای مطالعه واکنش­های بیوشیمیایی لازم است در بر گرفته و کار کردن با آن بسیار راحت است.

3- E-Cell

http://ecell.sourceforge.net

 نرم‌افزار E-Cell در سال 1996 در ژاپن برای شبیه سازی فرآیندهای سلولی طراحی شد. نسخه اول این نرم‌افزار برای ساخت یک مدل نظری از یک سلول با 127 ژن -که حداقل تعداد ژن مورد نیاز برای رونویسی، ترجمه، تولید انرژی و ساخت فسفولیپید می‌باشد- به کار برده شد. برای ساخت این مدل، مجموعه‌ای از ژن­های یک گونه از میکوپلاسما که دارای کوچکترین ژنوم شناخته شده می‌باشد، مورد استفاده قرار گرفت.

مدل­های بعدی که توسط این نرم‌افزار مورد بررسی قرار گرفت، متابولیسم میتوکندریایی و چندین مسیر و فرآیند مثل زنجیره تنفسی، چرخه TCA، بتا اکسیداسیون اسیدهای چرب و سامانه انتقال متابولیت بوده‌اند.

آخرین نسخه این برنامه که E-Cell 3 می‌باشد، در آدرس www.e-cell.org معرفی شده است و تحت سیستم عامل‌های ویندوز و لینوکس کار می‌کند.

با توجه به مقیاس زمانی انجام فرآیندهای سلولی، این برنامه الگوریتمی دارد که دارای مقیاس­های زمانی مختلف برای فرآیندهای مختلف سلولی می‌باشد. مثلاً انجام فعالیت یک آنزیم در کسری از ثانیه رخ می‌دهد، در حالی که وقایع تنظیم بیان ژن­ها در چند دقیقه تا چند ساعت صورت می‌گیرند. این برنامه مدل­هایی با استفاده از سه دسته اجزا بنیادی، یعنی مواد، رآکتور و سامانه می‌سازد. مواد، متغیرها بوده و رآکتورها، فرآیندهایی هستند که بر اساس وضع متغیرها عمل می‌کنند. سامانه‌ها دارای اجزای دیگری بوده و بخش­های منطقی و فیزیکی را در بر می‌گیرند و برای ارائه یک مدل سامانه سلولی به کار می‌روند. برنامه E-Cell دارای یک سامانه خودکار به نام GEM (Genome-based E-Cell Modeling) نیز می‌باشد که از داده‌های بانک‌های اطلاعاتی استفاده نموده و به راحتی مدل­هایی براساس توالی‌های ژنومی تولید می‌کند.

4-‌ PyBios

http://pybios.molgen.mpg.de

PyBios نیز با هدف استفاده در Systems Biology و شبیه سازی و مدلسازی طراحی شده است. برخلاف Gepasi و E-Cell که بر روی کامپیوترهای شخصی نصب می‌شوند، PyBios بر روی سرور اختصاصی خود در آدرس http://pybios.molgen.mpg.de اجرا شده و نرم‌افزاری اینترنتی است.

PyBios چارچوبی برای هدایت مدل­های سینتیکی در هر اندازه و با سطوح دانه بندی متفاوت فراهم می‌کند. این ابزار برای تحلیل مدل­های بیوشیمیایی به منظور پیش‌بینی رفتار مدل­ها در واحد زمان به کار می‌رود. با ارتباط خودکار این نرم‌افزار به پایگاه‌های داده، تجزیه و تحلیل مدل­های عظیم امکان‌پذیر می‌باشد.

در این برنامه امکان کار در سطح سلول، کروموزوم، پلی پپتید، پروتئین، آنزیم، ژن و مجموعه‌های زیستی وجود دارد و این اجزا می‌توانند برای خلق یک مدل محاسباتی استفاده شوند.

5- Systems Biology Workbench

http://sbw.kgi.edu

هر یک از مدل­هایی که توسط نرم‌افزارهای شبیه ساز ایجاد می‌شود نمی‌توانند پاسخگوی نیازهای روزافزون کاربران باشد و بنابراین نیاز به ابزارهای متنوع با کاربردهای مختلف می‌باشد. برای این منظور محققان با استفاده از فنون آزمایشگاهی و مبانی نظری مختلف، برنامه‌های گوناگونی با زبان­های مختلف و براساس چارچوب­های متفاوت نوشته‌اند. مشکل اصلی در این برنامه‌ها، ذخیره اطلاعات در قالب­های متفاوت بوده که قابل استفاده توسط برنامه‌های دیگر نمی‌باشد. پروژه‌های مختلفی برای رفع این مشکلات اجرا شده است که در یکی از آنها برای ایجاد یک قالب مشترک توصیفی مدل­ها تلاش شده است و در نتیجه آن SBML شکل گرفت.

پروژه دیگر با عنوان System Biology Workbench که به اختصار SBW نامیده شد، نرم‌افزاری بود که برای ارتباط بین نرم‌افزارهای مختلف ساخته شد. این نرم‌افزار در آدرس www.sys-bio.org معرفی شده است.

این نرم‌افزار به عنوان یک قفل شکن مرکزی، امکان تبادل فایل و اطلاعات را بین نرم‌افزارهای گوناگونی که در این مقاله معرفی شده‌اند را فراهم می‌کند.

SBW و SBML تبادل مدل­های زیستی را تسهیل کرده و امکان شبیه سازی بین نرم‌افزارهای مدلسازی را ایجاد کرده‌اند.

6- BioSPICE

www.biospice.org

این نرم‌افزار که در آدرس www.biospice.org معرفی شده است، بر پایه SBW، امکانات بیشتر و قدرت افزون تری به کاربران برای انجام تبادلات بین ابزارهای مختلف می‌دهد.

7- JDesigner

نرم‌افزار Jdesigner تحت ویندوز اجرا شده و همراه برنامه SBW نصب می‌شود. این برنامه به تنهایی یا همراه با SBW قابل اجرا است و در حالت اجرا به تنهایی، یک نرم‌افزار طراحی گرافیکی شبکه برهمکنش­ها می‌باشد. در این حالت، قوانین سینتیکی تعریف شده‌ای در نرم‌افزار وجود دارد و برنامه براساس آن مدلسازی را انجام می‌دهد. از این نرم‌افزار برای شبیه سازی واکنش­ها در طول زمان نیز می‌توان استفاده کرد.

8- Cell Designer

http://celldesigner.org

نرم‌افزار Cell Designer برای ایجاد شبکه­های واکنش­ها به کار می‌رود و جایگزینی برای برنامه Jdesigner می‌باشد. این نرم‌افزار برای کسانی که از سیستم عامل ویندوز استفاده نمی‌کنند و به جای آن از Mac یا لینوکس بهره می‌برند نیز قابل استفاده است و زبان برنامه  Java می‌باشد. آخرین نسخه این برنامه از آدرس http://celldesigner.org قابل دریافت است.

 Cell Designer اشکال متفاوتی برای انواع مولکول ها مثل پروتئین­ها، گیرنده‌ها، کانال­های یونی، متابولیت­های کوچک و … به صورت پیش فرض در نظر گرفته است. همچنین نمادهایی برای واکنش­های مختلف مثل فسفریلاسیون و تغییرات دیگر مولکولی وجود دارد. همچنین نرم‌افزار علائم خاصی برای برخی از انواع واکنش­ها مثل کاتالیز، انتقال عامل، سرکوب و فعال کردن مهیا کرده است.

Cell Designer قالب SBML را می‌پذیرد و بنابراین می‌توان از طریق اینترنت، مدل­هایی که با این استاندارد نوشته شده‌اند را استفاده کرد و این مدل­ها را به صورت یک درختواره نشان داد. با کلیک روی هر بخش از این درختواره می‌توان عناصر آن را در یک پنجره جدید مشاهده با جزئیات بیشتر ملاحظه کرد.

9- Petri Nets

http://www.daimi.au.dk

Petri Nets ابزار مدلسازی گرافیکی و محاسباتی سامانه‌های موازی یا مستقل می‌باشد که اساس محاسباتی آن در دهه 60 میلادی توسط Adam Petri ابداع شد.

عناصر اساسی یک Petri Net مکان­ها، گذرگاه‌ها و عناصر ارتباط دهنده این دو عنصر می‌باشند. در تصویر گرافیکی، مکان­ها با دایره و گذرگاه‌های موقتی با مستطیل نمایش داده می‌شوند.

هر کدام از مکان­ها که می‌توانند نماینده یک مولکول باشند، مقداری را به خود اختصاص می‌دهند که با انجام یک مرحله تعداد آن کاهش یافته و به مکان بعد یک نشانه افزوده می‌شود. میزان انجام یک فرآیند با قطر بردارهای اتصالی نمایش داده می‌شود. حاصل کار این شبکه نمایشی از فرآیندهای انجام شده و مقدار مکان­های موجود می‌باشد که بیشتر به یک بازی کامپیوتری شبیه است.

این شبکه‌ها نه تنها با ظاهری مناسب یک سامانه را نمایش داده بلکه توصیفی ریاضی نیز از آن ارائه می‌دهند و برخی خصوصیات از طریق تحلیل­های ریاضی قابل مطالعه می‌باشند.

نسخه‌های تکمیلی نرم‌افزار Petri Nets که در طول سال­ها به نرم‌افزار پایه افزوده شده، آن را تبدیل به ابزار بسیار قدرتمندی در Systems Biology کرده است. مسیرهای بیوشیمیایی با استفاده از این برنامه به خوبی شبیه سازی شده و متابولیت­ها در جایگاه مکان­ها و واکنش­ها نیز در جایگاه گذرگاه‌ها قرار گرفته و ضریب‌های وزنی اتمی نیز رمز کننده ضخامت بردارها می‌باشد. از این راه می‌توان شبکه‌های متابولیسمی و مسیرهای ترارسانی پیام را مدلسازی کرد.

نرم‌افزارها و ابزارهای مرتبط با Petri Nets در آدرس www.daimi.au.dk قابل دستیابی است و اطلاعات زیادی درباره کاربردهای این ابزارها، نحوه کار و همایش­های مرتبط با آن نیز در این سایت وجود دارد.

10- STOCKS2

http://www.sysbio.pl/stocks

نرم‌افزار شبیه‌سازی STOCKS2 توسط Andrzey Kierzek و Jacrk Puchalka طراحی شده و به رایگان در آدرس www.sysbio.pl/stocks قابل دسترسی است. این نرم‌افزار بر روی سیستم عامل‌های ویندوز و لینوکس قابل اجرا می‌باشد.

علی‌رغم اینکه تعداد زیادی از هر یک از انواع مختلف مولکول­ های مورد نیاز در سلول حضور دارند اما برخی مولکول­ها که می‌توانند نقش مهمی نیز در سلول داشته باشند، مانند عوامل رونویسی، تعداد کمی دارند. به طور مثال، تنها 10 مولکول سرکوب گر Lac در یک سلول E.coli وجود دارد. پروتئین‌های مداخله کننده در مسیرهای ترارسانی پیام نیز تعداد کمی دارند.

نرم‌افزار STOCKS2 واکنش­های درون سلولی را به دو دسته کند و سریع تقسیم می‌کند. اگر تعداد یک نوع مولکول در زمان شبیه سازی افزایش یابد و باعث افزایش نرخ انجام واکنش شود، نرم‌افزار به طور خودکار این مولکول را در گروه واکنش­های سریع قرار می‌دهد. ورودی این نرم‌افزار در قالب SBML بوده و خروجی آن به صورت یک فایل متنی می‌باشد. نرم‌افزار دارای یک ویرایشگر بوده که در هفت مرحله داده‌ها و متغیرها را از کاربر دریافت می‌کند.

فایل متنی خروجی در حقیقت تعداد مولکول­های خاصی در مدت زمان مورد نظر کاربر بوده که به صورت یک نمودار ارائه می‌شود. عموماً منحنی به دست آمده از این روش مشابهت زیادی با منحنی‌های حاصل از شبیه سازی یک واکنش با استفاده از نرم‌افزارهای دیگر دارد.

11- Genetic Programming (GP)

Genetic Programming  حاصل ترکیب متنوعی از الگوریتم­های ژنتیکی است که در سال 1992 توسط Koza ارائه شد و از روش­های برگرفته از تحول (evolution) موجودات استفاده می‌کند. در این برنامه، نسخه‌های مختلف برنامه با یکدیگر به رقابت می‌پردازند تا نهایتاً راه حل یک مسئله به دست آید. GP در زمینه‌های متعددی مورد استفاده قرار می‌گیرد که یکی از آنها که مستقیماً در زیست­شناسی سامانه‌ها کاربرد دارد، مهندسی معکوس مسیرهای متابولیکی می‌باشد. این نرم‌افزار با تعریف شبکه‌هایی از انجام واکنش­های بیوشیمیایی و در نظر گرفتن غلظت­های مختلف آنزیم‌ها، از طریق محاسبات آماری، شبکه صحیح را پیش بینی و شبیه سازی می‌کند.

نرم‌افزارهای مکمل فراوانی برای این برنامه طراحی شده است که با استفاده از آنها امکانات متعددی به برنامه اصلی افزوده می‌شود. 

PCR یا واکنش زنجیره ای پلیمراز (Polymerase Chain Reaction)، تکنیکی است که با استفاده از آن می توان در مدت زمان کوتاهی قطعه خاصی از مولکول DNA را در شرایط آزمایشگاهی میلیون ها بار تکثیر نمود. این قطعه DNA ممکن است یک ژن، بخشی از یک کروموزوم یا بخش هایی از ژنوم یک موجود باشد. البته در تکثیر DNA با روش PCR محدودیت هایی نیز وجود دارد که مهمترین آنها اندازه قطعات قابل تکثیر می باشد به طوری که حداکثر اندازه قطعه هایی که با روش PCR معمولی تکثیر می گردد، 5 هزار نوکلئوتید (kb 5) و در روش های بهینه شده تا 20 هزار نوکلئوتید (kb 20) می باشد.

با این تعریف، PCR همانند یک دستگاه فتوکپی عمل می کند که بوسیله آن می توان صفحاتی از کتاب ژنوم هر موجود را به تعداد دلخواه و مشابه نسخه اصلی (البته در مواردی همراه با خطاهای جزئی) تکثیر نمود.

اساس این روش بسیار ساده بوده و مانند واکنش همانندسازی DNA در موجودات زنده توسط آنزیم DNA پلیمراز صورت می گیرد. در موجودات زنده، مجموعه ای از چند پروتئین و آنزیم در فرآیند همانند سازی DNA نقش دارند در حالی که در واکنش PCR تنها نوع خاصی آنزیم DNA پلیمراز مقاوم به حرارت به نام Taq polymerase به همراه بافر، کلرید منیزیم و نوکلئوتیدها جهت تکثیر قطعات DNA استفاده می شود.

مخترع واکنش PCR کَری مولیس (Kary Mullis) می باشد که در سال 1983 این روش را جهت تکثیر DNA معرفی کرد. قبل از این کشف، ساخت قطعات DNA با روش های کند و پر هزینه شیمیایی انجام می گرفت. به دلیل اهمیت این اختراع، کاربردهای فراوان و نقش ارزنده آن در پیشرفت علم ژنتیک و زیست شناسی مولکولی، وی جایزه نوبل شیمی را در سال 1993 دریافت کرد.

واکنش PCR به طور روزمره در اکثر آزمایشگاه های تشخیصی و تحقیقاتی استفاده می شود و در موارد بسیاری مثل شناسایی و جداسازی ژن ها، کلونینگ، طبقه بندی و شناسایی موجودات زنده، تشخیص بیماری های ژنتیکی و حتی پرونده های جنایی و تعیین هویت کاربرد دارد. در حال حاضر و نزدیک به 30 سال پس از کشف PCR، تحقیقات ژنتیک مولکولی بدون استفاده از این تکنیک قابل تصور نیست.

سازوکار (برنامه) واکنش PCR
اساس واکنش PCR جهت تکثیر توالی DNA دو رشته ای، تغییرات دمایی می باشد. در ابتدا پیوندهای هیدروژنی دو رشته توالی DNA با حرارت (94-95 درجه سلسیوس) شکسته و دو رشته از یکدیگر جدا می شوند. سپس دمای واکنش پایین آورده می شود (معمولاً 50 تا 60 درجه سلسیوس). در این مرحله، دو قطعه کوتاه DNA تک رشته ای (معمولاً بین 18 تا 30 نوکلئوتید) که دقیقاً مشابه دو طرف قطعه DNA مورد نظر برای تکثیر طراحی و ساخته شده اند (با نام پرایمر یا آغازگر)، به توالی های مکمل خود در دو رشته باز شده DNA متصل می گردند. این دو قطعه انتهای 3’ آزاد جهت فعالیت آنزیم DNA پلیمراز را فراهم می نماید، کاری که در همانند سازی در موجودات زنده توسط آنزیم پریماز و توالی اولیه ساخته شده توسط آن انجام می گیرد. در مرحله بعد، دمای واکنش تا 72 درجه سلسیوس (دمای مناسب آنزیم Taq polymerase) افزایش یافته و عمل تکثیر قطعه DNA مورد نظر بین دو پرایمر با استفاده از نوکلئوتیدهای موجود، توسط آنزیم Taq polymerase مقاوم به حرارت انجام می پذیرد.

مرحله اول: واسرشت سازی (Denaturation)، 30 تا 60 ثانیه

عمل انجام شده در این مرحله: جدا شدن دو رشته DNA

مرحله دوم: اتصال (Annealing)، 30 تا 60 ثانیه

عمل انجام شده در این مرحله: اتصال پرایمرها به نواحی مکمل روی DNA و تعیین محدوده تکثیر قطعه DNA

مرحله سوم: گسترش (Extension یا Elongation)، به ازای هر 1000 نوکلئوتید طول قطعه 60 ثانیه

عمل انجام شده در این مرحله: تکثیر قطعه DNA مورد نظر

این 3 مرحله بین 25 تا 40 بار تکرار می شود که به آن چرخه های PCR می گویند.

اجزا واکنش PCR
در یک واکنش PCR از نمونه DNA، آنزیم Taq polymerase، پرایمرها، بافر، یون منیزیم، نوکلئوتیدها و آب حضور استفاده می شود. توضیحات مربوط به هر یک از این اجزا در ادامه ارائه شده است:

- نمونه DNA (الگو)
تکثیر از روی نمونه DNA انجام می شود. این نمونه می تواند، قطعه ای DNA، محصول استخراج DNA ژنومی، DNA پلاسمیدی یا حتی محصول PCR دیگری باشد. معمولاً حدود یک نانوگرم از DNA پلاسمیدی یا فاژی یا یک میکروگرم از DNA ژنومی برای یک واکنش PCR کافی است. بیش از این مقدار، باعث تولید محصولات غیر اختصاصی (قطعات DNA دیگری غیر از قطعه مورد نظر) شده و مقدار کم نمونه DNA نیز باعث کاهش دقت واکنش PCR یا عدم تکثیر قطعه مورد نظر می گردد. کیفیت نمونه DNA نیز مهم است به طوری که باقی ماندن ترکیبات مورد استفاده در مرحله استخراج DNA مثل فنل و EDTA، باعث کاهش فعالیت آنزیم Taq polymerase و عدم حصول نتیجه مورد نظر می گردد. همچنین آلوده شدن واکنش PCR با مقادیر بسیار اندک DNA از هر منبع دیگری، به دلیل حساسیت فوق العاده این تکنیک، ممکن است به تولید قطعات غیر قابل انتظار بیانجامد.

- آنزیم Taq polymerase
این آنزیم برای تکثیر قطعات کمتر از سه هزار جفت باز توصیه شده و پر مصرف ترین آنزیم مورد استفاده در PCR می باشد. به طور معمول حدود یک واحد از این آنزیم در 50 میکرو لیتر از واکنش PCR استفاده می شود. اگر نمونه DNA حاوی مواد ممانعت کننده PCR باشد، می توان این مقدار را دو تا سه برابر افزایش داد ولی مقادیر بالاتر آنزیم باعث تولید محصولات غیر اختصاصی می گردد. گرچه دمای مناسب برای این آنزیم 72 درجه سلسیوس می باشد ولی چون این آنزیم در دمای معمولی نیز قادر به تکثیر می باشد برای جلوگیری از اتصال قطعات پرایمر به نقاط دیگری روی توالی نمونه DNA و امکان تولید قطعات غیر اختصاصی، توصیه می شود که تمامی مراحل آماده سازی واکنش PCR بر روی یخ صورت گیرد.

- نوکلئوتید ها
چهار نوکلئوتید تشکیل دهنده قطعه DNA از اجزا واکنش PCR می باشند که به عنوان واحد های ساختمانی مورد نیاز در ساخت قطعه DNA استفاده می شوند. غلظت مورد نیاز از هر یک از نوکلئوتیدها برای واکنش PCR یکسان و برابر 200 نانو مولار می باشد. برای این منظور از مخلوط های آماده واجد هر چهار نوکلئوتید که با غلظت های مختلف مثل دو میلی مولار، 10 میلی مولار و 25 میلی مولار موجود است، استفاده می شود. به طور مثال، در یک واکنش 50 میکرو لیتری PCR باید 5 میکرو لیتر از مخلوط دو میلی مولار نوکلئوتیدها برای دستیابی به مقدار مورد نیاز در واکنش استفاده کرد.

- بافر
مهمترین نقش بافر PCR تنظیم pH مناسب واکنش PCR و آنزیم Taq polymerase می باشد. اجزای این بافر نقش های دیگری نیز دارند از جمله کلرید پتاسیم که به اتصال پرایمر به DNA الگو (نمونه) کمک می کند.

- یون منیزیم
یون منیزیم یکی از اساسی ترین اجزا واکنش PCR می باشد. انواع مختلف آنزیم DNA polymerase برای فعالیت خود به این یون نیاز دارند و این یون برای اتصال پرایمر و قطعه DNA لازم است. برای تکثیر با Taq polymerase این یون عمدتاً به صورت ترکیب کلرید منیزیم در واکنش PCR استفاده می شود. این ترکیب گاهی در همان بافر PCR قرار داده می شود ولی از آنجا که برای برخی واکنش های PCR لازم است که غلظت این یون تغییر نماید، این ترکیب به طور جداگانه تهیه و به واکنش PCR افزوده می شود.

غلظت بهینه یون منیزیم در واکنش PCR یک تا چهار میلی مولار است. غلظت بالاتر از این مقدار باعث تکثیر قطعاتی غیر از قطعه مورد نظر (قطعات غیر اختصاصی) شده و غلظت پایین این یون نیز ممکن است به کاهش کارایی واکنش و میزان تولید قطعه مورد نظر منجر شود.

- پرایمرها
غلظت بهینه پرایمرها برای واکنش PCR از 100 نانو مولار تا یک میکرو مولار متغییر است. غلظت بیش از این، منجر به تولید قطعات غیر اختصاصی می شود. طراحی پرایمر نیازمند دقت فراوانی است و مرحله بسیار مهمی در امکان پذیر شدن و صحت تکثیر قطعه مورد نظر دارد. دمای مرحله اتصال در برنامه PCR به توالی پرایمرها ارتباط دارد.

وسایل مورد نیاز برای واکنش PCR
حداقل وسایل مورد نیاز برای انجام واکنش PCR، دستگاه ترموسایکلر (ایجاد کننده چرخه های دمایی)، میکرو پیپت، ظرف یخ و وسایل یکبار مصرفی مانند تیپ (جز پلاستیکی که برای کشیدن محلول به میکرو پیپت متصل می شود) و ویال (لوله های درب دار کوچک، در دو اندازه بر اساس گنجایش آنها یعنی 200 و 500 میکرو لیتر، که واکنش PCR در آنها انجام می شود) و ظروف نگهداری آنها می باشد.

دستگاه ترموسایکلر برای ایجاد دماهای مختلف در مدت زمان مورد نظر، قابل برنامه ریزی می باشد. قبل از تولید این دستگاه، دانشمندان برای انجام PCR از سه حمام آب گرم با دماهای مختلف استفاده می کردند که کار بسیار پر زحمتی بود.

میکرو پیپت برای برداشتن مقادیر اندک مورد نیاز برای واکنش PCR در مقیاس میکرو لیتر استفاده می شود. بر روی این دستگاه که کار کردن با آن بسیار راحت است، تیپ های یک بار مصرف قرار داده می شود و بدین وسیله حجم مورد نظر از آن برداشته و به واکنش PCR افزوده می شود.

نوشته: کسری اصفهانی

* هنگام استفاده از این مطلب، ذکر منبع الزامی است.

این پست را برای آنهایی نوشته ام که این چند وقت نگرانم بودند. من هنوز هستم...

هیچ کس غیر از خدای بزرگ نمی تواند مرا از نعمت بزرگ لذت بردن از زندگی محروم سازد...

امضا: دانشجوی بورسیه ای که سرانجام دکتر شد ولی خبری از استخدام او نیست...

سومین دوره مسابقه داستان نویسی علمی تخیلی ژنتیک و بیوتکنولوژی به زبان فارسی برگزار می شود.

از کلیه علاقمندان دعوت می شود ضمن شروع نگارش داستان های خود، از امکاناتی که در این سایت برای ثبت داستان ها در آینده نزدیک فراهم می شود برای ارسال آثار خود استفاده کنند.

<<<<<<<<<<<<لطفاً در وبلاگ های خود اطلاع رسانی کنید>>>>>>>>>>>>

دستورالعمل ارسال داستان به مسابقه داستان نویسی علمی تخیلی ژنتیک و بیوتکنولوژی:

- حجم داستان های ارسالی محدودیتی ندارد ولی اگر داستانی بیش از سه صفحه با رعایت قالب تعیین شده در نرم افزار Word باشد، نویسنده لازم است خلاصه ای سه صفحه ای از داستان را نیز ارسال نماید. این خلاصه معیار داوری بوده و متن اصلی برای چاپ در کتاب مسابقه استفاده می شود.

- وجود شکل و عکس های مرتبط با داستان، در داوری اثر مثبت خواهد داشت. لازم است مهم ترین عکس یا شکل، در فرم ارسال داستان به صورت فایل جداگانه ای ارسال شود.

- دریافت آثار صرفاً از طریق این سایت یا پست الکترونیکی ذکر شده صورت گرفته و از کلیه علاقمندان دعوت می شود از امکاناتی که در سایت برای ثبت داستان ها فراهم خواهد شد، برای ارسال آثار خود استفاده کنند.

- داستان هایی که از یک زبان بیگانه به فارسی ترجمه شده باشند نیز می توانند با ذکر نام نویسنده اصلی و منبع آن در مسابقه شرکت نمایند. توجه کنید که داستان ها حتماً باید به زبان فارسی ارسال شوند.

قالب تایپ داستان در نرم افزار Word
فاصله سطور معمولی و قلم متن 14لوتوس بوده و حاشیه صفحه در سمت راست 3، سمت چپ 2.5، بالا 2 و پایین 1.5 سانتیمتر باشد.

- توجه: داستان ها باید تحت نرم افزار Word ارسال شوند.

مهلت ارسال داستان ها: تیر ١٣٩٠ (تمدید شد) 

زمان اعلام برندگان و برگزاری مراسم اعطای جوایز: تابستان سال 1390

علاقمندان می توانند آثار خود را به آدرس پست الکترونیکی info@biotechnews.ir ارسال نمایند یا از امکاناتی که در این سایت برای ثبت داستان ها در آینده نزدیک فراهم می شود برای ارسال آثار خود استفاده کنند.

مشارکت و همکاری
سازمان ها یا علاقمندانی که مایل به همکاری در برگزاری این جشنواره هستند، خواهشمند است درخواست های خود را به آدرس پست الکترونیکی info@biotechnews.ir ارسال نموده تا نسبت به درج لوگو سازمان مربوطه در پوستر همایش اقدام لازم صورت گیرد.

<<<<<<<<<<<<لطفاً در وبلاگ های خود اطلاع رسانی کنید>>>>>>>>>>>>

بر اساس تحقیقات انجام شده بر روی ژنوم انسان، به نظر می آید ویرایش RNA به طور غیر منتظره و در سطح گسترده ای پس از رونویسی صورت می گیرد و در نتیجه این پدیده نه چندان شناخته شده، محصول ترجمه ژن ها کاملاً با توالی DNA منطبق نخواهد بود.

بر اساس تحقیقاتی که به زودی نتایج آن منتشر خواهد شد و بخشی از نتایج آن در نشست سالانه انجمن ژنتیک انسانی آمریکا ارائه شده است، به نظر می آید نزدیک به 97 درصد رونوشت های ژن ها، دچار تغییراتی پس از رونویسی RNA از روی نسخه DNA می گردند. البته مخالفان این نظریه می گویند، این نتایج ممکن است حاصل از خطای توالی یابی باشد.

بر اساس الگوی مورد توافق محققان ژنتیک، در زمان بیان ژن ها، ابتدا رونویسی از روی مولکول DNA ژنوم موجودات صورت گرفته و پس از آن هر یک از کدهای سه نوکلئوتیدی RNA رونویسی شده از روی DNA به عنوان رمز مربوط به یک اسید آمینه در فرآیند تولید پروتئین ها توسط ریبوزوم ها ترجمه می شود. اما به نظر می رسد برخی اوقات مولکول RNA ویرایش شده و برخی بازها تغییر نموده یا ترجمه نمی شوند.

پدیده ویرایش RNA در موجودات گوناگونی مشاهده شده است و به نظر می آید باعث افزایش تنوع محصولات حاصل از یک ژن خاص باشد. بر اساس اطلاعات قبلی، این پدیده به متابولیسم سلولی گیاهان (عمدتاً در میتوکندری صورت می گیرد) و فعالیت مغز در موش ها مرتبط است. اختلال در تنظیم ویرایش RNA در برخی بیماری های انسانی از جمله بیماری های سیستم عصبی مثل صرع مشاهده شده است.
با این وجود، هنوز فراوانی رخ دادن این فرآیند و نقش این رونوشت ویرایش شده در هاله ای از ابهام قرار دارد و برای روشن شدن موضوع لازم است بخش وسیعی از توالی های DNA و RNA هر موجود به طور مستقل مورد بررسی قرار گیرد.

در این تحقیق، محققان دانشگاه پنسیلوانیا توالی های DNA و RNA بیست و هفت فرد مختلف را مورد بررسی قرار دادند. این پژوهش در قالب پروژه توالی یابی ژنوم 1000 داوطلب صورت گرفته است. پژوهشگران توالی RNA استخراج شده از سلول های هر یک از این 27 فرد را مشخص کرده و با توالی ژنومی هر یک از آنها که در پروژه تعیین توالی 1000 نفر مشخص شده بود، مقایسه نمودند.

بر اساس این نتایج، تعداد زیادی ویرایش RNA در بخش های مختلف ژنوم می تواند رخ دهد و پژوهشگران بیش از صد هزار رخداد بالقوه ویرایشی را شناسایی کرده اند. این پژوهشگران تخمین زده اند که 97 درصد رونوشت های هر ژن ویرایش می شوند که به گفته آنان این نرخ به طور غیر منتظره ای بالا است.

بیشتر ویرایش های مشاهده شده شامل دو نوع تغییر می باشد؛ تغییر باز آدنین به اینوزین و تبدیل باز سیتوزین به اوراسیل. اما ویرایش های دیگری نیز در این تحقیق گزارش شده اند که تاکنون مشاهده نشده بود.

هنوز کاملاً روشن نیست که چه بر سر نسخه ویرایش شده RNA می آید و این RNA تجزیه می شود یا به پروتئین ترجمه می شود.

نتایج به دست آمده از این تحقیق توسط سایر محققان به چالش کشیده شده است. مخالفان این نظریه بر این باورند که توالی های مورد استفاده توسط این گروه به اندازه کافی دقیق نیستند که بر پایه آنها این مقایسه انجام گیرد و ممکن است این نتیجه گیری بر اساس خطای توالی یابی صورت گرفته باشد. بر این اساس باید توالی یابی تعداد زیادی از ژن هایی که به نظر می آید ویرایش بر روی رونوشت آنها صورت گرفته دوباره انجام شود. هم اکنون این گروه از محققان برای تایید نظریه خود، توالی مجدد این ژن ها را آغاز کرده اند.

منبع: نیچر

این مطلب نتیجه بررسی بازار و سایت های موجود می باشد که پس از گشت و گذاری در روز ۵ شنبه ١٠ دی در تهران نوشته ام. مسلماً کامل نیست ولی برای خرید این دو قلم خوب بررسی کردم.

پرینتر:

از آنجا که چاپ دورو از مهمترین ویژگی­های یک پرینتر در دفاتر اداری و باعث صرفه جویی در مصرف کاغذ می­باشد، اینجانب مدل­های HP LaserJet Pro M1536dnf (Multifunction Printer) و HP LaserJet P2055dn را پیشنهاد می نمایم. قیمت مدل اول در سایت شرکت سازنده 300 دلار و مدل دوم 324 دلار پس از تخفیف (قیمت اصلی 400 دلار) می باشد. در بازار ایران قیمت ها بر اساس زمان و بازار در نوسان و متفاوت می باشد (مدل اول از 205 هزار تومان تا 350 هزار تومان و مدل دوم از 300 هزار تومان تا 455 هزار تومان).

در عین حال مدل اول از محبوبترین چاپگرهای چندکاره بوده (نمره 4.8 از 5 توسط کاربران) که قابلیت فکس، کپی و اسکن را داشته و کارکنان را از رفت و آمد جهت کپی و فکس بی نیاز کرده و با حداقل هزینه (حتی کمتر از هزینه چاپگرهای مرسوم دیگر)، هر اتاق تبدیل به یک محیط اداری کامل می­گردد.

تاکید می شود که از این پس از خرید مدل HP LaserJet P2035 به دلیل قابلیت های پایین آن خودداری شود.

شرکت سامسونگ نیز چند دستگاه چاپگر مناسب با قابلیت چاپ دوررو داشته که مدل SCX-4828FN چندکاره بوده و مدل ML-2850D آن ارزانترین دستگاه چاپگر دوررو این شرکت می باشد. مدل های دیگری مانند ML-2855D و ML-3470D نیز از چاپگرهای این شرکت قابلیت چاپ دورو دارند. قیمت این چاپگرها از حدود 250 الی 265 هزار تومان برای چاپگر ML-2850D تا 388 الی 435 هزار تومان برای مدل چندکاره SCX-4828FN متغییر می باشد.

بورس فروش این دستگاه ها خیابان ایرانشهر می باشد و قیمت ها در مجتمع پایتخت در میرداماد حدود 20 درصد گرانتر می باشد.

مانیتور:

دو برند معروف مانیتور در ایران و جهان Samsung و LG می باشند که هر دو اقدام به ورود محصولات خود بر اساس تکنولوژی LED با همان قیمت LCD نموده اند. پیشنهادهای اینجانب در حاشیه قیمت 200 هزار تومان به ترتیب الویت بر اساس قابلیت ها و کارایی به همراه قیمت تقریبی تقدیم می گردد.

به نظرم W2086T شرکت LG بهترین و زیباترین مانیتور بازار و BX1985N و BX1975N به صرفه ترین مانیتور با توجه به کارایی، زیبایی و قیمت آنها می باشد.

دوست دارید درون یک کلبه زندگی کنید و محصولات غذایی مورد نیازتان را خودتان تهیه کنید؟ زندگی بدون استرس و آرامش را تجربه کنید؟

در نگاه اول همه چیز آسان به نظر می رسد ولی آیا می توانید از دستاوردهای تکنولوژی بشری بی بهره باشید؟ در این محیط آرام شبها را بدون نور چراغ سپری کنید؟ از آب آشامیدنی سالم حاصل از پیشرفت علم و تکنولوژی محروم باشید؟

در بهترین حالت، این محیط آرام برای چندین میلیارد انسانی که در جهان زندگی می کنند فراهم نیست! این موضوع به آسانی با یک محاسبه ساده زمین های کشاورزی مورد نیاز برای تامین نیازهای غذایی یک فرد در مقابل جمعیت حال حاضر جهان معلوم می شود.

گاهی واقعیات موجود دستیابی ما را به آرزوهایمان با مشکل مواجه می نماید، مثل زمانی که کالایی چشممان را می گیرد و پول خرید آن را نداریم.

استفاده از محصولات غذایی حاصل از کشت و کار بدون سموم شیمیایی و با استفاده از روش های طبیعی، علی رغم محصول کمتر و احتمال آلودگی به انواع بیماری ها و آفات، آرزوی بسیاری از انسان ها است اما عدم امکان تامین مواد غذایی مورد نیاز جمعیت رو به افزایش جهان با استفاده از روش های قدیمی، سال ها است که موجب استفاده از انواع سموم قارچ کش، علف کش و آفت کش برای کاهش خسارات به محصولات زراعی شده است که علاوه بر صدمه جبران ناپذیری که به محیط زیست می زنند، باعث بروز انواع بیماری ها در انسان ها و موجودات دیگر می شود. کشاورزی خود به تنهایی با از بین بردن تنوع موجود در سرزمین هایی که قبلاً گیاهان وحشی در آن می روییدند و اکنون تنها به زیر کشت یک محصول می روند، قرنهاست که محیط زیست را مورد هجوم قرار داده است. چه کسی می تواند از انسان ها بخواهد که برای حفظ محیط زیست کشاورزی نکنند تا تنوع طبیعی با مخاطره مواجه نشود.

در اواسط قرن بیستم، افزایش بی رویه جمعیت و عدم امکان تامین مواد غذایی از زمین های کشاورزی، می رفت که تبدیل به یک بحران جهانی گردد. اما دانشمندان راه حلی برای این بحران یافتند. ارمغان محققان برای بشریت، معرفی ارقام پرمحصول بود. گیاهان زراعی معرفی شده، در همان زمین های کشاورزی موجود، محصول بیشتری تولید می کردند. با ارائه این دستاورد علمی به جامعه، دانشمندان امکان ایجاد یک بحران جهانی را از بین بردند.

علوم کاربردی همواره پاسخگوی نیازهای بشر بوده است؛ نیازهای واقعی و برخی اوقات نیازهایی که چندان با اهمیت نیستند. بی شک تغذیه و بهداشت مهمترین نیازهای زندگی بشر هستند. بنابراین دانشمندان نمی توانند در برابر نیازها و مشکلات مرتبط با این دو نیاز واقعی بشر بی تفاوت باشند در حالی که به بسیاری از نیازهای با الویت کمتر بشر نیز توجه داشته اند.

دانشمندان تمایلی ندارند که وقت خود را بیهوده برای ایجاد تغییرات در گیاهان زراعی تلف کنند. تمام این تلاش ها برای پاسخ به یک نیاز بشر است، غذا. گیاهان تراریخته یا محصولات مهندسی ژنتیک شده نیز از جمله این دستاوردهای علم بشری هستند. گیاهانی که در مقابل آفات کشاورزی مقاوم هستند و نیاز به سمپاشی کمتری دارند. گیاهانی که عملکرد بیشتری دارند و با کشت آنها در زمین های کشاورزی موجود، غذای بیشتر تولید می شود.

اما... برخی با این محصولات مخالفند... به نظرتان چه کسانی؟ به نظر من اولین مخالفان، تولید کنندگان سموم شیمیایی بودند، آنهایی که تولید و کشت گیاهان تراریخته بی نیاز به سموم کشاورزی، کسب و کار آنها را با خطر مواجه می کرد. افراد دیگری نیز هستند که با معرفی ارقام تراریخته، از سود کلانی که از واردات و دلالی نصیبشان می شود، محروم می شوند. بسیاری از این مخالفین گیاهان تراریخته که درآمد خود را در خطر می بینند، خود را پشت افراد ناآگاه مخفی می نمایند و با تحریک این افراد، آنها را به مقابله با دستاورد دانشمندان برای رفع مشکلات بشریت وا می دارند.

در کشورهای جهان سوم عامل بسیار مهم دیگری نیز رخ می نماید: عزم کشورهای پیشرفته و شرکت های بزرگ تولید کننده محصولات تراریخته که تمایل ندارند رقیب پیدا کنند. این شرکت ها گماشتگانی در کشورهای جهان سوم دارند که گاهی مناصب دولتی را نیز اشغال می نمایند و به روش های مختلف جلوی پیشرفت علم و تکنولوژی را در کشورهای جهان سوم می گیرند. قطعاً موفقیت دانشمندان یک کشور در تولید ارقام پر محصول و مقاوم، برای آنها با کاهش درآمدهای فروش محصولاتشان مساوی است. در عرصه بین المللی این رقابت باعث می شود که قوانین سختگیرانه ای برای سایر کشورهای عقب مانده از قافله علم و تکنولوژی وضع شود تا جلوی پیشرفت آنها گرفته شود و این قوانین ظواهر فریبنده ای از جمله تامین امنیت جهانی یا حفظ محیط زیست دارد؛ همانند آنچه در انرژی اتمی شاهد هستیم و بزودی در بیوتکنولوژِی نیز تشکیلاتی بدین منظور در سطح بین المللی شکل خواهد گرفت که راه پیشرفت را برای کشورهای جهان سوم سخت می نماید.

فراموش نکنیم، دانشمندان برای تفریح محصولات تراریخته را تولید نکرده اند؛ این محصولات برای بالا بردن عملکرد گیاهان زراعی و تولید غذای مورد نیاز جمعیت بالای جهان وارد بازار شده اند. البته گیاهان تراریخته، موجودات عجیبی نیستند، همان گیاهان معمولی هستند که یا مقاوم به یک آفت زراعی هستند یا عملکرد بالایی دارند. این تغییرات با وارد کردن ژن هایی از موجودات دیگر به آنها ایجاد شده است. این ژن ها در طبیعت نیز موجود هستند. تاکنون هیج مرجع معتبر بین المللی نیز مضر بودن این محصولات را اعلام نکرده است. حال حرف چه کسی موجه است؟ دانشمندان و مراجع معتبر بین المللی یا افراد نا آگاه یا مغرضی که با منظورهای مختلف صرفاً می گویند شاید این محصولات خطرناک باشند!

این “شاید” برای هر نوع محصول جدیدی که به بازار معرفی می شود، وجود دارد. خودرو آشکارا برای سلامتی بشر مضر است. آمار تصادفات جاده ای، آلودگی های ناشی از سوخت و ... به تنهایی برای اثبات این ادعا کافی هستند. آیا به خاطر این خسارات ملموس و واقعی، ساخت خودرو متوقف شده است یا مزایای بی شمار آن باعث می شود از این مشکلات بزرگ چشمپوشی کنیم؟ هر نوع محصول غذایی جدید نیز ممکن است برای سلامتی انسان یا یک بیماری خاص مضر باشد. حتی داروهای جدید نیز می توانند عوارض ناشناخته ای ایجاد نمایند.

اما فناوری زیستی یا تکنولوژی تولید گیاهان تراریخته با کنترل های شدید وارد بازار می شوند. شاید در هیچ محصول دیگر تولید شده، غیر از محصولات تراریخته نظارت اینچنینی بر دستاوردهای علمی صورت نمی گیرد. برای ورود هر محصول زراعی جدید به بازار، علاوه بر مراحل ارزیابی که توسط دانشمندان انجام می شود، نظارت های مختلفی توسط نهادهای مسوول بهداشت و محیط زیست بر آنان صورت می گیرد. ایمنی زیستی جنبه ای از علم مدرن روز است که نظارت بر تولید محصولات تراریخته و دستیابی ایمن مردم را به دستاوردهای دانشمندان ممکن می سازد.

این که اشخاصی بخواهند بدون مدارک مستند و علمی، تمامی دستاوردهای دانشمندان و تاییدات مراکز نظارتی و بهداشتی را زیر سوال ببرند، خود سوال بزرگی است، آن هم زمانی که محصولات تراریخته خارجی وارد کشورمان می شوند ولی دستاوردهای حاصل از تلاش دانشمندان داخلی به دلایل مختلف اجازه کشت پیدا نمی کنند. نمی گویم محصولات تراریخته مصرف کنید، فقط فکر کنید چرا واردات آری ولی پیشرفت و تولید داخلی نه! شما حق دارید بدانید محصولی تراریخت هست یا نه ولی آیا می توان ملتی را از پیشرفت و دستیابی به امنیت غذایی محروم کرد؟

فرداد دهم اکتبر (دهمین ماه میلادی) سال ٢٠١٠ می باشد. ساعت ١٠ و ١٠ دقیقه و ١٠ ثانیه فردا یک لحظه تاریخی (تقارن) است که گفته می شود ویروس هایی نیز در این روز فعال خواهند شد که تمامی کامپوترها بر اثر آنها داون می شوند.

10/10/10

چند روز پیش هم ساعت ١ و ٢٣دقیقه و ۴۵ ثانیه روز ۶ مهر (ماه هفتم) سال ٨٩ شمسی یک لحظه جالبی برای خودش بود که تقریباً هر صد سال یک بار اتفاق می افتد!

۶/٧/٨٩- ١:٢٣:۴۵

در سال­های اخیر، همزمان با توسعه فناوری‌های مختلف زیستی که در مدت زمان کوتاهی داده‌های بسیاری تولید می‌کنند، 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، بهره‌برداری 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، شبکه‌های تنظیمی و ساختارهای پیچیده­تر مثل سلول­ها و بافت­ها می‌باشد.

زیست شناسی سامانه‌های 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 پیش­بینی خصوصیات این سازوکارها و فرآیندها با استفاده از داده‌های عددی به دست آمده و تحلیل برهمکنش عناصر متعدد این سامانه‌ها کسب می‌شود. این اطلاعات به دانشمندان اجازه می‌دهد تا با مطالعه و درک دینامیک (پویایی) سلولی و عمل سازواره‌ها بتوانند الگوهای تنظیم سلولی را مدلسازی نموده و اطلاعاتی از شبکه های مسیرهای ترارسانی پیام­ها (Signal Transduction) که برای اعمال فیزیولوژیکی و رشد و توسعه موجودات زنده لازم است، کسب نمایند.

 برای دستیابی به این هدف، باید روش­های ریاضی و کامپیوتری مناسبی برای مدلسازی و شبیه‌سازی سامانه‌های 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 برنامه‌ای 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 آزمایش­ها، خطاهای موجود در کار با مجموعه‌های عظیم داده‌ها را به حد قابل قبولی برساند.

به منظور رمزگشایی الگوهای زیستی، تلاش زیادی برای تجزیه و تحلیل کمی پدیده‌های زیستی در راستای هدف بلندمدت توانمندی در مدلسازی فرآیندهای زیستی لازم است. رهیافت‌های مدلسازی منجر به افزایش اهمیت تحقیقاتی می‌گردد 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 گسترده‌تر از اجزا مرتبط که یک سامانه (System) پیچیده را تشکیل می‌دهند، 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 سامانه‌های زیستی در تمامی سطوح، یک ساختار پژوهشی جدید را شکل می‌دهد که در آن از فرصت­های طلایی ایجاد شده به دلیل ظهور فناوری‌های 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 رشته‌ای آن، همکاری تنگاتنگ زیست­شناسان، ریاضی دانان، متخصصان علوم رایانه، مهندسان و متخصصان رشته‌های دیگر لازم است.

برخی از سوالات اساسی که این همکاری مثبت و سازنده باید به آنها پاسخ دهد، عبارتند از:

الف) ساختار سامانه‌های سلولی تا چه حد عمومی و قابل تقسیم به اجزا قابل اندازه‌گیری می‌باشد؟

ب) شبکه‌های 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 می‌دهند؟

پ) این شبکه ها تا چه حد می‌توانند اجزا سازنده را تعیین (Modulate) نمایند؟

ت) چگونه می‌توان 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 رشته‌های مختلف، پروژه سلول مجازی را با هدف شبیه سازی کامپیوتری خصوصیات یک سلول آغاز نمایند. موضوع چالش برانگیزتر، مهندسی یک سلول کاملاً مصنوعی می‌باشد. در آینده این ماشین­های سلولی می‌توانند تبدیل به سامانه‌های مدل قدرتمندی برای شبیه سازی و تحلیل شبکه‌های واقعی سلولی گردند.

با راه‌اندازی این فناوری‌ها می‌توان پاسخ­های قانع کننده‌ای برای سوالاتی که زیست شناسان سال­ها به دنبال پاسخ آنها بوده‌اند، پیدا کرد. به طور مثال:

- ارتباط ساختار و وظایف سلول چگونه است؟

- چه قوانینی بر نحوه عمل سامانه‌های درون سلولی حکمفرماست؟

- عوامل تعیین کننده تمایز سلولی چه هستند و تمایز چگونه رخ می‌دهد؟

- اندازه و تعداد انواع مختلف سلول­ها در یک بافت یا اندام چگونه تنظیم می‌شود؟

- برای مدلسازی هر نوع سلول چه چیزهایی باید بدانیم؟

- چگونه یک مدل سلولی ساده می‌تواند برای شبیه سازی ساختارهای پیچیده سلولی و تشکیل بافت استفاده شود؟

- آیا می‌توانیم الگوهای عمومی حکمفرما بر پیچیدگی­های زیست شناسی را براساس ساختار شبکه­ای پیچیده انواع مختلف سلول­ها 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)؛

- رهیافت‌های کشف مجموعه‌های ماکرومولکولی؛

- روش‌های 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 فناوری‌های نوین و همکاری نزدیک زیست شناسان محض، زیست شناسان محاسباتی، مهندسان، شیمی دانان و ریاضی‌دانانی دارد که تفکر سیستمیک دارند. همچنین نوآوری فنی در ساخت دستگاه­های آزمایشگاهی امکان اندازه‌گیری‌های دقیق و با حجم زیاد در واحد زمان را به ما می‌دهد. این کار بزرگ تلفیقی از آزمایش، فرضیه و محاسبه می‌باشد.

هدف اصلی زیست شناسی سامانه‌ها (Systems biology) مدلسازی موجودات زنده است. زیست­شناسی سامانه‌ها به جای آزمایش و بررسی خصوصیات بخش­های جدا شده یک سلول یا موجود، ساختار و دینامیک کل سلول و کل موجود را بررسی می‌کند.

دلیل اصلی محبوبیت زیست شناسی سامانه‌ها در سال­های اخیر، پیشرفت سریع زیست شناسی مولکولی خصوصاً در ژنومیکس، پروتئومیکس و حجم وسیع اندازه‌گیری‌های دقیق و پرسرعت می‌باشد که به دانشمندان توانایی جمع‌آوری مجموعه‌هایی از داده‌های جامع مربوط به سازوکارهای بنیادی رشد و پاسخ موجودات زنده به شرایط نامساعد را می‌دهد.

ابزارهای جدید و پربازده ژنومیکس، به دانشمندان این امکان را داده است تا به طور هدفمند و سازمان یافته، سامانه‌های زیستی را هنگام عمل دستکاری یا کنترل نمایند. به دلیل فزونی اطلاعات حاصل از این رهیافت­های جدید، تحقیقات زیست شناسی، امروزه بیش از پیش به علوم اطلاعات متکی شده است. برهمکنش بین زیست شناسی مولکولی و علوم اطلاعات به تعیین اینکه چه نوع اندازه‌گیری و آزمایش تحلیلی نیاز می‌باشد، کمک می‌نماید.

زیست شناسی سامانه‌ها نیازمند داده‌های کمی جامع و با کیفیت می‌باشد. برای تسریع جمع‌آوری داده‌های دقیق و جامع باید به نوآوری‌های فنی در آزمایش‌های اندازه‌گیری پربازده خودکار و میکروسکپی توجه شود. برای طراحی این ابزارهای پربازده، زیست شناسان باید شانه به شانه مهندسانی که این سامانه‌های اندازه‌گیری را طراحی و به مرحله بهره‌برداری می رسانند، فعالیت نمایند.

تشخیص صحیح برهمکنش­ها نیازمند اندازه‌گیری در شرایط مختلف و نتیجه گیری براساس مدلی است که این برهمکنش­ها را توضیح می‌دهد.

متخصصان کامپیوتر می‌توانند به زیست شناسان در طراحی آزمایش‌ها، تکرار نتایج و مدل سازی برهمکنش ها کمک نمایند ولی در ابتدا باید به درک متقابلی برسند. متاسفانه در بسیاری موارد مدل­های ریاضی که توسط ریاضی دانان ارائه می‌شود یا برنامه‌های تحلیلی که توسط متخصصان رایانه تهیه می‌شود، مورد استقبال زیست شناسان قرار نمی‌گیرد. سوال این است که چرا نظریات زیستی باید با داده‌های واقعی آزمون شوند و نه با محاسبات عددی؟

علی‌رغم مشکلاتی که در تفکر متخصصان رایانه و علوم ریاضی نسبت به زیست شناسان وجود دارد تاکنون چندین طرح موفق در مدلسازی مسیرهای بیوشیمیایی، مدل­های رشد و توسعه موجودات زنده اجرا شده است که امید می‌رود با ادامه این روند، شاهد انقلاب دیگری در علوم زیستی به واسطه دستاوردهای زیست شناسی سامانه‌ها باشیم. در طی هر انقلاب علمی، دانشمندان ابزار جدیدی به کار برده اند که در حال حاضر این ابزار جدید دانشمندان در زیست شناسی سامانه‌ها، ریاضیات می‌باشد.

زیست شناسی سامانه‌های متابولیک جنبه دیگری از این مطالعات در علوم زیستی است که در آن هدف بهره برداری از مجموعه جامعی از داده‌ها برای توصیف متابولیسم یک موجود مدل می باشد. با استفاده از این مدل، می‌توان متابولیسم موجود زنده را به طور قابل پیش بینی مهندسی کرد. بهره‌برداری از گیاهان و افزایش تولید غذا با استفاده از این رهیافت جدید، آنچنان مهیج است که می‌تواند به رشد سریع زیست شناسی سامانه‌ها بیانجامد.

حال که با تحول تحقیقات علوم زیستی، داده‌های فراوانی از طریق روش­های مختلف در پایگاه‌های داده‌ها جمع‌آوری و نگهداری می‌شوند، به ابزاری مناسب برای استخراج اطلاعات کارآمد و مفید از این داده‌های خام نیاز است. ابزارهای مدلسازی به ما در پروراندن ایده‌های نظری و فرضیات با استفاده از داده‌های خامی که در پایگاه‌های داده‌ها نگهداری می‌شوند، کمک می‌کنند.

نرم‌افزارهای عمومی Mathematica و Matlab در حل مسائل عددی و تحلیلی ریاضی و مشاهده نتایج به صورت انواع نمودار و مشکل‌های متنوع، ابزار کارآمدی می‌باشند. نرم‌افزار عمومی دیگر R-Project نام دارد که در آدرس www.r-project.org در دسترس می‌باشد.

در عین حال ابزارهای متعدد تخصصی نیز در این زمینه ارائه شده‌اند که از طریق اینترنت قابل تهیه بوده و مرتباً نسخه‌های جدید و بهبود یافته آنها به بازار می‌آید. اغلب این دسته از نرم‌افزارها مرتبط با روش یا تکنیک خاصی بوده و کار کردن با آنها به سهولت انجام می‌شود.

در قسمت های بعدی این مطلب و در ادامه این مبحث، چندین ابزار که با بهره ­گیری از داده­های خام پایگاه­های علوم زیستی به نمایش، مدل سازی، شبیه­ سازی و تحلیل این داده ها و استخراج اطلاعات از آنها کمک می­ کنند، معرفی می­گردند. این ابزارها عموماً نرم­افزارها و برنامه­های رایانه­ای می­ باشند.

 موضوع مهم دیگر تبادل اطلاعات حاصل از مدل­های مختلف System Biology است که توسط بخش­های مختلف یک نرم‌افزار یا نرم­افزارهای مختلف ایجاد می‌شوند. قالب­های گوناگونی برای این تبادلات وجود دارد که Systems Biology Markup Language یا SBML استاندار عمومی در بین آنها می‌باشد. در ادامه این مباحث، به طور خلاصه مطالبی نیز در این زمینه خواهیم داشت.

توجه: نقل قول بدون ذکر منبع پسندیده نیست.