ما هي المعلوماتية الحيوية (Bio Informatics ) ؟

Home Bioinformatics Software ما هي المعلوماتية الحيوية (Bio Informatics ) ؟

Unknown 1:45 AM Bioinformatics, Software

مقدمة :

كيف يمكن أن نكشف موقع طفرةٍ معينة في المادة الوراثية ؟ كيف يمكن أن نتوقّع البنى البروتينية المعقّدة المكتوبة بالشفرة الجينية ؟ كيف يمكن لنا أن نرسم أشكالًا ثلاثية الأبعاد لتلك البروتينات أو الإنزيمات أو نتوقع تفاعلها مع بعضها البعض؟  كيف يمكن لعلماء اليوم التحدّث ببساطةٍ عن (الجينوم) وهو كامل المادة الوراثية للكائن الحيّ أو (البروتوم) وهو مجموع البروتينات التي يملكها، وهل هم قادرون على التعامل مع الكمّ الهائل من مليارات البيانات التي يحتويها ؟  كم يستغرق هذا الجهد الكبير من الوقت !؟

يمكن الجواب على تلك الأسئلة  في استعمال البيولوجيا الحديثة والذي يدعى بالمعلوماتية الحيوية         Bio informatics))  . حيث ان التحدي الأكبر  لعلماء الأحياء يكمن في فهم البيانات الهائلة والتوصل إلى أسرار طبيعة الكائنات الحية. وبالتالي فإن وجود فجوه كبيرة بين توافر البيانات البيولوجية وبين فهم الإنسان لتلك البيانات دعا إلى وجود المعلوماتية الحيوية كمجال علمي يعنى بتقليص تلك الفجوة.

ما هو مفهوم المعلوماتية الحيوية (Bioinformatics)؟

المعلوماتية الحيوية بالإنجليزية :  (Bioinformatics) أو علم الأحياء الحاسوبي         (computational biology) هو استخدام أحدث تقنيات الرياضيات التطبيقية والمعلوماتية والإحصاء وعلوم الحاسب لمعالجة وتحليل البيانات البيولوجية.

ووفقاً للمركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية (NCBI) فإن المعلوماتية الحيوية هي العلم الذي نتج عن اندماج علم الحاسب الآلي (Computer Science)  والأحياء(Biology) وتكنولوجيا المعلومات(Information technology)  لتكوين مجال علمي واحد.

أمّا ويبوبيديا Webopedia)) فإنها تعرّف المعلوماتية الحيوية على أنها تطبيق التكنولوجيا الحاسوبيّة والمعلوماتيّة في إدارة المعلومات البيولوجيّة، وبشكل محدّد هي علم تطوير قواعد بيانات وخوارزميّات حاسوبيّة لتسهيل وتسريع الأبحاث البيولوجيّة.

وتشير المصطلحات التالية “المعلوماتية الحيوية والبيولوجيا الحوسبيّة والبنية التحتيّة للمعلومات البيولوجيّة” لنفس المضمون تقريباً. فالمعلوماتية الحيوية تقوم على استخدام علم الحاسب الآلي للإجابة على الأسئلة التي يطرحها علماء الأحياء من أجل فهم طبيعة الكائنات الحية.

المبادئ الأساسية التي تقوم عليها المعلوماتية الحيوية

إن المعلوماتية الحيوية تقوم على قدرة قواعد البيانات بتخزين المعلومات الناتجة عن الأبحاث ومقارنتها مع بعضها البعض وتحليل النتائج للوصول لتنبؤات أو معلومات عن دور المورثات أو البروتينات من خلال التشابه الجيني بينها.

المجالات والتطبيقات:

1.    العثور على الجينات : (Gene finding) يعني هذا أنه لدينا سلسلة من (DNA) نرغب في معرفة مواقع الجينات على هذه السلسلة، أو التنبؤ بتركيب الجين أي تحديد الأجزاء التي ترمز إلى بروتينات تسمى (exons) والأجزاء الأخرى التي لا ترمز إلى بروتينات تسمى(introns)  وأشهر البرامج في هذا المجال برنامج (GRAIL) الذي يعمل باستخدام الشبكات العصبية الاصطناعية.

2.    محاذاة السلاسل : (Sequence alignment) هو عبارة عن فحص يتم اجراؤه لمعرفة التشابه بين سلسلة وأخرى من الجينات ,فوجود تشابه في السلاسل يدل على وجود وظيفة مشتركة أو مشابهة للجينات. ويوفر المعهد الأوروبي للمعلوماتية الحيوية (EBI) على موقعه الإلكتروني عدة برامج لمحاذاة السلاسل من أشهرها (needle) و(smith) لمحاذاة السلاسل الثنائية باستخدام البرمجة الديناميكية.

3.    معرفة التركيب الثنائي والثلاثي والرباعي (إن وجد) للبروتينات:(Protein folding) حيث يسهل ذلك معرفة وظيفة البروتين نتيجة لوجود ارتباط وثيق بين شكل البروتين ووظيفته. ويعد (HMMTOP) من أحد البرامج في هذا المجال وقد طور باستخدام نماذج ماركوف المخفية.

4.    تحديد مواقع ارتباط عوامل النسخ

(Transcription factor binding site identification):

وهي عبارة عن مواقع قصيرة جداً على سلاسل ( DNA) عندما يرتبط بها نوع معين من البروتينات “عوامل النسخ” تتم عملية إنتاج البروتين من الجين أو ما يعرف بالتعبير الجيني(Gene expression)  ويعد برنامج ( MEME)  من أكثر البرامج دقة في التعرف على مواقع ارتباط عوامل النسخ.

المهارات المطلوبة لتصبح خبيراً ناجحاً في مجال المعلوماتية الحيوية

كبداية عليك الإلمام بما يلي:

1)   خبرة في العمل على واحد أو أكثر من حزم البرمجيات المخصصة للتعامل مع بيولوجيا الجزيئات.تعلّم كيفيّة تحليل المعطيات البيولوجيّة باستخدام هذه البرمجيّات والتي منها:  (GCG,BLAST,FASTA) وغيرها.

2)   تعلّم نظم التشغيل مفتوحة المصدر (LINUX,UNIX) لأنّ الشائع في هذه الأيّام هو استخدام البرمجيّات الحرة في البيوإنفورماتيك وذلك نظراً لقوّتها وتوفّر الأدوات البرمجيّة والبرمجيّات المخصّصة لهذه المنصّات. 

3)   معرفة جيّدة بلغات البرمجة مثل : Java,C++,Python,Perl كما يجب عليك الإلمام بلغة HTML .

4)   الإلمام بنظم إدارة قواعد البيانات وأفضلها (Oracle) و MySQL مفتوحة المصدر والمجانيّة و الأكثر استخداماً لتخزين كميات ضخمة gigabytes من المعطيات البيولوجية لتحليلها واستخلاص المعلومات منها. 

مشاريع علي المعلوماتية الحيوية

·        AMOS: برنامج أسمبلر مفتوح المصدر يعتمد على جينومي .

·        :BioSimGrid قاعدة بيانات اامحاكاة البيوجزيئية.

·        الموصلات الحيوية

·        Diamond STING

·         :BIOMAP Projectإنشاء خريطة شاملة لكافة البنى البيولوجية الماكروجزيئية

كيف يمكن تطبيق المعلوماتية الحيوية ؟

يمكن لأي باحث الاستفادة من قواعد البيانات الهائلة لهذا العلم، حيث يوجد حتى الآن ما يقارب 1554 من قواعد البيانات وأغلبها متاحة بالمجان للباحثين ! ولعل أشهرها ما يوجد على موقع (NCBI) الذي يسمح بمقارنة تسلسلات (DNA) مع أي كائن من الكائنات الأخرى، بالإضافة لبنك البروتينات (PDB) الذي يضمّ تسلسلات البروتينات وبنيتها ثلاثية الأبعاد.