زيست شناسان مولکولي بايد در آزمايشگاه هاي خود جايي براي مهندسان باز کنند. مهندسان سابقه درخشاني در درک سيستم هاي پيچيده نظير شبکه هاي انتقال نيرو و اينترنت دارند. آنها مي دانند اطلاعات درون چنين شبکه هايي چگونه در حرکت است. در سال گذشته مهندسان زيست شناسي سيستم ها تلاش کردند چگونگي درک سلول ها از سيگنال هاي شيميايي و محيط زيستي را تشريح کنند. زيست شناسان مولکولي ده ها سال به کار شکافتن سلول ها و پيدا کردن مسيرهاي علامت دهي مشغول بوده اند، ولي اين تلاش ها تنها مي توانست تصويري ايستا از شبکه علامت دهي به وجود بياورد و نمي توانست تصويري پويا از شبکه متعامل سلول و محيط پيرامون خود را که دربردارنده چرخه هاي بازخوردي متعدد است، به دست دهد. زيست شناسان سيستم ها براي به دست آوردن تصويري پويا از چنين فرآيندهايي، دست به کار طراحي شبکه هايي شده اند که مي تواند در آن واحد، ورودي ها و خروجي هاي متعدد داشته باشد. براي نمونه امسال دانشمندان امريکايي توانستند مدلي را طراحي کنند که مي تواند هشت هزار سيگنال شيميايي را به وجود بياورد که به مرگ برنامه ريزي شده سلول منجر مي شود. آنها در تلاش براي طراحي چنين مدلي توانستند سيگنال هاي جديدي را در فرآيند مرگ برنامه ريزي شده سلول کشف کنند. علاوه براين يک گروه امريکايي ديگر توانست از طريق روش هاي بروز ژني، چهار ژني را که موجب چاقي مي شوند، کشف کنند که نقش سه ژن از اين چهار ژن در بروز چاقي پيش از اين ناشناخته بود. يک گروه ديگر از دانشمندان توانستند سيگنال هاي جديدي را در زمينه کنترل ايمني سلول هاي موسوم به سلول هاي T و نورون هاي موسوم به CA1 را در هيپوکامپ کشف کنند، اما مهم ترين دستاورد سال گذشته اين شاخه از دانش از آن سه دانشمند ايراني دانشگاه هاي امريکاست. اين سه دانشمند با ابداع شيوه يي جديد در عرصه دانش نوين «زيست شناسي سيستم ها»، افقي جديد در تشخيص و درمان بيماري هاي پيچيده و صعب العلاج گشودند. در حال حاضر زيست شناسي سيستم ها در مراحل اوليه خود به سر مي برد. اما طرفداران آن معتقدند دسترسي به تصويري پويا از شبکه علامت دهي سلولي به درک بهتر دانشمندان از بيماري هاي پيچيده يي همچون سرطان و ديابت و کشف داروهايي بهتر براي مبارزه با آنها منجر خواهد شد. زيست شناسي سيستم ها دانش نوظهوري است که گمان مي رود پيامدهاي شگرفي بر آينده تحقيقات زيست شناسي و پزشکي داشته باشد.
زيست شناسي علم شناخت موجودات زنده است؛ علمي که با شروع زندگي انسان روي کره زمين، نياز به آن احساس شد و به تدريج تکامل يافت. زيست شناسي انباشته از اطلاعات توصيفي است و روز به روز نيز بر مقدار اين اطلاعات افزوده مي شود. هر ساله روش هاي جست وجوي نمونه ها در سطح کلان، مثل توالي DNA، ريزارائه ها و پژوهش هاي ماشيني کارکرد ژن ها اطلاعات جديدي را به درياي اطلاعات ما اضافه مي کنند.
زيست شناسي قرن بيست ويکم رفته رفته از بررسي اجزاي سلول به سمت بررسي چگونگي برهمکنش اجزاي سلول با يکديگر براي انجام يک وظيفه کلي در حال حرکت است. امروزه زيست شناسي نيز چون ديگر علوم گسترش يافته و شاخه هاي جديدي پيدا کرده است. از شاخه هاي جديد اين علم مي توان به زيست شناسي سيستم ها اشاره کرد. زيست شناسي سيستم ها راه دوباره پيموده شده يي است که از اواخر دهه 1990 ضرورت توجه به آن بيش از پيش احساس شد به طوري که امروزه محققان زيادي به دنبال طراحي سيستم هاي پيچيده زيست شناختي هستند.
زيست شناسي سيستم ها تلاش مي کند با توسل به تکنيک هاي مهندسي، اطلاعات مورد نياز براي درک چگونگي رفتار سيستم هاي زيستي پيچيده را آماده و در کنار يکديگر قرار دهد. اين شاخه از زيست شناسي در واقع سعي دارد با بررسي برهمکنش ها و روابط موجود ميان قسمت هاي مختلف سيستم هاي زيستي (مثل شبکه هاي ژني و پروتئيني درگير در علامت دهي سلولي، مسيرهاي متابوليسم، اندامک ها، سلول ها، سيستم هاي فيزيولوژيک و غيره) مدل قابل فهمي از چگونگي تکوين و رفتار سيستم هاي زيستي ارائه دهد. امروزه اطلاعات مربوط به بسياري از زيرمجموعه ها، از بيومکانيک گرفته تا بوم شناسي ديجيتالي شده و به موازات آن مشاهدات ما نيز دقيق تر و فراوان تر شده است. اما سوالي که در اينجا مي توان مطرح کرد اين است که آيا دانشمندان از اين سيلاب عظيم اطلاعات ژنتيکي مي توانند براي پي بردن به چگونگي کار سيستم ها و موجودات زنده استفاده کنند يا خير؟
پاسخ مثبت است. زيست شناسان سيستم ها براي نيل به اين هدف، ابتدا بايد تمامي اين اطلاعات را جمع آوري، بررسي و ساماندهي کنند. در مرحله بعد، که مهم تر از مرحله اول است، اين اطلاعات بايد به شيوه يي با يکديگر ادغام شوند که بتوانند در ارائه پيش بيني هاي لازم بر اساس اصول کلي به دانشمندان کمک کنند.
طرفداران زيست شناسي سيستم ها درصددند با اتکا به علوم رياضي، مهندسي و کامپيوتر، زيست شناسي را کمي تر ساخته و چارچوبي محکم و استوار براي ارتباط يافته هاي بسيار متفاوت و مختلف بيابند. آنها معتقدند اين روش تنها راهي است که مي تواند به حرکت رو به جلوي دانش بشري کمک کند. به اعتقاد آنها زيست پزشکي در اين ميان بيشترين سود را خواهد برد.
زيست شناسي سيستم ها بيشترين کمک را از تکميل توالي ژنوم انسان کسب کرد. تمامي تلاش هاي صورت گرفته در اين زمينه يک نتيجه کلي داشت و آن هم اينکه در حال حاضر توالي به يک واقعيت ثابت و در عين حال بسيار مشکل تبديل شده است. بيوشيمي وراثت انسان تعريف و اندازه گيري شده است و اين مساله موجب شده است دانشمندان به تلاش براي ايجاد ديگر ابعاد حيات ترغيب شوند.
متخصصان ژنتيک مولکولي آرزو دارند روزي بتوانند نگاه کامل و مشابهي را به شبکه هايي داشته باشند که ژن ها را کنترل مي کنند به عنوان مثال آنها مايلند قوانيني را شناسايي کنند که مي توانند توضيح دهند چگونه يک توالي DNA تحت شرايط مختلف مي تواند به پروتئين هاي مختلفي بيان شود، يا مقادير متفاوتي از پروتئين ها را بيان کند. زيست شناسان سلولي درصددند الگوهاي ارتباطي پيچيده رسم شده به وسيله مولکول هايي که سلامتي يک سلول را براي ايجاد يک مجموعه از قواعد اطلاع رساني تضمين مي کند، کاهش دهند. زيست شناسان تکويني مايلند تصوير جامعي از چگونگي مديريت جنين در هدايت سلول ها براي بر عهده گرفتن عملکرد تخصصي در استخوان، خون و بافت پوست داشته باشند. به اعتقاد طرفداران زيست شناسي سيستم ها، اين معماهاي دشوار تنها به وسيله زيست شناسي سيستم ها حل خواهد شد. مورد مشابه ديگري که مي توان مطرح کرد، در مورد دانشمندان متخصص اعصاب است که تلاش مي کنند خصوصيات ظهوريافته را که در مدارهاي پيچيده مغزي مخفي شده است، کنترل کنند. بوم شناسان براي درک تغييرات اکوسيستم مثل گرمايش جهاني به راه هايي احتياج دارند که به کمک آنها بتوانند اطلاعات فيزيکي را به خوبي اطلاعات زيستي که در ذهن خود به ثبت رسانده اند، تجزيه و تحليل کنند.
امروزه زيست شناسان سيستم ها تنها به صحبت کردن درخصوص شبکه هاي نسبتاً ساده بسنده کرده اند. به عنوان مثال مسير متابوليکي نابودي گالاکتوز که يک کربوهيدرات است، در مخمر ترسيم شده است. علاوه بر اين مسير علامت دهي سلولي در مرحله تمايز سلولي مخمر نيز ترسيم شده است. دانشمندان براي ترسيم اين مسير از مخمري با نام علمي Saccharomyces cerevisiae بهره جستند. آنها اطلاعات زيستي مربوط به اين مخمر را به کامپيوتر داده و کامپيوتر نيز اين اطلاعات را همچون مدل هاي رياضي ترکيب و به شيوه يي ساماندهي مي کند تا نهايتاً فرآيندهاي زيستي مخمر شبيه سازي شود. هدف از اين پروژه شناخت سيستم علامت دهي سلولي است که پديده تمايز سلولي را در مخمر کنترل مي کند. به عبارت دقيق تر مي توان گفت هدف دانشمندان از اين کار درک مکانيسم پوياي شبکه علامت دهي کنترل کننده تمايز سلولي در مخمر است. در ادامه آنها قصد دارند به چگونگي رفتار شبکه هاي پيچيده و خصوصياتي چون مقاومت در برابر اختلال علامت، ارتباط متقابل سلول ها با يکديگر، تغييرپذيري سلول به سلول و پايداري سلولي پي ببرند. براي طراحي اين سيستم از زيست شناسي مولکولي، ژنوميک، ژنتيک، پروتئوميک و تحليل ساختمان-عمل شبکه براي ارزيابي اجزا، جريان اطلاعات و مکانيسم هاي مولکولي دخيل در شبکه علامت دهي که رشد رشته يي شکل مخمر را تغيير مي دهند، استفاده شده است. ماحصل اين پژوهش ها دسترسي به اطلاعاتي بود که طراحي ديناميک شبکه را براي دانشمندان به ارمغان آورد. دانشمندان ديگر موفق شده اند مراحل اوليه تکوين جنين در توتياي دريايي و ديگر موجودات دريايي را رديابي کنند. در واقع آنها با اين کار مي خواهند بفهمند فاکتورهاي مختلف نسخه برداري چگونه بيان ژن را در طول زمان تحت الشعاع خود قرار مي دهند. پژوهشگران همچنين درصدد توسعه مدل هاي ابتدايي از شبکه هاي اطلاع رساني در سلول ها و مدارهاي ساده مغزي هستند.توزيع فضايي مولکول ها، اندامک ها و مولکول هاي پيام رسان موجود در سلول براي پردازش سيگنال ها، مراحل مختلف متابوليسم و ديگر فرآيندهاي داخل سلولي ضروري است. در گذشته هنگام طراحي و تجزيه آزمايشگاهي ديناميک سلولي ناهمگني فضايي سلول ها ناديده گرفته مي شد. اما پيشرفت هاي اخير صورت گرفته در علم کامپيوتر و زيست شناسي، روش هاي تجزيه و تحليل رفتار ديناميک سلولي را بهبود بخشيده است به طوري که در برخي موارد ديده شده قدرت تفکيک پذيري روش آناليز حتي از يک ميکرون هم کمتر شده است. در حال حاضر رياضيدانان قصد دارند مدل هاي خود را تکميل کنند و به سطحي برسانند تا بتوانند نشان دهند آيا آن مدل براي انجام يک آزمايش ويژه مفيد است يا خير؟ با کمک اين روش آزمايش هاي زيستي پيچيده و پرهزينه به شکل معني داري ساده تر و کم هزينه تر خواهند شد.
پيشرفت در اين زمينه ساده نيست و ممکن است با مشکلات مربوط به تبديل الگوهاي زيستي به مدل هاي کامپيوتري محدود شود. برنامه هاي کامپيوتري نسبتاً ساده هستند، اما روش هاي نمايش نتايج به شيوه هايي که دانشمندان مي توانند درک کنند و توضيح دهند نيازمند بهبود است. انستيتوهاي جديدي در سرتاسر جهان در حال جمع آوري تيم هايي از زيست شناسان، رياضيدانان و متخصصان کامپيوتر هستند تا بتوانند به ايجاد و ترويج زيست شناسي سيستم ها کمک کنند. اما اين کار هنوز در مراحل اوليه خود به سر مي برد.
هيچ کس نمي داند آيا کارگروهي متمرکز و نيروي کامپيوتري مي تواند به دانشمندان اين امکان را بدهد که تصويري کامل و سازمان يافته از چگونگي کار حيات ايجاد کنند.
نکته جالب توجه داستان ما اين است که در اين رشته از دانش نوپا نيز همانند بسياري از شاخه هاي جديد علمي نام بسياري از چهره هاي شناخته شده علمي ايران مي درخشد.سه دانشمند ايراني دانشگاه هاي امريکا سال گذشته با ابداع شيوه يي جديد در عرصه دانش نوين «زيست شناسي سيستم ها»، افقي جديد در تشخيص و درمان بيماري هاي پيچيده و صعب العلاج نظير انواع سرطان ها، اسکيزوفرنيا، افسردگي حاد، اعتياد و ديگر بيماري ها و اختلالات رواني گشودند.
اين شيوه جديد که توسط دکتر «عفت اماميان» دانش آموخته دانشگاه هاي علوم پزشکي تهران و مينه سوتاي امريکا و استاديار سابق دانشگاه راکفلر نيويورک، دکتر «علي عبدي» دانش آموخته دانشگاه هاي تهران و مينه سوتا و دانشيار دانشگاه نيوجرسي و دکتر «مهدي برادران طهوري» دانش آموخته دانشگاه هاي صنعتي شريف و استنفورد و استاديار دانشگاه نورث وسترن ابداع شده است، مي تواند ميزان تاثير مولکول هاي مختلف در بروز بيماري هاي پيچيده را مشخص و کليدي براي شناسايي عوامل اصلي بيماري ها و مهار آنها باشد.
درک رفتار سيستم هاي پيچيده زيست شناسي به کمک تکنيک هاي مهندسي
پاسخ با نقل قول
