در حال حاضر طراحی دارو به کمک کامپیوتر CADD به عنوان یکی از ابزارهای بسیار مفید برای توسعه منطقی داروها، مورد توجه قرار گرفته است که در واقع شامل طراحی دارو از روی ساختار بوده و توانسته زمان لازم برای شناسایی و طراحی ترکیبات دارویی، نوع آن ها و بهینه سازی ساختارشان را به حداقل زمان برساند. این روش در طی 20سال توسعه و تکامل پیدا کرده و به یکی از شاخه های علمی مهم در شیمی دارویی تبدیل شده است.
روش های طراحی دارو به کمک کامپیوتر
روش های طراحی دارو با کامپیوتر را می توان به سه دسته متفاوت تقسیم کرد که همۀ آن ها بر اساس لیگاند و گیرنده می باشد
1- روش مبتنی بر گیرنده (Dock Receptor Based Approach)
2- روش مبتنی بر لیگاند (Ligand Based Approach)
3-De Novo Design Based Approach
روش های طراحی دارو به کمک کامپیوتر
روش های طراحی دارو با کامپیوتر را می توان به سه دسته متفاوت تقسیم کرد که همۀ آن ها بر اساس لیگاند و گیرنده می باشد
1- روش مبتنی بر گیرنده (Dock Receptor Based Approach)
2- روش مبتنی بر لیگاند (Ligand Based Approach)
3-De Novo Design Based Approach
یکی از بهترین روش های موجود برای بررسی ساختار و رفتار مواد، شبیه سازی رایانه ای است. امروزه با پیشرفت فن آوری رایانه ها، به شبیه سازی هایی که برای محاسبه خواص مواد با استفاده از ساختار ذرات تشکیل دهنده آن ها انجام می گیرد توجه ویژه ای می شود. از جمله مزایای روش های شبیه سازی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
کاهش تعداد آزمایش های لازم
صرفه جویی در زمان و هزینه های تحقیقاتی
درک بهتر مسائل شیمی و فیزیک
آزمایش سریعتر فرضیه ها و نظریه های جدید
آزمایش های بدون مواد زائد و پسماند
امنیت و تمیزی آزمایش ها
دستیابی همزمان به نتایج چندین آزمایش در زمینه های مختلف
تکنیک های تجربی فقط برای ترکیباتی که در شرایط موجود پایدار هستند به کار می روند. درحالی که روش های محاسباتی برای ترکیبات ناپایدار و حتی برای ترکیب هایی که هنوز ناشناخته اند نیز قابل استفاده می باشند. اولین شبیه سازی رایانه ای در سال 1949 توسط متروپلیس و همکارانش بر روی سیالات انجام گرفت. این مطالعه منجر به پیدایش روش شبیه سازی مونت کارلو شد. در اواخر دهه 1950 آلدر و وینرایت اولین شبیه سازی دینامیک مولکولی را با مطالعه یک مدل کره-سخت انجام دادند. اولین شبیه سازی دینامیک مولکولی به روی پروتئین ها در سال 1977 توسط مک کامن و کارپلوس در دانشگاه هاروارد انجام گرفت. تفاوت آشکار میان روش های شبیه سازی دینامیک مولکولی و مونت کارلو که دو روش عمده شبیه سازی های رایانه ای به شمار می آیند در آن است که دینامیک مولکولی اطلاعاتی درباره وابستگی زمانی خواص سیستم در اختیار می گذارد، درحالی که بین پیکربندی های متوالی مونت کارلو ارتباط زمانی وجود ندارد. در روش های دینامیک مولکولی، که جزء روش های تعیّنی هستند، پیکربندی های پی در پی سیستم با هم ارتباط زمانی دارند، اما در روش های مونت کارلو، که جزء روش های کاتوره ای هستند، هر پیکربندی فقط به پیکربندی قبل از خود وابسته است.
بر خلاف روش های مکانیک کوانتومی (که در آن اثرات الکترون ها در نظر گرفته می شوند) می توان از روش های دینامیک مولکولی (که فقط هسته ها در نظر گرفته می شوند) برای بررسی رفتار دینامیکی ماکرومولکول های زیستی مانند پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک (DNA, RNA) و ... استفاده کرد.
از کاربردهای شبیه سازی های دینامیک مولکولی در سیستم های زیستی می توان به موارد کلی زیر اشاره کرد:
- بررسی برهمکنش میان ماکرومولکول ها شامل (پروتئین-پروتئین، پروتئین- اسید نوکلئیک، پروتئین-لیپید)
- بررسی برهمکنش میان ماکرومولکول ها و لیگاند/ دارو شامل (پروتئین- لیگاند، اسید نوکلئیک- دارو، لیپید- دارو)
- یافتن اجزای مهم (دخیل) در یک برهمکنش خاص
- بررسی فرایندهای folding و unfolding
- بررسی تغییراتِ پارامترهای ساختاری در هر یک از فرایندهای زیستی
- بررسی تغییراتِ پارامترهای ترمودینامیکی (انرژی آزاد اتصال) در هر یک از فرایندهای زیستی
- بررسی مکانیسم عمل موتورهای مولکولی
- بررسی تغییرات ایجاد شده در ماکرومولکول ها پس از جهش (موتاسیون)
همچنین می توان به کاربردهای شبیه سازی های دینامیک مولکولی در سیستم های غیر زیستی نیز اشاره کرد:
- بررسی نانولوله های کربنی
- بررسی نانو صفحات کربنی
- بررسی جذب گاز بر روی نانولوله و نانو صفحات کربنی
- بررسی برهمکنش لیگاند یا دارو با نانولوله های کربنی
در مطالب ارائه شده در آینده به معرفی مقالاتی در رابطه با موضوعات مذکور خواهیم پرداخت.
کاهش تعداد آزمایش های لازم
صرفه جویی در زمان و هزینه های تحقیقاتی
درک بهتر مسائل شیمی و فیزیک
آزمایش سریعتر فرضیه ها و نظریه های جدید
آزمایش های بدون مواد زائد و پسماند
امنیت و تمیزی آزمایش ها
دستیابی همزمان به نتایج چندین آزمایش در زمینه های مختلف
تکنیک های تجربی فقط برای ترکیباتی که در شرایط موجود پایدار هستند به کار می روند. درحالی که روش های محاسباتی برای ترکیبات ناپایدار و حتی برای ترکیب هایی که هنوز ناشناخته اند نیز قابل استفاده می باشند. اولین شبیه سازی رایانه ای در سال 1949 توسط متروپلیس و همکارانش بر روی سیالات انجام گرفت. این مطالعه منجر به پیدایش روش شبیه سازی مونت کارلو شد. در اواخر دهه 1950 آلدر و وینرایت اولین شبیه سازی دینامیک مولکولی را با مطالعه یک مدل کره-سخت انجام دادند. اولین شبیه سازی دینامیک مولکولی به روی پروتئین ها در سال 1977 توسط مک کامن و کارپلوس در دانشگاه هاروارد انجام گرفت. تفاوت آشکار میان روش های شبیه سازی دینامیک مولکولی و مونت کارلو که دو روش عمده شبیه سازی های رایانه ای به شمار می آیند در آن است که دینامیک مولکولی اطلاعاتی درباره وابستگی زمانی خواص سیستم در اختیار می گذارد، درحالی که بین پیکربندی های متوالی مونت کارلو ارتباط زمانی وجود ندارد. در روش های دینامیک مولکولی، که جزء روش های تعیّنی هستند، پیکربندی های پی در پی سیستم با هم ارتباط زمانی دارند، اما در روش های مونت کارلو، که جزء روش های کاتوره ای هستند، هر پیکربندی فقط به پیکربندی قبل از خود وابسته است.
بر خلاف روش های مکانیک کوانتومی (که در آن اثرات الکترون ها در نظر گرفته می شوند) می توان از روش های دینامیک مولکولی (که فقط هسته ها در نظر گرفته می شوند) برای بررسی رفتار دینامیکی ماکرومولکول های زیستی مانند پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک (DNA, RNA) و ... استفاده کرد.
از کاربردهای شبیه سازی های دینامیک مولکولی در سیستم های زیستی می توان به موارد کلی زیر اشاره کرد:
- بررسی برهمکنش میان ماکرومولکول ها شامل (پروتئین-پروتئین، پروتئین- اسید نوکلئیک، پروتئین-لیپید)
- بررسی برهمکنش میان ماکرومولکول ها و لیگاند/ دارو شامل (پروتئین- لیگاند، اسید نوکلئیک- دارو، لیپید- دارو)
- یافتن اجزای مهم (دخیل) در یک برهمکنش خاص
- بررسی فرایندهای folding و unfolding
- بررسی تغییراتِ پارامترهای ساختاری در هر یک از فرایندهای زیستی
- بررسی تغییراتِ پارامترهای ترمودینامیکی (انرژی آزاد اتصال) در هر یک از فرایندهای زیستی
- بررسی مکانیسم عمل موتورهای مولکولی
- بررسی تغییرات ایجاد شده در ماکرومولکول ها پس از جهش (موتاسیون)
همچنین می توان به کاربردهای شبیه سازی های دینامیک مولکولی در سیستم های غیر زیستی نیز اشاره کرد:
- بررسی نانولوله های کربنی
- بررسی نانو صفحات کربنی
- بررسی جذب گاز بر روی نانولوله و نانو صفحات کربنی
- بررسی برهمکنش لیگاند یا دارو با نانولوله های کربنی
در مطالب ارائه شده در آینده به معرفی مقالاتی در رابطه با موضوعات مذکور خواهیم پرداخت.
ایمونوانفورماتیک یا ایمونولوژی محاسباتی اخیرا به عنوان زمینه ای مهم و نوین نقش چشمگیری را در علوم آنالیز، مدل سازی و پیشگویی عملکرد سیستم ایمنی، طراحی واکسن های جدید، تحقیقات آلرژی زایی و اکتشافات دارویی داشته است. این علم نه تنها سبب تسریع تحقیقات علمی شده بلکه بعلت تعامل آن با پروژه ژنوم انسان و سایر ارگانیسم ها منجربه دست یابی به اطلاعات بسیار زیادی در ارتباط با ایمنی شناسی گردیده است. در واقع ایمونوانفورماتیک همانند پلی میان آزمایشات تجربی و رهیافت های محاسباتی می باشد
. موفقیت های این شاخه از علم به طور وسیعی به سبب ارتباط مستقیم آن با سلامتی جهانی، واجد اهمیت استراتژیک می باشد و در کنار آن، از نگاهی دیگر سبب کاهش زمان و هزینه ها در فرآیند تحقیقات علمی می شود. این مقاله، پایگاههای مختلف عمومی و اختصاصی ایمنی شناسی، رهیافت های پیشگویی اپی توپ های سلول Bو T، بیوانفورماتیک واکسن ها و آنالیز آلرژن زایی (آلرژنسیته) پروتئین ها را مرور می کند و نیز همچنین کاربردهای ایمونوانفورماتیک را بر می شمارد. شایان ذکر است هدف اصلی این مقاله آشنایی هرچه بیشتر و هدایت محققان ایرانی شاغل در بخش های علوم پایه و بالینی به سمت و سوی کاربرد پایگاهها و ابزارهای پیشرفته ایمونولوژی در تحقیقاتشان می باشد.
. موفقیت های این شاخه از علم به طور وسیعی به سبب ارتباط مستقیم آن با سلامتی جهانی، واجد اهمیت استراتژیک می باشد و در کنار آن، از نگاهی دیگر سبب کاهش زمان و هزینه ها در فرآیند تحقیقات علمی می شود. این مقاله، پایگاههای مختلف عمومی و اختصاصی ایمنی شناسی، رهیافت های پیشگویی اپی توپ های سلول Bو T، بیوانفورماتیک واکسن ها و آنالیز آلرژن زایی (آلرژنسیته) پروتئین ها را مرور می کند و نیز همچنین کاربردهای ایمونوانفورماتیک را بر می شمارد. شایان ذکر است هدف اصلی این مقاله آشنایی هرچه بیشتر و هدایت محققان ایرانی شاغل در بخش های علوم پایه و بالینی به سمت و سوی کاربرد پایگاهها و ابزارهای پیشرفته ایمونولوژی در تحقیقاتشان می باشد.