مجله فانوس توانمندسازی جوانان از طریق رسانه
مطالب مرتبط
درک رفتار سیستم های پیچیده زیست شناسی به کمک تکنیک های مهندسی
زیست شناسان مولکولی باید در آزمایشگاه های خود جایی برای مهندسان باز کنند. مهندسان سابقه درخشانی در درک سیستم های پیچیده نظیر شبکه های انتقال نیرو و اینترنت دارند. آنها می دانند اطلاعات درون چنین شبکه هایی چگونه در حرکت است. در سال گذشته مهندسان زیست شناسی سیستم ها تلاش کردند چگونگی درک سلول ها از سیگنال های شیمیایی و محیط زیستی را تشریح کنند. زیست شناسان مولکولی ده ها سال به کار شکافتن سلول ها و پیدا کردن مسیرهای علامت دهی مشغول بوده اند، ولی این تلاش ها تنها می توانست تصویری ایستا از شبکه علامت دهی به وجود بیاورد و نمی توانست تصویری پویا از شبکه متعامل سلول و محیط پیرامون خود را که دربردارنده چرخه های بازخوردی متعدد است، به دست دهد. زیست شناسان سیستم ها برای به دست آوردن تصویری پویا از چنین فرآیندهایی، دست به کار طراحی شبکه هایی شده اند که می تواند در آن واحد، ورودی ها و خروجی های متعدد داشته باشد.
برای نمونه امسال دانشمندان امریکایی توانستند مدلی را طراحی کنند که می تواند هشت هزار سیگنال شیمیایی را به وجود بیاورد که به مرگ برنامه ریزی شده سلول منجر می شود. آنها در تلاش برای طراحی چنین مدلی توانستند سیگنال های جدیدی را در فرآیند مرگ برنامه ریزی شده سلول کشف کنند. علاوه براین یک گروه امریکایی دیگر توانست از طریق روش های بروز ژنی، چهار ژنی را که موجب چاقی می شوند، کشف کنند که نقش سه ژن از این چهار ژن در بروز چاقی پیش از این ناشناخته بود. یک گروه دیگر از دانشمندان توانستند سیگنال های جدیدی را در زمینه کنترل ایمنی سلول های موسوم به سلول های T و نورون های موسوم به CA۱ را در هیپوکامپ کشف کنند، اما مهم ترین دستاورد سال گذشته این شاخه از دانش از آن سه دانشمند ایرانی دانشگاه های امریکاست. این سه دانشمند با ابداع شیوه یی جدید در عرصه دانش نوین «زیست شناسی سیستم ها»، افقی جدید در تشخیص و درمان بیماری های پیچیده و صعب العلاج گشودند. در حال حاضر زیست شناسی سیستم ها در مراحل اولیه خود به سر می برد. اما طرفداران آن معتقدند دسترسی به تصویری پویا از شبکه علامت دهی سلولی به درک بهتر دانشمندان از بیماری های پیچیده یی همچون سرطان و دیابت و کشف داروهایی بهتر برای مبارزه با آنها منجر خواهد شد. زیست شناسی سیستم ها دانش نوظهوری است که گمان می رود پیامدهای شگرفی بر آینده تحقیقات زیست شناسی و پزشکی داشته باشد.
زیست شناسی علم شناخت موجودات زنده است؛ علمی که با شروع زندگی انسان روی کره زمین، نیاز به آن احساس شد و به تدریج تکامل یافت. زیست شناسی انباشته از اطلاعات توصیفی است و روز به روز نیز بر مقدار این اطلاعات افزوده می شود. هر ساله روش های جست وجوی نمونه ها در سطح کلان، مثل توالی DNA، ریزارائه ها و پژوهش های ماشینی کارکرد ژن ها اطلاعات جدیدی را به دریای اطلاعات ما اضافه می کنند.
زیست شناسی قرن بیست ویکم رفته رفته از بررسی اجزای سلول به سمت بررسی چگونگی برهمکنش اجزای سلول با یکدیگر برای انجام یک وظیفه کلی در حال حرکت است. امروزه زیست شناسی نیز چون دیگر علوم گسترش یافته و شاخه های جدیدی پیدا کرده است. از شاخه های جدید این علم می توان به زیست شناسی سیستم ها اشاره کرد. زیست شناسی سیستم ها راه دوباره پیموده شده یی است که از اواخر دهه ۱۹۹۰ ضرورت توجه به آن بیش از پیش احساس شد به طوری که امروزه محققان زیادی به دنبال طراحی سیستم های پیچیده زیست شناختی هستند.
زیست شناسی سیستم ها تلاش می کند با توسل به تکنیک های مهندسی، اطلاعات مورد نیاز برای درک چگونگی رفتار سیستم های زیستی پیچیده را آماده و در کنار یکدیگر قرار دهد. این شاخه از زیست شناسی در واقع سعی دارد با بررسی برهمکنش ها و روابط موجود میان قسمت های مختلف سیستم های زیستی (مثل شبکه های ژنی و پروتئینی درگیر در علامت دهی سلولی، مسیرهای متابولیسم، اندامک ها، سلول ها، سیستم های فیزیولوژیک و غیره) مدل قابل فهمی از چگونگی تکوین و رفتار سیستم های زیستی ارائه دهد. امروزه اطلاعات مربوط به بسیاری از زیرمجموعه ها، از بیومکانیک گرفته تا بوم شناسی دیجیتالی شده و به موازات آن مشاهدات ما نیز دقیق تر و فراوان تر شده است. اما سوالی که در اینجا می توان مطرح کرد این است که آیا دانشمندان از این سیلاب عظیم اطلاعات ژنتیکی می توانند برای پی بردن به چگونگی کار سیستم ها و موجودات زنده استفاده کنند یا خیر؟
پاسخ مثبت است. زیست شناسان سیستم ها برای نیل به این هدف، ابتدا باید تمامی این اطلاعات را جمع آوری، بررسی و ساماندهی کنند. در مرحله بعد، که مهم تر از مرحله اول است، این اطلاعات باید به شیوه یی با یکدیگر ادغام شوند که بتوانند در ارائه پیش بینی های لازم بر اساس اصول کلی به دانشمندان کمک کنند.
طرفداران زیست شناسی سیستم ها درصددند با اتکا به علوم ریاضی، مهندسی و کامپیوتر، زیست شناسی را کمی تر ساخته و چارچوبی محکم و استوار برای ارتباط یافته های بسیار متفاوت و مختلف بیابند. آنها معتقدند این روش تنها راهی است که می تواند به حرکت رو به جلوی دانش بشری کمک کند. به اعتقاد آنها زیست پزشکی در این میان بیشترین سود را خواهد برد.
زیست شناسی سیستم ها بیشترین کمک را از تکمیل توالی ژنوم انسان کسب کرد. تمامی تلاش های صورت گرفته در این زمینه یک نتیجه کلی داشت و آن هم اینکه در حال حاضر توالی به یک واقعیت ثابت و در عین حال بسیار مشکل تبدیل شده است. بیوشیمی وراثت انسان تعریف و اندازه گیری شده است و این مساله موجب شده است دانشمندان به تلاش برای ایجاد دیگر ابعاد حیات ترغیب شوند.
متخصصان ژنتیک مولکولی آرزو دارند روزی بتوانند نگاه کامل و مشابهی را به شبکه هایی داشته باشند که ژن ها را کنترل می کنند به عنوان مثال آنها مایلند قوانینی را شناسایی کنند که می توانند توضیح دهند چگونه یک توالی DNA تحت شرایط مختلف می تواند به پروتئین های مختلفی بیان شود، یا مقادیر متفاوتی از پروتئین ها را بیان کند. زیست شناسان سلولی درصددند الگوهای ارتباطی پیچیده رسم شده به وسیله مولکول هایی که سلامتی یک سلول را برای ایجاد یک مجموعه از قواعد اطلاع رسانی تضمین می کند، کاهش دهند. زیست شناسان تکوینی مایلند تصویر جامعی از چگونگی مدیریت جنین در هدایت سلول ها برای بر عهده گرفتن عملکرد تخصصی در استخوان، خون و بافت پوست داشته باشند. به اعتقاد طرفداران زیست شناسی سیستم ها، این معماهای دشوار تنها به وسیله زیست شناسی سیستم ها حل خواهد شد. مورد مشابه دیگری که می توان مطرح کرد، در مورد دانشمندان متخصص اعصاب است که تلاش می کنند خصوصیات ظهوریافته را که در مدارهای پیچیده مغزی مخفی شده است، کنترل کنند. بوم شناسان برای درک تغییرات اکوسیستم مثل گرمایش جهانی به راه هایی احتیاج دارند که به کمک آنها بتوانند اطلاعات فیزیکی را به خوبی اطلاعات زیستی که در ذهن خود به ثبت رسانده اند، تجزیه و تحلیل کنند.
امروزه زیست شناسان سیستم ها تنها به صحبت کردن درخصوص شبکه های نسبتاً ساده بسنده کرده اند. به عنوان مثال مسیر متابولیکی نابودی گالاکتوز که یک کربوهیدرات است، در مخمر ترسیم شده است. علاوه بر این مسیر علامت دهی سلولی در مرحله تمایز سلولی مخمر نیز ترسیم شده است. دانشمندان برای ترسیم این مسیر از مخمری با نام علمی Saccharomyces cerevisiae بهره جستند. آنها اطلاعات زیستی مربوط به این مخمر را به کامپیوتر داده و کامپیوتر نیز این اطلاعات را همچون مدل های ریاضی ترکیب و به شیوه یی ساماندهی می کند تا نهایتاً فرآیندهای زیستی مخمر شبیه سازی شود. هدف از این پروژه شناخت سیستم علامت دهی سلولی است که پدیده تمایز سلولی را در مخمر کنترل می کند. به عبارت دقیق تر می توان گفت هدف دانشمندان از این کار درک مکانیسم پویای شبکه علامت دهی کنترل کننده تمایز سلولی در مخمر است. در ادامه آنها قصد دارند به چگونگی رفتار شبکه های پیچیده و خصوصیاتی چون مقاومت در برابر اختلال علامت، ارتباط متقابل سلول ها با یکدیگر، تغییرپذیری سلول به سلول و پایداری سلولی پی ببرند. برای طراحی این سیستم از زیست شناسی مولکولی، ژنومیک، ژنتیک، پروتئومیک و تحلیل ساختمان-عمل شبکه برای ارزیابی اجزا، جریان اطلاعات و مکانیسم های مولکولی دخیل در شبکه علامت دهی که رشد رشته یی شکل مخمر را تغییر می دهند، استفاده شده است. ماحصل این پژوهش ها دسترسی به اطلاعاتی بود که طراحی دینامیک شبکه را برای دانشمندان به ارمغان آورد. دانشمندان دیگر موفق شده اند مراحل اولیه تکوین جنین در توتیای دریایی و دیگر موجودات دریایی را ردیابی کنند. در واقع آنها با این کار می خواهند بفهمند فاکتورهای مختلف نسخه برداری چگونه بیان ژن را در طول زمان تحت الشعاع خود قرار می دهند. پژوهشگران همچنین درصدد توسعه مدل های ابتدایی از شبکه های اطلاع رسانی در سلول ها و مدارهای ساده مغزی هستند.توزیع فضایی مولکول ها، اندامک ها و مولکول های پیام رسان موجود در سلول برای پردازش سیگنال ها، مراحل مختلف متابولیسم و دیگر فرآیندهای داخل سلولی ضروری است.
در گذشته هنگام طراحی و تجزیه آزمایشگاهی دینامیک سلولی ناهمگنی فضایی سلول ها نادیده گرفته می شد. اما پیشرفت های اخیر صورت گرفته در علم کامپیوتر و زیست شناسی، روش های تجزیه و تحلیل رفتار دینامیک سلولی را بهبود بخشیده است به طوری که در برخی موارد دیده شده قدرت تفکیک پذیری روش آنالیز حتی از یک میکرون هم کمتر شده است. در حال حاضر ریاضیدانان قصد دارند مدل های خود را تکمیل کنند و به سطحی برسانند تا بتوانند نشان دهند آیا آن مدل برای انجام یک آزمایش ویژه مفید است یا خیر؟ با کمک این روش آزمایش های زیستی پیچیده و پرهزینه به شکل معنی داری ساده تر و کم هزینه تر خواهند شد.
پیشرفت در این زمینه ساده نیست و ممکن است با مشکلات مربوط به تبدیل الگوهای زیستی به مدل های کامپیوتری محدود شود. برنامه های کامپیوتری نسبتاً ساده هستند، اما روش های نمایش نتایج به شیوه هایی که دانشمندان می توانند درک کنند و توضیح دهند نیازمند بهبود است. انستیتوهای جدیدی در سرتاسر جهان در حال جمع آوری تیم هایی از زیست شناسان، ریاضیدانان و متخصصان کامپیوتر هستند تا بتوانند به ایجاد و ترویج زیست شناسی سیستم ها کمک کنند. اما این کار هنوز در مراحل اولیه خود به سر می برد.
هیچ کس نمی داند آیا کارگروهی متمرکز و نیروی کامپیوتری می تواند به دانشمندان این امکان را بدهد که تصویری کامل و سازمان یافته از چگونگی کار حیات ایجاد کنند.
نکته جالب توجه داستان ما این است که در این رشته از دانش نوپا نیز همانند بسیاری از شاخه های جدید علمی نام بسیاری از چهره های شناخته شده علمی ایران می درخشد.سه دانشمند ایرانی دانشگاه های امریکا سال گذشته با ابداع شیوه یی جدید در عرصه دانش نوین «زیست شناسی سیستم ها»، افقی جدید در تشخیص و درمان بیماری های پیچیده و صعب العلاج نظیر انواع سرطان ها، اسکیزوفرنیا، افسردگی حاد، اعتیاد و دیگر بیماری ها و اختلالات روانی گشودند.
این شیوه جدید که توسط دکتر «عفت امامیان» دانش آموخته دانشگاه های علوم پزشکی تهران و مینه سوتای امریکا و استادیار سابق دانشگاه راکفلر نیویورک، دکتر «علی عبدی» دانش آموخته دانشگاه های تهران و مینه سوتا و دانشیار دانشگاه نیوجرسی و دکتر «مهدی برادران طهوری» دانش آموخته دانشگاه های صنعتی شریف و استنفورد و استادیار دانشگاه نورث وسترن ابداع شده است، می تواند میزان تاثیر مولکول های مختلف در بروز بیماری های پیچیده را مشخص و کلیدی برای شناسایی عوامل اصلی بیماری ها و مهار آنها باشد.
به گزارش ایسنا دکتر «امامیان» که در حال حاضر به عنوان رئیس شرکتی موسوم به ATNT (فناوری های پیشرفته برای تکنیک های درمانی جدید) تحقیقات خود را بر شناسایی عوامل مولکولی موثر در بیماری ها متمرکز و جنبه های بیولوژیک فناوری ابداعی طراحی کرده است و دکتر «عبدی» متخصص مخابرات، پردازش سیگنال و شبکه های مولکولی که به همراهی دکتر «طهوری»، هدایت بخش های مهندسی پروژه را برعهده دارد، اطلاعاتی درباره «تکنیک مهندسی شناسایی عوامل اصلی بیماری زا» و کاربردهای آن ارائه داده اند. این تکنیک تلفیقی از آخرین یافته های مهندسی و زیست شناسی سلولی مولکولی است که به زعم آنها چشم اندازی بسیار روشن و امیدبخش در درمان پیچیده ترین و در عین حال شایع ترین و پرهزینه ترین بیماری های جسمی و روانی می گشاید و می تواند کلید بسیاری از ابهامات و سوالات بی پاسخ درباره عامل مولکولی و نحوه درمان این بیماری ها باشد. به اعتقاد دکتر «امامیان»، بیماری ها از نظر علت دو دسته اند. برخی مثل هانتینگتون براساس اختلال در عملکرد یک مولکول مشخص بروز می کند، ولی بخش عمده بیماری ها از نظر مولکولی پیچیده بوده و ناشی از اختلال در عملکرد تعداد زیادی از مولکول ها هستند. عملکرد صحیح هر سلول که از تعداد زیادی مولکول های مختلف تشکیل شده، مستلزم کارایی درست مجموعه یی از مولکول هاست و اختلال در عملکرد آنها می تواند کارایی سلول را مختل کرده و باعث بروز بیماری شود. دانشمندان از سال ها پیش به نقش مولکول های مختلف در بروز بیماری های پیچیده پی برده و برای بررسی علت آنها، روی تک تک مولکول های دخیل در بیماری متمرکز می شوند و در واقع عملکرد مولکول را به صورت منفرد بررسی می کنند. طی سه چهار سال اخیر رویکرد جدیدی موسوم به «زیست شناسی سیستم ها» در عرصه تحقیقات زیست شناسی سلولی و مولکولی و بررسی بیماری ها ایجاد شده که در بیماری های پیچیده، سلول را به عنوان یک سیستم پیچیده مرکب از مولکول های مختلف بررسی می کند.
دکتر «امامیان» در این باره گفت؛ «ما در تحقیقات خود با الهام از روش های مهندسی شناسایی اختلالات مدارات پیشرفته الکتریکی، موفق به ابداع روشی شدیم که می تواند با مدل سازی شبکه های مولکولی پیچیده داخل سلول، نقش هر یک از مولکول ها را در اختلالات سلولی و بروز بیماری ها مشخص کند.» دکتر «عبدی» نیز در این باره خاطرنشان کرد؛ «در رشته های مهندسی روش هایی وجود دارد که نشان می دهد در صورت اختلال در یک مدار پیچیده که از هزاران هزار گره تشکیل شده است، کدام یک از اجزا و به چه میزان در بروز اختلال موثر بوده است. ایده طرح ما مبتنی بر مدل سازی شبکه های داخل سلولی است، به نحوی که قادر به تحلیل آن و تعیین اهمیت هر مولکول داخل شبکه و میزان تاثیر اختلال آن در مختل شدن کل سیستم و ایجاد بیماری باشیم.»
وی با تاکید بر اینکه چنین شیوه یی برای تعیین نقش مولکول ها در بروز بیماری ها برای نخستین بار ارائه شده است، در تشریح کاربردهای این روش، گفت؛ «در بیماری های پیچیده مثل اسکیزوفرنیا که عامل آن پس از سال ها تحقیق همچنان نامشخص است، هرازچند گاهی یک مولکول به عنوان عامل اصلی بیماری معرفی می شود، ولی مشخص نیست کدام مولکول واقعاً موثرتر است. روش ما می تواند به عنوان مثال شبکه های مولکولی سلول های عصبی را بررسی کرده و براساس میزان تاثیر هر مولکول در بیماری عددی را به آن نسبت داده و آنها را رتبه بندی کند.» دکتر «عبدی» تصریح کرد؛ «با مشخص شدن اینکه کدام مولکول ها نقش بیشتری در بروز بیماری دارد، می توان درمان بیماری را به رفع اختلال در آن مولکول ها متمرکز کرد و از بین مولکول های مختلف موثر در بیماری، آنهایی را که در بیماری موثرتر و هدف گرفتن آنها در روند درمان کم خطرتر است، مشخص کرد.»
دکتر «امامیان» نیز با بیان اینکه تکنیک ابداعی می تواند کلید شناسایی مولکولی بیماری های پیچیده از جمله انواع سرطان ها، بیماری ها و مشکلات روانی مثل اسکیزوفرنیا، اعتیاد، افسردگی و… باشد، خاطرنشان کرد؛ «بیماری های روانی و سرطان از شایع ترین بیماری هاست، به طوری که حدود یک درصد مردم به اسکیزوفرنیا مبتلا هستند و حدود ۲۵ درصد زنان در طول زندگی به یک حمله حاد افسردگی مبتلا می شوند. مشکل مضاعفی که بیماری های روانی و اعتیاد دارند، این است که نه تنها فرد بلکه جامعه را تحت تاثیر قرار می دهد، لذا شناخت عوامل مولکولی موثر در بروز چنین بیماری های پیچیده روانی می تواند گام مهمی در ارتقای سلامت جامعه باشد.»
این پژوهشگر زیست شناسی سیستم ها در ادامه درباره مزایای روش ابداعی گفت؛ «اساس این روش تلفیقی از تکنیک های ریاضی و مهندسی و کاربرد آنها در سیستم های زیستی است. این کشف را می توان به ابداع مبانی رایانه در چند دهه قبل تشبیه کرد که کاربردهای متنوع آن به تدریج مشخص شد. مطمئناً این روش که دقت زیاد آن با آزمایش ثابت شده است، می تواند تحولی جدی در تشخیص و درمان بیماری ها ایجاد کرده و با توجه به اینکه مبتنی بر ریاضی است، هزینه های مربوطه را نیز به نحوی چشمگیر کاهش دهد.»
دکتر «عبدی» در پاسخ به این سوال ایسنا که با توجه به تفاوت سیستم های بیولوژیک با سیستم های غیرزنده الکتریکی، چگونه از روش های مهندسی در تکنیک ابداعی استفاده شده است، تصریح کرد؛ «با توجه به تفاوت های بارز سیستم های زنده و غیرزنده، امکان استفاده مستقیم از این روش ها وجود ندارد، بلکه تلاش شده ساختار مولکولی سلول به نحوی مدل سازی شده و ورودی و خروجی های شبکه به نحوی طراحی شوند که بتوانیم از آن ابزارها، استفاده و میزان تاثیر اختلال هر یک از مولکول ها در اختلال سیستم را تعیین کنیم.»
وی خاطرنشان کرد؛ «علم زیست شناسی در سال های اخیر تا حد زیادی مولکول های موثر در هر بیماری را شناخته و با توجه به همین اطلاعات می توان شبکه ها را به بهترین شکل طراحی کرد، مثلاً در بیماری سرطان که طی آن با تکثیر بی رویه سلول ها مواجهیم، خروجی سیستم را مولکول هایی در نظر می گیریم که در تقسیم و تکثیر سلول ها نقش دارند یا در بیماری اسکیزوفرنیا که هنوز برای مهار اختلالات شناختی ناشی از آن درمانی نیافته ایم، مولکولی را که نقش آن در بروز این اختلالات به اثبات رسیده، خروجی قرار می دهیم و محاسبات شبکه را بر اساس آن انجام می دهیم.»
دکتر «امامیان» در عین حال تاکید کرد طراحی چنین شبکه ها و مدل های محاسباتی در زمینه هر بیماری مستلزم مطالعه صدها مقاله مربوط به جنبه ها و عوامل مولکولی موثر در آنهاست که براساس این اطلاعات معادلات ریاضی مربوط به هر یک نوشته شده و شبکه طراحی و تست می شود که چنین فرآیندی بسیار وقت گیر است.
دکتر «عبدی» هم درباره ارزیابی عملی کارایی این تکنیک گفت؛ «این روش روی پروتئین های مختلف آزمایش شده و صحت یافته های آن با توجه به نتایج پژوهش های موجود تایید شده و حتی برخی مولکول هایی که نقش آنها شناخته نشده بود، نیز با این روش پیش بینی شده اند.» دکتر «امامیان» و دکتر «عبدی» با بیان اینکه با همکاری دکتر «طهوری»، حدود چهار سال برای عملی کردن ایده الگوبرداری از روش های مهندسی در سیستم های بیولوژیک تحقیقات این پروژه را پیگیری کرده اند، جدی ترین مشکل در اجرایی کردن این ایده را رسیدن به درک و زبان مشترک علمی خصوصاً در مرحله ارائه مقاله با توجه به تفاوت اصطلاحات حوزه های مهندسی و زیست شناسی عنوان کردند، که این سه محقق را به مطالعه در زمینه های تخصصی غیراز رشته تحصیلی و تحقیقاتی آنها ناگزیر کرده است. آنها در عین حال تاکید کردند با توجه به اهمیت مساله و تاثیر تکنیک ابداعی در درمان بیماری های پیچیده تحقیقات در این زمینه را با مدل سازی شبکه های مولکولی بیماری های مختلف ادامه می دهند.
