فیلوژنی و تکامل مولکولی (Molecular phylogeny and evolution)
در فرایند گونه زایی (Speciation) در سطح پایین دستی تکامل، آنالیزهای ژنتیک جمعیت (Population genetics analysis) و در سطوح بالاتر آنالیزهای فیلوژنتیکی (Phylogenetics analysis) مطرح است.
آنالیز توالی های زیستی بر پایه اصول محکم تکامل استوار است. معمولا تشابهات (similarities) و واگرایی (divergences) توالی های زیستی مرتبط با یکدیگر که با همردیفی (انطباق) توالی مشخص می شوند، می بایست در قالب درخت های فیلوژنتیکی مورد تفسیر و قرار گیرند. از این رو فیلوژنی مولکولی حوزه ای بنیادی و مهم در بیوانفورماتیک محسوب می گردد.
تعریف تکامل. تکامل در بیولوژی به معنی ایجاد شکلی زیستی از سایر اشکالی است که قبلا وجود داشته اند و یا ایجاد اشکال زیستی از زمان پیدایش آن به شکل فعلی به وسیله فرایند انتخاب و اصلاح طبیعی. انتخاب طبیعی نیروی پیش برنده ی تکامل است و طی آن اشکال ناسازگار، در اثر تغییرات وضعیت محیطی یا انتخاب جنسیتی حذف می شوند و فقط سازگارترین ها (شایسته ترین ها( انتخاب می گردند. جهش های ژنتیکی که به صورت خودبه خود رخ می دهند، به عنوان مکانیسم اصلی تکامل شناخته می شوند. جهش ماده ژنتیکی، در جمعیت تنوع زیستی ایجاد می کند و تنوع افراد جمعیت موجب بقای موجود موفق تر در یک محیط معین می گردد. تنوع ژنتیکی منبعی از مواد خام را برای عمل انتخاب طبیعی فراهم می کند.
فیلوژنتیک مطالعه ی تاریخچه تکاملی موجودات زنده با استفاده ازنمودارهای (دیاگرام های) درختی شکل جهت نشان دادن اجداد و شجرنامه اارگانیسم ها است. الگوی انشعاب (شاخه ای) درخت که نشان دهنده واگرایی تکاملی است فیلوژنی نامیده می شود. قبل از تکامل مولکولی، برای استنباط فیلوژنی داده ها از منابعی نظیر مورفولوژی (ریخت شنای Morphology)، رفتار، توزیع جغرافیایی و غیره استفاده می شد.
در واقع فیلوژنی را می توان از طرق مختلف مورد مطالعه قرار داد. بررسی ها معمولا با استفاده از فسیل هایی که دارای اطلاعات ریخت شناسی اجداد گونه ی فعلی و فاصله زمانی واگرایی باشد، انجام می گیرد. اما فسیل ها محدودیت های زیادی دارند; آن ها شاید تنها برای گونه های خاصی در دسترس باشند. داده های فسیل های موجود می تواند ناقص باشد و جمع اوری آنها معمولا به علت فراوانی، محل زندگی، گستره جغرافیایی و فاکتورهای دیگر محدود می شود. تفاسیری که از ویژگی های ریخت شناسی آنها می شود به علت نقش عوامل ژنتیکی گوناگون معمولا با ابهام همراه است. از این رو، استفاده از فسیل ها جهت تعیین ارتباط فیلوژنتیکی، می تواند گمراه کننده و یا جهت گیری غیر صحیح گردد. از سوی دیگر برای میکرواورکانیسم ها میکروبی فسیلی وجود ندارد و در نتیجه مطالعه ی فیلوژنی آنها از این طریق امکان پذیر نیست.
خوشبختانه، داده های مولکولی نیز که در شکل توالی های DNA یا پروتئین وجود دارند قادرند چشم انداز تکاملی بسیار مناسبی از موجودات فعلی را نشان دهند. زیرا همانطور که موجودات تکامل (نمو) می یابند، انباشته شدن جهش های مواد ژنتیکی، در طول زمان موجب تغییر فنوتیپی و ریختی موجودات می گردند. لذا، بدین سبب که ژن ها محل حفظ جهش های انباشته شده هستند، می توان آنها را به عنوان فسیل های مولکولی (Molecular fossils) در نظر گرفت و با بررسی مقایسه ای فسیل های مولکولی تعدادی از موجودات مرتبط، می توان تارخچه تکاملی ژن ها و حتی ارگانیسم ها را آشکار ساخت.
مزیت استفاده از داده های مولکولی مشخص و روشن است. اطلاعات مولکولی فراوانتر از فسیل ها ثبت شده هستند و به دسترسی به آنها نیز ساده تر است. در اینجا هیچ تفاوت نمونه گیری یه جهت گیری از روی غرض وجود ندارد و از این رو به ترمیم شکاف های مود در پیشینه فسیل های واقعی کمک می کند. همچنین درخت های فیلوژنتیک برگتر و قویتری را می توان با کمک داده های مولکولی به وجود اورد. بنابراین، این اطلاعات بسیار مورد توجه دانشمندان قرار گرفته اند و گاهی اوقات تنها اطلاعات در دسترس محققان، برای بازسازی تاریخچه تکاملی (Reconstruction evolution history) هستند. ظهور عصر ژنومیک به همراه حجم بسیار بالای داده های توالی مولکولی منجر به گسترش سریع و روزافزون فیلوژنتیک مولکولی گردیده است.
گستره فیلوژنتیک مولکولی را می توان به صورت مطالعه روابط تکاملی ژن ها و سایر ماکرومولکول های بیولوژیکی به واسطه بررسی و آنالیز جهش های نواحی مختلف توالی های انها و سپس ارائه فرضیه در مورد ارتباط تکاملی مولکول های زیستی تعریف کرد. ارتباط تکاملی میان موجودات را می توان بر اساس تشابه و همسانی توالی مولکول های آنها درک نمود.
در فرایند گونه زایی (Speciation) در سطح پایین دستی تکامل، آنالیزهای ژنتیک جمعیت (Population genetics analysis) و در سطوح بالاتر آنالیزهای فیلوژنتیکی (Phylogenetics analysis) مطرح است.
آنالیز توالی های زیستی بر پایه اصول محکم تکامل استوار است. معمولا تشابهات (similarities) و واگرایی (divergences) توالی های زیستی مرتبط با یکدیگر که با همردیفی (انطباق) توالی مشخص می شوند، می بایست در قالب درخت های فیلوژنتیکی مورد تفسیر و قرار گیرند. از این رو فیلوژنی مولکولی حوزه ای بنیادی و مهم در بیوانفورماتیک محسوب می گردد.
تعریف تکامل. تکامل در بیولوژی به معنی ایجاد شکلی زیستی از سایر اشکالی است که قبلا وجود داشته اند و یا ایجاد اشکال زیستی از زمان پیدایش آن به شکل فعلی به وسیله فرایند انتخاب و اصلاح طبیعی. انتخاب طبیعی نیروی پیش برنده ی تکامل است و طی آن اشکال ناسازگار، در اثر تغییرات وضعیت محیطی یا انتخاب جنسیتی حذف می شوند و فقط سازگارترین ها (شایسته ترین ها( انتخاب می گردند. جهش های ژنتیکی که به صورت خودبه خود رخ می دهند، به عنوان مکانیسم اصلی تکامل شناخته می شوند. جهش ماده ژنتیکی، در جمعیت تنوع زیستی ایجاد می کند و تنوع افراد جمعیت موجب بقای موجود موفق تر در یک محیط معین می گردد. تنوع ژنتیکی منبعی از مواد خام را برای عمل انتخاب طبیعی فراهم می کند.
فیلوژنتیک مطالعه ی تاریخچه تکاملی موجودات زنده با استفاده ازنمودارهای (دیاگرام های) درختی شکل جهت نشان دادن اجداد و شجرنامه اارگانیسم ها است. الگوی انشعاب (شاخه ای) درخت که نشان دهنده واگرایی تکاملی است فیلوژنی نامیده می شود. قبل از تکامل مولکولی، برای استنباط فیلوژنی داده ها از منابعی نظیر مورفولوژی (ریخت شنای Morphology)، رفتار، توزیع جغرافیایی و غیره استفاده می شد.
در واقع فیلوژنی را می توان از طرق مختلف مورد مطالعه قرار داد. بررسی ها معمولا با استفاده از فسیل هایی که دارای اطلاعات ریخت شناسی اجداد گونه ی فعلی و فاصله زمانی واگرایی باشد، انجام می گیرد. اما فسیل ها محدودیت های زیادی دارند; آن ها شاید تنها برای گونه های خاصی در دسترس باشند. داده های فسیل های موجود می تواند ناقص باشد و جمع اوری آنها معمولا به علت فراوانی، محل زندگی، گستره جغرافیایی و فاکتورهای دیگر محدود می شود. تفاسیری که از ویژگی های ریخت شناسی آنها می شود به علت نقش عوامل ژنتیکی گوناگون معمولا با ابهام همراه است. از این رو، استفاده از فسیل ها جهت تعیین ارتباط فیلوژنتیکی، می تواند گمراه کننده و یا جهت گیری غیر صحیح گردد. از سوی دیگر برای میکرواورکانیسم ها میکروبی فسیلی وجود ندارد و در نتیجه مطالعه ی فیلوژنی آنها از این طریق امکان پذیر نیست.
خوشبختانه، داده های مولکولی نیز که در شکل توالی های DNA یا پروتئین وجود دارند قادرند چشم انداز تکاملی بسیار مناسبی از موجودات فعلی را نشان دهند. زیرا همانطور که موجودات تکامل (نمو) می یابند، انباشته شدن جهش های مواد ژنتیکی، در طول زمان موجب تغییر فنوتیپی و ریختی موجودات می گردند. لذا، بدین سبب که ژن ها محل حفظ جهش های انباشته شده هستند، می توان آنها را به عنوان فسیل های مولکولی (Molecular fossils) در نظر گرفت و با بررسی مقایسه ای فسیل های مولکولی تعدادی از موجودات مرتبط، می توان تارخچه تکاملی ژن ها و حتی ارگانیسم ها را آشکار ساخت.
مزیت استفاده از داده های مولکولی مشخص و روشن است. اطلاعات مولکولی فراوانتر از فسیل ها ثبت شده هستند و به دسترسی به آنها نیز ساده تر است. در اینجا هیچ تفاوت نمونه گیری یه جهت گیری از روی غرض وجود ندارد و از این رو به ترمیم شکاف های مود در پیشینه فسیل های واقعی کمک می کند. همچنین درخت های فیلوژنتیک برگتر و قویتری را می توان با کمک داده های مولکولی به وجود اورد. بنابراین، این اطلاعات بسیار مورد توجه دانشمندان قرار گرفته اند و گاهی اوقات تنها اطلاعات در دسترس محققان، برای بازسازی تاریخچه تکاملی (Reconstruction evolution history) هستند. ظهور عصر ژنومیک به همراه حجم بسیار بالای داده های توالی مولکولی منجر به گسترش سریع و روزافزون فیلوژنتیک مولکولی گردیده است.
گستره فیلوژنتیک مولکولی را می توان به صورت مطالعه روابط تکاملی ژن ها و سایر ماکرومولکول های بیولوژیکی به واسطه بررسی و آنالیز جهش های نواحی مختلف توالی های انها و سپس ارائه فرضیه در مورد ارتباط تکاملی مولکول های زیستی تعریف کرد. ارتباط تکاملی میان موجودات را می توان بر اساس تشابه و همسانی توالی مولکول های آنها درک نمود.
مقدمه ای بر بیوانفورماتیک (یا داده پردازه زیستی)
در بیولوژی، امروزه ابزارهای کمی و کیفی نقش بسیار مهمی را در علم بازی می کنند. اکثر تحقیقات بیولوژی با استفاده مستقیم یا غیر مستقیم از ابزارهای ریاضی،آماری یا محاسباتی برای کمک به ترکیب داده های ثبت شده و جمع اوری انواع مختلف اطلاعات در پروسه پاسخ به یک سئوال زیستی مشخص سروکار دارند.
بیوانفورماتیک (Bioinformatics) در واقع آنالیز کمی اطلاعات مرتبط با ماکروملکول های زیستی با کمک رایانه است. توسعه بیوانفورماتی به عنوان یک رشته علمی حاصل پیشرفت در بیولوژی مولکولی و همچنین علم رایانه در چند دهه گذشته است.
تعریف لاسکوبه (Lascoube) از بیوانفورماتیک : بیوانفورماتیک به عنوان یک مجموعه واحد از زیست شناسی و انفورماتیک معرفی می شود. بیوانفورماتیک شامل فناوری است که از کامیپوتر جهت نگهداری، جستجو، دستکاری و توزیع اطلاعات مرتبط با ماکرومولکول های زیستی استفاده می کند.
در بیولوژی، امروزه ابزارهای کمی و کیفی نقش بسیار مهمی را در علم بازی می کنند. اکثر تحقیقات بیولوژی با استفاده مستقیم یا غیر مستقیم از ابزارهای ریاضی،آماری یا محاسباتی برای کمک به ترکیب داده های ثبت شده و جمع اوری انواع مختلف اطلاعات در پروسه پاسخ به یک سئوال زیستی مشخص سروکار دارند.
بیوانفورماتیک (Bioinformatics) در واقع آنالیز کمی اطلاعات مرتبط با ماکروملکول های زیستی با کمک رایانه است. توسعه بیوانفورماتی به عنوان یک رشته علمی حاصل پیشرفت در بیولوژی مولکولی و همچنین علم رایانه در چند دهه گذشته است.
تعریف لاسکوبه (Lascoube) از بیوانفورماتیک : بیوانفورماتیک به عنوان یک مجموعه واحد از زیست شناسی و انفورماتیک معرفی می شود. بیوانفورماتیک شامل فناوری است که از کامیپوتر جهت نگهداری، جستجو، دستکاری و توزیع اطلاعات مرتبط با ماکرومولکول های زیستی استفاده می کند.
حوزه های علم ایونوانفورماتیک یا ایمونولوژی محاسبه ای :پیشگویی اپی توپ، طراحی واکسن ،طراحی کیت های تشخیصی،طراحی انتی بادی، طراحی ادجوانت، ارزیابی الرژنسیتی و ابمنی درمانی
حوزه های علم بیوانفورماتیک ساختار: مدل سازی ساختار پروتیین، بررسی چین خوردگی پروتیین، مقایسه ساختارها، جهش زایی، بهینه سازی انژری، ساخت پروتیین های جدید و مهندسی پروتیین، تکه تکه کردن و پیرایش ساختارها، داکینگ، اعتبار سنجی مدل ها
کموانفورماتیک چیست؟
کموانفورماتیک به شیوه های مختلف تعریف شده است، و یکی از محبوب ترین آنها توسط جرج پاریس ارائه شده است، که می گوید "کموانفورماتیک یک اصطلاح عمومی است که شامل طراحی، ایجاد، سازماندهی، مدیریت، بازیابی، تجزیه و تحلیل، انتشار، تجسم، و استفاده از اطلاعات شیمیایی است".
بخش اساسی عملیات یک سیستم اطلاعات شیمیایی شامل ذخیره سازی، بازیابی، و جستجوی اطلاعات / داده ها و روابط آنها است. کموانفورماتیک به دریافت داده های شیمیایی در مقیاس بزرگ از منابع در دسترس عموم و مواد طراحی شده با ویژگی های مورد نظر کمک می کند که از طریق روش های پیش بینی خواص فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی ترکیبات، شبیه سازی طیف، تفسیر ساختار، مدل سازی واکنش، طراحی سنتز به دست می آید و با استفاده از طراحی دارو به بهینه سازی فرایند منجر شود. روش کار "اغلب" با استفاده از تعداد زیادی از مولکول های "کوچک" است که در آن #N ~ (10...100...1,000...10,000...106...1060...).
از کاربردهای اصلی ا این موضوع در زمینه های علم پزشکی برای توسعه داروهای جدید و موثر و در علم مواد تولید موادی جدید و برتر است. زمینه های دیگر که از کموانفورماتیک بهره مند می برند، شیمی کشاورزی و بیوتکنولوژی هستند. این عملیات با ذخیره سازی کلاسیک داده ها در یک کامپیوتر متفاوت است زیرا اطلاعات مربوط به سیستم اطلاعات شیمیایی عمدتا ساختاری بوده که نیاز به الگوریتم های و روش های بررسی ویژه دارند، که این بر خلاف داده های متنی می باشد.
با دسترسی به زیرساخت های محاسبات با کارایی بالا مدرن، در حال حاضر زمینه های گوناگون کموانفورماتیک از نظر سرعت و کارایی رو به رشد است. ابزارهای منبع باز در حال حاضر یک نقش محوری انقلابی در راه داده های کموانفورماتیک بازی می کنند و می توانند با توان عملیاتی بالا مدیریت شوند، و آزمایش های مورد نیاز را با قدرت محاسباتی بالا را می توان در یک محیط سیلیکو انجام داد.
کموانفورماتیک به شیوه های مختلف تعریف شده است، و یکی از محبوب ترین آنها توسط جرج پاریس ارائه شده است، که می گوید "کموانفورماتیک یک اصطلاح عمومی است که شامل طراحی، ایجاد، سازماندهی، مدیریت، بازیابی، تجزیه و تحلیل، انتشار، تجسم، و استفاده از اطلاعات شیمیایی است".
بخش اساسی عملیات یک سیستم اطلاعات شیمیایی شامل ذخیره سازی، بازیابی، و جستجوی اطلاعات / داده ها و روابط آنها است. کموانفورماتیک به دریافت داده های شیمیایی در مقیاس بزرگ از منابع در دسترس عموم و مواد طراحی شده با ویژگی های مورد نظر کمک می کند که از طریق روش های پیش بینی خواص فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی ترکیبات، شبیه سازی طیف، تفسیر ساختار، مدل سازی واکنش، طراحی سنتز به دست می آید و با استفاده از طراحی دارو به بهینه سازی فرایند منجر شود. روش کار "اغلب" با استفاده از تعداد زیادی از مولکول های "کوچک" است که در آن #N ~ (10...100...1,000...10,000...106...1060...).
از کاربردهای اصلی ا این موضوع در زمینه های علم پزشکی برای توسعه داروهای جدید و موثر و در علم مواد تولید موادی جدید و برتر است. زمینه های دیگر که از کموانفورماتیک بهره مند می برند، شیمی کشاورزی و بیوتکنولوژی هستند. این عملیات با ذخیره سازی کلاسیک داده ها در یک کامپیوتر متفاوت است زیرا اطلاعات مربوط به سیستم اطلاعات شیمیایی عمدتا ساختاری بوده که نیاز به الگوریتم های و روش های بررسی ویژه دارند، که این بر خلاف داده های متنی می باشد.
با دسترسی به زیرساخت های محاسبات با کارایی بالا مدرن، در حال حاضر زمینه های گوناگون کموانفورماتیک از نظر سرعت و کارایی رو به رشد است. ابزارهای منبع باز در حال حاضر یک نقش محوری انقلابی در راه داده های کموانفورماتیک بازی می کنند و می توانند با توان عملیاتی بالا مدیریت شوند، و آزمایش های مورد نیاز را با قدرت محاسباتی بالا را می توان در یک محیط سیلیکو انجام داد.
یکی از زمینه پیشرفته و رو به ترقی روزافزون در حوزه علم ایمونوانفورماتیک مربوط به انفورماتیک انتی بادی ها می باشد. این زمینه شامل طراحی انتی بادی، بهینه سازی، مدلینگ، داکینگ، انسانی سازی، پایداری و رفع عیوب مخرب ساختار ان در مقیاس صنعتی در جهت مصارف دارویی-درمانی و تشخیصی است. انفورماتیک انتی بادی یکی از پیچیده و دشوارترین مباحث در طراحی های فوق پیشرفته است که در اینده نزدیک صنعت دارو یی و تشخیصی را دگرگون خواهد کرد.