زیست‌شناسی دستگاه‌ها

نمونه‌ای از پژوهشهای زیست‌شناسی دستگاه‌ها.

زیست‌شناسی دستگاه‌ها واژه‌ایست که در روش‌های کاربردی نوین در پژوهش‌های پزشکی و زیست‌شناسی به کار می‌رود. زیست‌شناسی دستگاه‌ها دانشی چندشاخه‌ای است که بنیاد آن بر زیست‌شناسی می‌باشد که کانون بررسی آن بر روی برهم‌کنش‌های پیچیدهٔ دستگاه‌های زیستی است.

اکنون پروژه‌های ژنومی موجودات مختلف اطلاعات بسیار زیادی را از ژن‌ها و محصولات آن‌ها در اختیار ما گذاشته‌است. آشکار است که گام بعدی مطالعهٔ آزمایشگاهی و رایانه‌ای عملکرد این ژن‌ها و محصولات آن‌ها در ابعاد سلول و نحوهٔ ارتباط آن‌ها است. از طرف دیگر به واسطهٔ روش‌های آزمایشگاهی مختلف و پیشرفته که روز به روز در حال ترقی هستند اطلاعات عملکردی ما از ژن‌ها و ماکرومولکول‌های زیستی افزایش می‌یابد. بنابراین به منظور استفاده از اطلاعات به دست آمده از پروژه‌های ژنومی و اطلاعات عملکردی لازم است که این داده‌ها با استفاده از رایانه به صورت دسته‌بندی شده در بیایند. تولید، جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل اطلاعات در مورد واکنش‌های بیوشیمیایی و متابولیت‌های حاصل را تحت عنوان متابولمیکس (Metabolimics ) می‌شناسند. مرحلهٔ بعدی در ادامه این تحقیقات، تلاش‌های بیشتر در جهت مطالعات سیستماتیک در زمینهٔ سلول‌ها، اندام‌ها و موجودات زنده؛ به ویژه فرایندهای سلولی مانند برهمکنش‌های مولکولی، ارتباطات بین سلولی، تقسیم سلولی، هموستازی و سازگاری‌های محیطی است. دانشی که این مجموعه از فعالیت‌ها را دنبال می‌کند "سامانه‌های زیستی " (System Biology ) نامیده شده‌است. در واقع، زمان آن فرا رسیده‌است که شاخه‌های مختلف علوم زیستی به منظور درک بهتر چگونگی عملکرد سلول، چگونگی تنظیم فزآیندهای سلولی و چگونگی واکنش و سازگاری با تغییرات محیطی با هم ادغام شوند. در این میان اختراع و بکارگیری روش‌های آزمایشگاهی مانند انواع آرایه‌ها (microarray، proteinarray. DNAchip ) با تولید داده‌های انبوه امکان بررسی هم زمان تعداد زیادی از ژن‌ها و ماکرومولکول‌های در سلول‌ها و بافت‌های مختلف در مراحل تکوینی متفاوت و ابعاد زمان و شرایط محیطی مختلف را فراهم آورده‌اند. با استفاده از این داده‌ها نحوه بر همکنش و تنظیم ژن‌ها در انواع فرایندهای زیستی قابل شناسایی و قانونمند شدن هستند. در واقع، این داده‌ها منبع اصلی اطلاعات مورد نیاز در دانش سامانه‌های زیستی هستند. رشته سامانه‌های زیستی توسط تعدادی از دانشمندان پیشرو و کنجکاو پایه‌گذاری شد. ولی به دلیل پتانسیل بسیار بالای کاربردی این رشته در ابعاد مختلف علوم زیستی و پزشکی بسیاری از شرکت‌های زیست فناوری که به دنبال تولید فراورده‌ها و داروهای زیستی هستند با احساس نیاز به ابزاری با قدرت پیش‌بینی بالا برای مدل سازی و پیش‌بینی اثرات محصولات خود با روش‌های ارزان و سریع به دنبال این رشته رفتند. امیدهای بسیاری امروزه با تولد این شاخه از علم در زمینه سلامت و بیماری‌های ژنتیکی و سرطان ایجاد شده‌است. چرا که امید می‌رود بتوان تمام اتفاقاتی را که در سلول‌های بیمار و سالم اتفاق می‌افتد را مدل‌سازی و با هم مقایسه کرد و به علت اصلی بیماری‌ها و درمان آن‌ها پی برد.

یکی از کاربردهای اصلی این رشته که امروزه هزینه‌ها و تمرکز زیادی را به خود اختصاص داده‌است، استفاده از سامانه‌های زیستی در مدل‌سازی اثرات داروها در سلول‌های هدف و مسیرهای بیوشیمیایی درگیر است. دانشمندان امیدوارند که در آینده نزدیک با مدل سازی‌های دقیق تر بتوانند داروهای اختصاصی تر با اثرات جانبی کمتر و بهینه را طراحی کنند. به عنوان مثال نشان داده شده‌است که گیرنده فاکتور رشد اپیدرمال که امروزه مورد هدف بسیاری از داروهای جدید سرطان است، متعلق به یک خانواده‌است که چهار نوع از انواع گیرنده‌های هم خانواده را شامل می‌شود. نشان داده شده‌است که این گیرنده‌ها توسط ۳۰ بر همکنش مختلف با مولکول‌های متفاوت تحریک می‌شوند. فلذا این بر همکنش پیچیده ایجاب می‌نماید که دیاگرام و طرحی از نحوهٔ عملکرد این مولکول‌ها و نقش هر کدام از آن‌ها را داشته باشیم. در این صورت به راحتی و با هزینه کم می‌توانیم اثر هر نوع دارویی را که طراحی می‌کنیم، بر نحوه عملکرد این ترکیب پیچیده پیش‌بینی کنیم. بعلاوه، مدل‌های که در قالب سامانه‌های زیستی طراحی می‌شوند این امکان را فراهم می‌کنند که واکنش سلول و مسیرهای بیوشیمیایی آن را نسبت به شرایط محیطی که نمی‌توان برا حتی در آزمایشگاه مطالعه کرد را پیش‌بینی و تجزیه و تحلیل کنیم.

کلی رشته سامانه‌های زیستی بر سه پایه اصلی استوار است:

• جمع آوری و تلفیق داده‌های آزمایشگاهی
• پردازش داده‌ها و استخراج قوانین حاکم در برهمکنش‌های مولکولی
• مدل‌سازی برهمکنش‌های مولکولی

موضوعات اصلی در سامانه‌های زیستی شامل آنالیز شبکه‌های مختلف است که مهم‌ترین این شبکه‌ها عبارتند از :

• شبکه‌های ژنی
• شبکه‌های برهمکنش‌های بین مولکولی (بویژه پروتئین‌ها)
• شبکه‌های متابولیسمی
• شبکه‌های سیگنالی

و...