سيستم بيولوژي (قسمت دوم)
اهداف و چالشها
با اختراع تکنيکهاي پيشرفته مولکولي با حجم خروجي دادههاي بالا اطلاعات ما در مورد واحدهاي تشکيلدهنده حيات، ژنها و پروتئينها افزايش يافته است. با اين حال اگر ما بخواهيم به اين سوال به ظاهر ساده ولي بسيار پيچيده پاسخ دهيم که"سلول زنده چگونه کار ميکند؟" داشتن همهي اطلاعات مربوط به ژنها و پروتئينها کافي نيست و مثل اين است که ما ليست و تمام اطلاعات مربوط به واحدهاي سازنده يک دستگاه راديو را بدانيم، اين موضوع هيچ کمکي به ما نميکند تا بدانيم يک راديو چگونه کار ميکند. براي فهم اين موضوع ما بايد ديدگاه سيستمي داشته باشيم و يک سيستم از ارتباط بين واحدهاي تشکيلدهنده آن بوجود ميآيد. اين ديدگاه در مورد سلول به ما کمک ميکند تا گام اول که رسيدن به يک سري شبکههاي ارتباطي بين ژنها و پروتئينها است برداشته شود. اين شبکهها حالت ايستا دارند ولي به ما کمک ميکنند تا بدانيم يک سلول از چه شبکههايي تشکيل شده است. در گام بعدي بايد اين شبکهها پويا شوند چرا که در يک سلول ارتباطها به صورت پويا و در پاسخ به تغييرات دروني و بيروني سلولي شکل ميگيرند و از بين ميروند. در اين حالت پويا، شبکههاي کوچک با هم تراکنش ميدهند و شبکههاي بزرگتر را ميسازند و اين شبکهها، شبکههاي بزرگتر و در نهايت ميتوان سلول را از ديدگاه سيستمي "شبکهاي از شبکهها" دانست. زماني که ما ميتوانيم اين شبکهها را شناسايي کنيم و آنها را به صورت پويا مدلسازي کنيم، شايد بتوانيم به سوالات زيادي پاسخ بدهيم: يک سلول چگونه ولتاژ خود را تنظيم ميکند؟ سيگنالهاي محيطي چگونه رمز گشايي ميشوند؟ سلول چگونه ميتواند با اختلالات دروني و بيروني، شرايط خود را در حالت بهينه نگه دارد؟ در بيماريهايي مانند سرطان و ديابت چه اتفاقي رخ ميدهد؟ سيستم بيولوژي دانشي قدرتمند است که ما به کمک آن امروزه قادر هستيم اين گامهاي دشوار و طاقتفرسا را برداريم. در اين دانش، زيستشناسي با علوم قدرتمندي مانند رياضي، رايانه، آمار، فيزيک، شيمي، علوم مهندسي، کنترل و فلسفه همراه شده است تا بتواند به راز سيستمهاي زيستي پي ببرد. ما براي پي بردن به راز، بايد ابعاد مختلف سيستمهاي زيستي را به طور جداگانه بررسي کنيم تا در نهايت بتوانيم با جمعبندي به دانشي نسبي در مورد سيستمهاي زيستي برسيم. در حال حاضر اين دانش در مرحله شناسايي شبکههاي زيستي است، تا در درجه اول ساختار شبکهها مشخص شود؛ همزمان تحقيقات بر روي پويايي اين شبکهها نيز در حال انجام است. ساختار شبکهها امروزه با روشهاي گروهبندي عملکردي ژنها، بر اساس دادههاي آزمايشگاهي ريزآرايهها و اطلاعات موجود در مقالات در حال انجام است و روشها و بانکهاي اطلاعاتي مختلفي براي اين مهم بوجود آمدهاند؛ ضمن اين که روشهاي مدلسازي براي کشف بيشتر ارتباطهاي ناشناخته بين ژنها در حال انجام است. به بياني دقيقتر تحقيقات در حال انجام براي شناسايي ساختار شبکهها و پويايي شبکهها همپوشاني اجتنابناپذيري دارند. چرا که از شبکههاي ساختاري براي طراحي الگوريتمهاي براي مدلسازي شبکههاي پويا استفاده ميشود و الگوريتمهاي طراحي شده به شناسايي روابط جديد ژني کمک ميکنند و شبکههاي ساختاري را کاملتر ميکنند. در يک تقسيمبندي ميتوان چالشهاي مقابل اين دانش را که موضوع تحقيقات امروز را تحت تأثير قرار دادهاند به اين صورت بيان کرد:
1) شناسايي ساختار سيستمها: شامل شناسايي شبکههاي ژني و مسيرهاي بيوشيميايي است که به پيدايش ساختار درون سلولي و بين سلولي منتهي ميشوند.
2) شناسايي ماهيت پويايي سيستمها: شامل استفاده از روشهاي آناليز پويايي، حساسيت و فازي براي جواب به اين سوال که سلول چگونه به تغييرات محيطي خود در طول زمان با استفاده از شبکههاي ژني و مسيرهاي متابوليکي واکنش ميدهد.
3) شناسايي روشهاي کنترلي سيستمها: شامل شناسايي سازوکارهاي است که به صورت نظام مند شرايط سلول را در برابر اختلالات و تغييرات منفي درون و بيرون سلولي به منظور به حداقل رساندن صدمات به سلول، کنترل ميکنند.
4) شناسايي روشهاي طراحي سيستمها: شناسايي روشهاي طراحي و مدلسازي که با استفاده از آنها بدون استفاده از روشهاي آزمايش و خطا بتوان با طراحي آزمايشهاي دقيق تغييرات مطلوب را در سيستمهاي زيستي ايجاد کرد.