زیست فناوری

نوشته: کسری اصفهانی

زيست شناسي سامانه‌هاي گياهی (Plant Systems Biology)
نویسنده : کسری اصفهانی - ساعت ٢:۳۸ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٥/٢/٢۱
 

توضيح: اكثر مطالب اين مقاله از ويژه‌نامه زيست شناسي سامانه‌های گياهي مجله Plant physiology كه ژوئن سال 2003 چاپ شده است (جلد 132) اقتباس شده است.

 

استفاده از فناوري‌هاي نوين پربازده در سالهاي اخير كه در مدت زمان كوتاهي داده‌هاي بسياري توليد مي‌كنند، انبوهي از اطلاعات را در سطوح مختلف سلولي و فرآيندهاي رشد و نمو گياهان در اختيار محققان قرار داده است. چالش بزرگي كه در حال حاضر با آن روبرو هستيم، بهره‌برداري از اين اطلاعات و ادغام آنها به منظور درك برهمكنش لايه‌هاي مختلف زيستي براي تشكيل واحدهاي عملياتي مثل مسيرهاي هماهنگ كننده، شبكه‌هاي تنظيمي و ساختارهاي پيچيده مثل سلول­ها و بافت­ها مي‌باشد (شكل 1).

 

  

شكل 1: نماي كلي و ساده شده يك سلول گياهي

 

زيست شناسي سامانه‌هاي سلول گياهي (Plant cell system biology) تلاشي است براي درك ساز و كارهاي اجزا عملياتي سلول گياهي و گياه كامل و سازكارهاي رشد و توسعه آنها كه از طريق پيش بيني خصوصيات آنها با استفاده از داده‌هاي عددي به دست آمده از تحليل هاي برهمكنش عناصر متعدد سامانه‌ها كسب مي‌شود. اين درك به دانشمندان اجازه مي‌دهد تا با مطالعه و فهم ديناميك (پويايي) سلولي و عمل سازواره‌ها بتوانند الگوهاي مشروح تنظيم سلولي را مدلسازي نموده و دانش شبكه مسيرهاي ترارساني پيام (signal transduction) را كه براي اعمال فيزيولوژيكي و رشد و توسعه گياه لازم است، را كسب كنند.

 

براي دستيابي به اين هدف، بايد روش­هاي رياضي و كامپيوتري مناسبي براي مدلسازي و شبيه‌سازي سامانه‌هاي پيچيده زيستي طراحي نماييم، چرا كه تاكنون بخش اعظم زيست شناسي به جاي تمركز در خلق الگوهاي شبيه سازي شده كمي، اكتشافي و توصيفي بوده است.

 

تاكنون هيچ برنامه‌اي كه بتواند فرآيندهاي زيستي را به طور دقيق مدلسازي نمايد ساخته نشده است. البته استانداردهاي جديدي نيز لازم است تا با طراحي و تجزيه و تحليل آزمايش­ها، خطاهاي موجود در كار با مجموعه‌هاي عظيم داده‌ها را به حد قابل قبولي برساند.

 

به منظور رمزگشايي بنيادي الگوهاي زيستي، عزمي قوي در تجزيه و تحليل كمي پديده‌هاي زيستي با يك هدف بلند مدت توانمندي در مدلسازي فرآيندهاي زيستي لازم است. رهيافت‌هاي مدلسازي منجر به افزايش اهميت تحقيقاتي مي‌گردد كه بر مبناي فرضيه سازي در زيست شناسي گياهي انجام شود. اين رهيافت ظرفيت آن را دارد كه ديد محدود و سنتي ما را از فرآيندهاي زيستي به دركي گسترده‌تر از اجزا مرتبط كه يك سامانه (system) پيچيده را شكل مي‌دهند، تبديل نمايد. مسائل مهم زيست شناسي نوين مي‌تواند از بطن اين تلاشها پاسخ مناسبي پيدا نمايد. تشريح و تجزيه و تحليل سامانه‌هاي زيستي در تمامي سطوح، يك ساختار پژوهشي جديد را شكل مي‌دهد كه در آن از فرصتهاي طلايي ايجاد شده به دليل ظهور فناوري‌هاي نوين ژنوميكس و پروتئوميكس نهايت استفاده صورت گيرد و به اين مسائل مهم پاسخ مناسبي داده شود.

 

در اين راه نوآورانه و پيچيده، به دليل ماهيت ميان رشته‌اي بودن آن، همكاري تنگاتنگ زيست شناسان، رياضي دانان، متخصصان علوم رايانه، مهندسان و ساير متخصصان رشته‌هاي ديگر لازم است.

 

برخي از سوالات اساسي كه اين همكاري مثبت و سازنده بايد به آنها پاسخ دهد، عبارتند از:

الف) ساختار سامانه‌هاي سلولي تا چه حد عمومي و قابل تقسيم به اجزا قابل اندازه‌گيري مي‌باشد؟

ب) شبكه‌هاي سلولي ايجاد شده طي تحول (Evolution) تا چه حد با معادلهاي خود، كه با استفاده از فنون منطقي مهندسي از روي آنها طراحي شده، مشابهت نشان مي‌دهند؟

پ) اين شبكه ها تا چه حد مي‌توانند اجزا سازنده تحول را تعيين (Modulate) نمايند؟

ت) چگونه مي‌توان مشخصات سلول را با تركيب نتايج حاصل از اين فعاليتها و فرآوري آنها، توصيف نماييم.

 

براي پاسخ دادن به اين سوالات، لازم است كه دانشمندان رشته‌هاي مختلف، پروژه سلول مجازي را با هدف شبيه سازي كامپيوتري خصوصيات يك سلول گياهي آغاز نمايند. امر خطير و چالش برانگيزتر، مهندسي يك سلول كاملاً مصنوعي مي‌باشد. در آينده اين ماشينهاي سلولي مي‌توانند تبديل به سامانه‌هاي مدل قدرتمندي براي شبيه سازي و تحليل شبكه‌هاي واقعي سلولي گردند.

 

با راه‌اندازي اين فناوري‌ها مي‌توان پاسخهاي قانع كننده‌اي به سوالاتي كه زيست شناسان گياهي سالها به دنبال پاسخ آنها بوده‌اند، پيدا كرد. به طور مثال:

-          ارتباط ساختار و وظايف سلول گياهي چگونه است؟

-           چه قوانيني بر نحوه عمل سامانه‌هاي درون سلولي حكمفرماست؟

-           عوامل تعيين كننده تمايز سلولي چه هستند و تمايز چگونه رخ مي‌دهد؟

-           اندازه و تعداد انواع مختلف سلولها در يك بافت يا اندام چگونه تنظيم مي‌شود؟

-           براي مدلسازي هر نوع سلول چه چيزهايي بايد بدانيم؟

-     چگونه يك مدل سلولي ماده مي‌تواند براي شبيه سازي ساختارهاي پيچيده سلولي و تشكيل بافت استفاده مي‌شود؟

-     آيا مي‌توانيم الگوهاي عمومي حكمفرما بر پيچيدگيهاي زيست شناسي را براساس ساختار شبكه پيچيده انواع مختلف سلولها شناسايي نماييم؟

پاسخ به اين سوالات نياز به عوامل زير دارد:

-          دسترسي به الگوي بيان كل ژنوم تمامي سلولها و بافتهاي گياهي؛

-           دسترسي به الگوي كلي پروتئيني سلولها و بافتها؛

-     روشهاي نوين آشكارسازي فعاليت و مكان پروتئينها در سلول و موجودات زنده در مقياس كل ژنوم (شامل انواع روشهاي فلورسنت)؛

-           رهيافت‌هاي كشف مجموعه‌هاي ماكرومولكولي؛

-           روش‌هاي درك نحوه استفاده سلولهاي گياهي از اطلاعات؛

-           توانايي ادغام نتايج حاصل از علوم مختلف با يكديگر براي نتيجه گيري كلي.

 

همانطور كه ذكر شد، درك سيستمي فرآيندهاي مذكور نياز به يك تركيب جديد از فناوري‌هاي نوين و همكاري نزديك زيست شناسان گياهي، زيست شناسان محاسباتي، مهندسان، شيمي دانان و رياضي‌داناني دارد كه تفكر سيستميك دارند. همچنين نوآوري فني در ساخت دستگاههاي آزمايشگاهي امكان اندازه‌گيري‌هاي دقيق و با حجم زياد در واحد زمان را به ما مي‌دهد. اين كار بزرگ تلفيقي از آزمايش، فرضيه و محاسبه مي‌باشد.

هدف اصلي زيست شناسي سامانه‌ها (Systems biology) مدلسازي موجودات زنده است. زيست شناسي سامانه‌ها به جاي آزمايش و بررسي خصوصيات بخشهاي جدا شده يك سلول يا موجود، ساختار و ديناميك كل سلول و كل موجود را بررسي مي‌كند.

 

دليل اصلي محبوبيت زيست شناسي سامانه‌ها در اين سالها، پيشرفت سريع زيست شناسي مولكولي خصوصاً در ژنوميكس، پروتئوميكس و حجم وسيع اندازه‌گيري‌هاي دقيق و پرسرعت مي‌باشد كه به دانشمندان توانايي جمع‌آوري مجموعه‌هايي از داده‌هاي جامع مربوط به سازوكارهاي بنيادي رشد و پاسخ گياه به شرايط نامساعد را مي‌دهد.

 

ابزارهاي جديد و پربازده ژنوميكس، به دانشمندان اين امكان را داده است تا به طور هدفمند و سازمان يافته، سامانه‌هاي زيستي را هنگام عمل دستكاري يا كنترل نمايند.

 

به دليل فزوني اطلاعات حاصل از اين رهيافتهاي جديد، تحقيقات زيست شناسي گياهي امروزه بيش از پيش به علوم اطلاعات متكي شده است.

 

برهمكنش بين زيست شناسي مولكولي گياهي و علوم اطلاعات به تعيين اينكه چه نوع اندازه‌گيري و آزمايش تحليلي نياز مي‌باشد، كمك مي‌نمايد.

 

زيست شناسي سامانه‌ها نيازمند داده‌هاي كمي جامع و با كيفيت مي‌باشد. جامعيت در زيست شناسي سامانه‌ها نياز به سه نوع اندازه‌گيري دارد:

·  نخست نيازمند اندازه‌؛يري همزمان سطوح ابراز تعداد زيادي mRNA، پروتئين، پليمرهاي ساختاري و برخي متابوليتها مي‌باشيم؛

·    دوم اينكه به تفكيك موقتي تجهيزات مولكولي براي مدلسازي تغييرات ديناميكي نياز داريم؛

·    و سوم اينكه مكاني كه اين تغييرات در گياه رخ مي‌دهد، در سطح نوع سلول مشخص شود.

 

براي تسريع جمع‌آوري داده‌هاي دقيق و جامع بايد به نوآوري‌هاي فني در آزمايش‌هاي اندازه‌گيري پربازده خودكار و ميكروسكپي بها داده شود. براي طراحي اين ابزار پربازده، زيست شناسان گياهي بايد شانه به شانه مهندساني كه اين سامانه‌هاي اندازه‌گيري را طراحي و بهره‌برداري از آنها را انجام مي‌دهند، كار نمايند.

 

تشخيص صحيح برهمكنشها نيازمند اندازه‌گيري در شرايط مختلف و نتيجه گيري براساس مدلي است كه اين برهمكنشها را توضيح مي‌دهد.

 

متخصصان كامپيوتر مي‌توانند به زيست شناسان در طراحي آزمايش‌ها، تكرار نتايج و مدل سازي برهمكنشها كمك نمايند ولي در ابتدا بايد به درك متقابلي برسند. متاسفانه در بسياري موارد مدلهاي رياضي كه توسط رياضي دانان ارائه مي‌شود يا برنامه‌هاي تحليلي كه توسط متخصصان رايانه تهيه مي‌شود، مورد استقبال زيست شناسان قرار نمي‌گيرد. سوال اين است كه چرا نظريات زيستي بايد با داده‌هاي واقعي آزمون شوند و نه با محاسبات عددي؟

 

علي‌رغم مشكلاتي كه در تفكر متخصصان رايانه و علوم رياضي نسبت به زيست شناسان وجود دارد تاكنون چندين طرح موفق در مدلسازي مسيرهاي بيوشيميايي، مدلهاي رشد و توسعه گياه و اجرا شده است كه اميد مي‌رود با ادامه اين روند، شاهد انقلاب ديگري توسط زيست شناسي سامانه‌ها در علوم زيستي باشيم. در طي هر انقلاب علمي، دانشمندان به ابزار جديدي دست يافتند كه ابزار جديد دانشمندان در زيست شناسي سامانه‌ها رياضي مي‌باشد.

 

زيست شناسي سامانه‌هاي متابوليك جنبه ديگري از اين نوع مطالعات در علوم زيستي است كه در آن هدف بهره برداري از مجموعه جامعي از داده‌ها براي توصيف متابوليسم يك گياه مدل خلق مي‌شود. با استفاده از اين مدل، مي‌توان متابوليسم گياه را به طور قابل پيش بيني مهندسي كرد. بهره‌برداري‌هاي جديد از گياهان و افزايش توليد غذا با استفاده از اين رهيافت جديد، آنچنان برانگيزاننده است كه مي‌تواند به رشد سريع زيست شناسي سامانه‌ها بيانجامد.

 

منابع:

1.       Girke T, Ozkan M, Carter D, Raikel V (2003) Towards a Modeling Infrastructure for studsing plant cells. Plant Physiol 132: 410-414.

2.       V. Minorsky P (2003) Achieving the insilico plant. Sustems Biology and the Future of Biological Research. Plant Physiol 132: 404-409.

3.       Sweetlove LJ, Last RL, Fernie AR (2003) Predictive Metabolic Engineering. A Goal for System Biology. Plant Physiol 132: 420-425.

4.       Shasha DE (2003) Plant Systems Biology: Lessons from a fruitful collaboration. Plant physiol 132: 415-416.

5.       Katagiri F (2003) Attacking Complex Problems with the Power of Systems Biology. Plant Physiol 132: 417-419.


 
comment نظرات ()