زیست فناوری

نوشته: کسری اصفهانی

ابزارهای مدلسازی و مشاهده نتایج در Systems Biology
نویسنده : کسری اصفهانی - ساعت ٥:٥۸ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٠/۳/٢۱
 

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. 


 
comment نظرات ()