بیوانفورماتیک چیست؟

بیوانفورماتیک: پیوند علم داده و زیست‌شناسی

بیوانفورماتیک چیست؟ یکی از مهمترین سوالاتی است که دانشجویان و فعالان حوزه زیست فناوری با آن رو به رو می شوند. بطور خلاصه می توان گفت: دانش به کار گیری علوم کامپیوتری و آمار و احتمالات در زیست شناسی مولکولی، بیوانفورماتیک نام دارد که در فارسی به آن ” زیست داده ورزی “می گویند . در حقیقت بیوانفورماتیک یک دانش میان رشته است که اطلاعات زیستی را بوسیله آمار و احتمالات تحلیل کرده و سپس توسط نرم افزارها، سازماندهی و طبقه بندی می کند و این اطلاعات را بصورت قابل درک در اختیار محققین قرار می دهد.

تعریفی دیگر

بیوانفورماتیک یک حوزه چندرشته‌ای است که علم داده، زیست‌شناسی، ریاضیات و علوم کامپیوتر را ترکیب می‌کند تا به تحلیل و تفسیر داده‌ های زیستی بپردازد. این رشته به ویژه در دوران کنونی که حجم داده‌های ژنومی و پروتئومی به سرعت در حال افزایش است، اهمیت بسزایی پیدا کرده است. در این مقاله، به بررسی اصول، کاربردها و اهمیت بیوانفورماتیک می‌پردازیم.

تاریخچه و تکامل بیوانفورماتیک

بیوانفورماتیک به عنوان یک رشته علمی در دهه ۱۹۷۰ میلادی با آغاز پروژه‌های ژنومیک و نیاز به تجزیه و تحلیل داده‌های بیولوژیکی بزرگ ظهور کرد. با پیشرفت تکنولوژی‌های تعیین توالی DNA و RNA و کاهش هزینه‌های آن، حجم داده‌های ژنتیکی به صورت چشمگیری افزایش یافت. این امر منجر به توسعه الگوریتم‌ها و نرم‌افزارهای تخصصی برای مدیریت و تحلیل این داده‌ها شد.

اصول و مبانی بیوانفورماتیک چیست؟

بیوانفورماتیک به کاربرد روش‌های محاسباتی برای تحلیل داده‌های زیستی می‌پردازد. این روش‌ ها شامل الگوریتم‌ های جستجو و همترازی توالی‌ها، تحلیل ساختارهای پروتئینی، مدل‌ سازی شبک ه‌های زیستی و شبیه‌ سازی‌ های مولکولی است. برخی از مبانی اصلی بیوانفورماتیک عبارتند از:

1. توالی‌یابی ژنتیکی: تحلیل توالی‌ های DNA و RNA برای شناسایی ژن‌ ها، موتیف‌ ها و ساختارهای ژنتیکی.
2. پیش‌بینی ساختار پروتئین: استفاده از مدل‌ های محاسباتی برای پیش‌ بینی ساختار سه‌ بعدی پروتئین‌ها.
3. شبکه‌های زیستی: تحلیل تعاملات پروتئین-پروتئین و مسیرهای زیستی برای درک بهتر فرآیندهای سلولی.
4. بیوانفورماتیک تکاملی: مطالعه تکامل ژنوم‌ها و شناسایی ارتباطات فیلوژنتیکی بین گونه‌ ها.

کاربردهای بیوانفورماتیک چیست؟

بیوانفورماتیک در بسیاری از حوزه‌های علمی و پزشکی کاربرد دارد. این رشته تخصصی،حاوی شبکه گسترده ای از اطلاعات زیستی مهمی مانند اطلاعات ژنوم، اسیدهای نوکلئیک ، بازهای آلی و … است. این اطلاعات توسط پایگاه های تحقیقاتی مختلف در سراسر جهان استخراج و جمع آوری و در این شبکه منتشر می شود، بدین ترتیب محققان سراسر دنیا می توانند در هر لحظه به اطلاعات دلخوه خود دسترسی داشته باشند، این سیستم  سرعت نقل و انتقال داده ها را تسریع کرده و صرفه جویی چشمگیری در زمان انجام پروژه های مختلف دارد.

حوزه های استفاده

همانند بیوتکنولوژی، بیوانفورماتیک هم در دنیا و به خصوص در ایران جوان و نوپا است و هنوز آن طور که باید در ایران فراگیر نشده و حتی متاسفانه اساتید دانشگاهی هم اطلاعات، شناخت و دانش کاربردی مفیدی در مورد بیوانفورماتیک ندارند. در عصری که اطلاعات مهمترین و با ارزش ترین سلاح بشر است و سرعت انتقال و ذخیره سازی داده ها هر روز بطور چشمگیری پیشرفت می کند، نباید زمان را از دست داد و تا حد توان در گسترش بکار گیری این علم استراتژیک کوشید. مهمترین حوزه های کاربرد بیوانفورماتیک را می توان به شرح ذیل خلاصه کرد:

1. پروژه ژنوم انسان: تجزیه و تحلیل داده‌های ژنوم انسان برای شناسایی ژن‌های مرتبط با بیماری‌ها و توسعه روش‌های درمانی جدید.
2. پزشکی شخصی: استفاده از داده‌های ژنتیکی فردی برای تعیین دقیق‌تر روش‌های درمانی و داروهای مناسب.
3. کشاورزی: بهبود گیاهان و محصولات کشاورزی از طریق اصلاح ژنتیکی و شناسایی ژن‌های مرتبط با مقاومت به بیماری‌ها و تنش‌های محیطی. پایگاه داده گیاهان دارویی چین و پایگاه داده Rain tree از نمونه های موفق این حوزه هستند.
4. اکولوژی و حفظ تنوع زیستی: مطالعه ژنوم‌های گونه‌های مختلف برای درک بهتر تنوع زیستی و حفاظت از گونه‌های در خطر انقراض.

چالش‌ها و فرصت‌ها

بیوانفورماتیک با چالش‌ های متعددی مواجه است که شامل مدیریت و تحلیل حجم بزرگی از داده‌ها، نیاز به محاسبات قدرتمند و حفظ دقت و صحت تحلیل‌ها است. با این حال، فرصت‌های بسیاری نیز وجود دارد که از جمله آنها می‌توان به توسعه الگوریتم‌ها و نرم‌افزارهای جدید، پیشرفت در تکنولوژی‌های تعیین توالی و افزایش دسترسی به داده‌های باز اشاره کرد. کاربرد بیوانفورماتیک در کشاورزی، یکی از فرصت های پیش رو در ایران برای توسعه استفاده از این علم نوظهور است.

بیوانفورماتیک به عنوان یک رشته علمی نوظهور، نقش حیاتی در تحلیل و تفسیر داده‌های زیستی ایفا می‌کند. با پیشرفت تکنولوژی و افزایش حجم داده‌های ژنومیک و پروتئومیک، اهمیت این حوزه بیش از پیش افزایش یافته است. بیوانفورماتیک با ترکیب علوم داده و زیست‌شناسی، فرصت‌های جدیدی برای درک بهتر فرآیندهای زیستی و توسعه روش‌های درمانی و بهبود محصولات کشاورزی فراهم می‌کند.

نویسنده: محمد خیاط تهرانچی، کارشناس ارشد بیوتکنولوژی