تويت
Bioinformatics
Bioinformatics
الاستخدامات العامة للمعلوماتية الحيوية
الاستخدامات العامة للمعلوماتية الحيوية
إستخدام للحاسب الآلي لحفظ و إسترجاع و البحث في المواد الوراثية للكائنات الحيوية يدخل ضمن نطاق المعلوماتية الحيوية.
العاملون و المستفيدون من هذا المجال إما أن يكون من العاملين في مجال الهندسة الوراثية ويستخدمون التطبيقات الموجودة او من المبرمجين و المتخصصين في الحاسب الآلي و الذي يقومون بإنشاء البرامج وكتابة الخوارزميات لحل المشاكل و إجابة الأسئلة التي يواجهها الباحثون في مجال التقنية الحيوية و الهندسة الوراثية.
تطبيقات الطب الجزيئي للمعلوماتية الحيوية
التأثير الذي أحدثه الإنتهاء من مشروع الجينوم البشري كان له تأثير مدوي لم يسبق له مثيل في تاريخ الطب.
فالحصول على السلاسل المكونة للمادة الوراثية للجينوم البشري تعني الحصول على خريطة تفصيلية للجينات التي تدير العمليات داخل الإنسان بشكل دقيق و التي يسبب التغير في تسلسلها عواقب وخيمة وأمراض مهلكة.
إن معظم الأمراض التي تصيب الإنسان يدخل التغير في المادة الوراثية التي تكون الجينات ضمن أهم مسبباتها ، وقد تكون هذه الأمراض أمراضاً وراثية ( يترواح عددها بين 3000 و 4000 مرض وراثي مثل التليف الكيسي و مرض هنتقنتون) أو أمراضا تنتج عن تغيير في الجينات بسبب تفاعل الجسم مع الظروف المحيطة والتي تؤدي في نهاية الأمر إلى الإصابة بإعتلالات مختلفة ( مثل أمراض القلب و الشرايين ، السرطان و داء السكر و غيرها ).
إن الحصول على الخريطة الكاملة للجينوم البشري بالتفصيل تعني إمكانية البحث بإستخدام الحاسب الآلي عن الجينات التي ترتبط بمرض معين وهذا بدوره يساعد على فهم الأسباب المرضية و سيرورة التغييرات التي تحدث في جسم الإنسان على المستوى الجزيئي و هو الثورة الجديدة التي تعد بتغيير وجه الطب الذي نعرفه اليوم وعلاج أمراض لم يكن لها علاج من قبل ، وتشخصيها بشكل أبكر و اكثر دقة مما هو عليه الطب اليوم.
1. إستحداث أهداف علاجية أكثر More Drug Targets :
تستهدف الأدوية حالياً ما يقارب 500 بروتين فقط ، وحال الإنتهاء من تحديد كل البروتينات التي ينتجها الجينوم البشري ، سيصبح بالإمكان تحديد الأسباب الممرضة و التدخل لكسر الحلقة المرضية بشكل أكبر دقة.
يمكن للحاسب الآلي اليوم تحديد تركيب البروتين بصور مختلفة ، تبدأ بتحديد سلسلة الأحماض الامينية الاولية ثم الشكل الثنائي للبروتين و الأشكال ثلاثية الأبعاد للبروتين في الفراغ ، ولا يكتفي بذلك فقط بل يقوم بمقارنة البروتين المكتشف حديثاً بتلك الموجودة في قواعد البيانات و التي قد تختص بكائنات أخرى مما يساعد على معرفة ماهية البروتين بشكل أولي و تقسيم البروتينات إلى عوائل و تجمعات يمكن إجراء أبحاث أكثر دقة عليها.
2. العلاج الشخصي Personalized Medicine :
سيصبح العلاج الطبي أكثر (خصوصية) للفرد. ففي الوقت الراهن تقوم شركات الأدوية بتصنيع الادوية بحيث يستخدمها الجميع وهو ما يعرف بـ One Drug Fit All . وكما هو معروف فإن الإستجابة لدواء معين تتفاوت من شخص لآخر ، هذه الإستجابة المختلفة تتفاوت من تحسس بسيط إلى عواقب وخيمة قد تؤدي للوفاة ، وهذا هو بالضبط ما يدرسة اليوم تخصص ( الجينوم الدوائي Pharmacogenomics ) ، وهو الذي يدرس إستجابة مختلف الشرائح من البشر تجاه دواء معين بحسب تركيبتهم الوراثية. في المستقبل القريب ستتغير الطريقة التي يعالج بها الأطباء مرضاهم ، فبدلاً من إعطاء المريض جرعة الدواء و التجربة عن طريق المحاولة و الخطأ حتى يتم الوصول إلى الجرعة الصحيحة التي تناسب المريض ، يمكن للطبيب معرفة الدواء الأفضل للمريض و تحديد حدة الإستجابة للدواء من خلال فحص المادة الوراثية للشخص ومقارنتها بما هو موجود في قواعد البيانات معرفة إلى أي فئة ينتمي هذا المريض ، وفي حالة الخطر يمكن تغيير الجرعة بدقة أو توجيه المريض لإستخدام دواء آخر وتغيير خطة العلاج بأكملها مما يجنب المريض مخاطر الأدوية قبل إستخدمها .
وبالمقابل هناك أدوية لم تنجح لأنها تسبب أعراض جانبية أو أنها لم تعمل إلا على شريحة معينة من المرضى مما يسبب خسائر فادحة لشركات الأدوية ويحرم شريحة من المرضى من الإستفادة منها لعدم وجود طريقة معقوله للتعرف على أولئك الذي يستجيبون بشكل جيد لهذه الادوية.
في هذه الحالة أيضاً يمكن إعادة خطوط إنتاج هذه الأدوية و إعادتها للسوق لكي تخدم هذه الشريحة الصغيرة من المرضى من خلال فحص المادة الوراثية لهم ومقارنتها بما هو موجود في قواعد البيانات المتخصصة للتأكد من مناسبتها لهم.
3. العلاج الوقائي Preventive Treatment :
من خلال الحصول على معلومات دقيقة عن الأسباب الممرضة على المستوى الجزيئي للامراض التي تصيب الإنسان يمكن إنتاج فحوصات طبية جديدة يمكنها تشخيص قابلية الإنسان للإصابة بمرض معين دون غيره بنسبة أكبر من بقية المجتمع. في هذه الحالة يمكن توجيه الشخص لإستخدام الوسائل التي تقلل من إحتمالية الإصابة بالمرض .
على سبيل المثال تغيير نمط العيش مثل الخمول وقلة الرياضة و تخفيف الوزن مع أمراض القلب وداء السكري أو إعطاء ادوية لعلاج المرض في مرحلة مبكرة جداً للحيلولة دون تطوره لمراحل متقدمة يصعب علاجها.
4.العلاج الجيني Gene Therapy :
قد يكون علاج الأمراض بتعديل الجينات أو إدخالها حقيقة واقعه في المستقبل القريب .
هذا العلاج الذي يستخدم الحاسب الآلي لتحديد الجينات الممرضة والمقارنة وتكوين الأشكال الثلاثية الأبعاد للبروتينات لا يزال وليداً ويواجه عقبات كثيرة ، لكنه يعد بمستقبل باهر لعلاج أمراض لم يكن من الممكن علاجها في السابق بل وقد يؤدي لمنع حدوثها من الأصل .
تطبيقات جينـــــــوم الميكروبـــــــات :
الميكروبات من أكثر الكائنات تواجداً على الأرض و أكثرها إثارة للدهشة لتواجدها في مناطق في غاية البرودة ، أو الحرارة و في المناطق الإشعاعية أو الحمضية أو ذات الضغط الجوي العالي أو المياه شديدة الملوحة . تتواجد في الطبيعة من حولنا وفي أجسامنا ، في الهواء والماء وفي الطعام.
تم الإستفادة من بعض خواص الميكروبات في صناعة الطعام و التغليف و الـ brewing . ومع وصول السلاسل الوراثية الكاملة لهذه الميكروبات فإن التطبيقات ستصبح أكثر قوة و تعقيداً نظراً لأنه أصبح بالإمكان البحث عن الخواص التي يمكن الإستفادة منها في هذه الميكروبات بشكل لم يكن ممكنا من قبل . من أجل هذا قامت إدارة الطاقة الأمريكية (DOE) بإنشاء مشروع خاص بجينوم الميكروبات عام 1994م يدعى (Microbial Genome Program (MGP))من أجل البحث في خواص الميكروبات ذات العلاقة بإنتاج الطاقة و تنظيف البيئة من بعض المخلفات الصناعية .
إن الحصول على المعلومات الكاملة التي تحتويها هذه الميكروبات يمكن العلماء من دراسة هذه الميكروبات على ادق المستويات و يمكنهم من عزل الجينات التي تمكن بعض هذه الميكروبات من العيش في ظروف لا يمكن لأي كائن آخر العيش فيها.
التخلـــــص من النفايــــــــات :
هناك نوع من الميكروبات يدعى (Deinococcus radiodurans) والذي يعرف بأنه أكثر الميكروبات قدرة على العيش في أشد الظروف المناخية و المعيشية القاسية التي لا يمكن لأي كائن آخر العيش بها ، إذا يمكن لهذا النوع العيش في المناطق الإشعاعية بشكل طبيعي.
يبقى العلماء مهتمين بالبحث في الخواص المذهلة لهذا الميكروب والتي تمكن المجتمعات المتضررة من آثار المواد الإشعاعية من التخلص منها بمساعدة هذا الميكروب بصورة أو بأخرى.
وقد تمكن العلماء في معهد الطاقة الأمريكي من الحصول على السلسلة الوراثية لميكروب (C. crescentus) والذي يعالج المياه ويساعد في تكريرها.
تغيير الجو :
المستويات المتزايدة لثاني أكسيد الكربون في الجو الناتج عن الثورة الصناعية يؤدي للإحتباس الحراري على سطح الكرة الأرضية و ما يتبع ذلك من تأثيرات مدمرة .
عمد فريق العمل في معهد الطاقة الأمريكي أيضاً إلى إطلاق مشروع يهدف إلى خفض مستويات ثاني أكسيد الكربون عن طريق مكاثرة بعض أنواع الميكروبات التي لها القدرة على التخلص من ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات لا تضر بالجو . (للإطلاع على المزيد من التفاصيل حول هذا الموضوع الرجاء مراجعة الرابط التالي (microbes and climate change).
مصادر الطاقة البديلة :
يقوم العلماء بدراسة السلسلة الوراثية لميكروب (Chlorobium tepidum) والذي يملك قدرة غير عادية لإنتاج الطاقة من الضوء.
التقنيــــــــة الحيويــــــــة :
* الأركاي الذي يسمى (archaeon Archaeoglobus fulgidus) و بكتيريا (Thermotoga maritima) لديها القدرة على العيش في درجات حرارة تزيد عن درجة غليان الماء ، و هذه الميكروبات تمثل تجارة رابحة على مستوى المراكز البحثية الحكومية و الشركات الخاصة التي تستخلص منها إنزيمات مهمه للغاية في التفاعلات التي يتم إستخدامها في الهندسة الوراثية.
* بكتيريا ( Corynebacterium glutamicum) هي الأخرى محط إهتمام القطاع الصناعي بشكل جدي لقدرتها على إنتاج مادة الحمض الأميني (lysine) بتراكيز عالية ، وتكمن اهمية هذا الحمض لأهمية في التغذية الحيوانية ، وهو من أهم الأحماض الأمينية في هذا الشأن ويمكن إستخدامه كبديل لفول الصويا أو وجبات البروتين المستخرجة من اللحم و العظام .
* ميكروب ( Xanthomonas campestris pv.) تستخدم في إنتاج مادة تسمى (exopolysaccharide xanthan gum) والتي تسخدم في القطاع الصناعي كمادة مثبتة.
* بكتيريا ( Lactococcus lactis) من أهم الميكروبات التي تحمل جدوى إقتصادية ضخمة . هذه البكتيريا هي حجر الأساس في صناعة الحليب ومنتجاته من الجبن و اليوقرت و غيرها ، كما أنها تستحدم في صناعة بعض أنواع الخبز.
ويتوقع العلماء فرص إستثمارية مؤكدة عند دراسة السلاسل الوراثية لهذا الميكروب بطريقة تمكن قطاع صناعة الأغذية من الإستفادة منها بصورة أفضل كما أن قطاع صناعة الادوية الذي قد يستفيد من هذه البكتيريا كأداة ناقلة لتوصيل بعض الادوية إلى أماكن معينة في الجسم.
مقاومة المضادات الحيوية :
لا زال العلماء يفحصون السلسلة الوراثية لبكتيريا (Enterococcus faecalis) والتي تشكل نسبة من العدوى في المستشفيات .
وخلال بحثهم عن سبب تحول هذه البكتيريا من نوع يعيش بسلام في أمعاء الإنسان إلى نوع يسبب عدوى مرضية شديدة ، وجد العلماء منطقة في السلسلة الوراثية تمكن البكتريا من قادرة على مقاومة العديد من المضادات الحيوية و التي تغير من التركيبة الوراثية لهذه البكتريا مما يجعله متعددة الأشكال بحيث يستعصي على المضادات الحيوية قتلها وسمى العلماء هذه المنطقة مجازاً بـ الجزيرة الممرضة (pathogenicity island).
هذا الإكتشاف و غيره من الإكتشافات المماثلة تمكن العلماء مع مرور الوقت من إكتشاف طرق جديدة لمقاومة البكتريا بشكل عام والتي تمثل تهديداً خطيراً للصحة بسبب إنتشار أنواع جديدة منها لا يمكن للمضادات الحيوية المستخدمة حاليا قتلتها .
حقيقة الأسلحة البيولوجية :
تمكن العلماء حديثا من تصنيع فيروس شلل الأطفال في المختبر بشكل كامل بطرق تقنية محضة ، فقط قاموا بإستخدام المعلومات الحيوية المتوفرة عن طريق الإنترنت وبعض المواد الكيمائية التي يمكن الحصول عليها عن طريق البريد العادي .
تم دعم هذا البحث عن طريق إدارة الدفاع الأمريكية كجزء من برنامج الإستجابة المبكرة لخطر الاسلحة البيولوجية لتثبت للعالم مدى الواقعية التي يمكن بها إنتاج أسلحة بيولوجية و قد خلص البحث إلى دعوة بقية المؤسسات الدفاعية إلى الحذر من التراخي حيال موضوع الأسلحة البيولوجية .
دراسات تطور الكائنات الحية :
رغم التعارض الواضح بين ما نص عليه الكتاب و السنة النبوية المطهرة وما يتم حول تراكم الأدلة بشكل أو بآخر حول العلاقة الواضحة بين المخلوقات الحية والتي تؤدي في النهاية إلى ظهور أصول مشتركة بين كل من الأقسام الثلاث الأساسية للكائنات الحية وهي (eukaryota, bacteria and archaea) فإن إستخدام الحاسب الآلي وبعض البرامج التي تقارن بين السلاسل الوراثية للكائنات الحية توضح التشابة في السلاسل الوراثية للكائنات الحية.
التطبيقات الزراعية :
كان للسلاسل الوراثية المستخرجة من النباتات و الحيوانات تأثيراً إيجابياً مذهلاً .
إن إستخدام برامج المعلومات الحيوية على الحاسب الآلي تجعل بالإمكان معرفة وظائف الجينات الهامه والتي تؤدي إلى إنتاج النباتات مثل الذرة والخضروات مقاومة للأمراض و الحشرات ، وتحسن من الكم والنوع لها مما ينعكس بشكل إيجابي على الإنتاج العام الزراعي و الحيواني للمجتمعات بشكل عام.
مقاومة الحشرات :
هنالك جينات (Bacillus thuringiensis) لها القدرة على مقاومة العديد من الحشرات الضارة ، وتم نقل الجينات المقاومة إلى عدد من النباتات التي أصبحت مقاومة للحشرات مثل القطن و الذرة. إن إضفاء القدرة المقاومة للحشرات على هذه النباتات له فوائد عظيمة ليس أقلها إستخدام كميات أقل من المبيدات الحشرية السامه التي تضر بالإنسان.
نجح العلماء مؤخراً في الحصول نقل بعض الجينات للأرز والتي تزيد من مستويات فيتامين ( أ) و مادة الحديد وغيرها من المواد الهامه للجسم ، مما يعد بتقليص عدد الحالات المصابة بفقر الدم أو العمى الناتجه عن نقص هذه المواد الحيوية داخل الغذاء.
دراسات المقارنة :
إن إستخدام طريقة المقارنة بين السلاسل الوراثية لمختلف الكائنات الحية طريقة مفيدة للغاية للتعرف على الوظائف المحتملة للجينات الجديدة ، فمثلاً عند إكتشاف التسلسل الوراثي لجين جديد ، يمكن وضع السلسلة داخل أحد برامج المعلومات الحيوية ، ومن ثم مقارنتها بالسلاسل الأخرى الموجودة في الكائنات الحية والتي ستعطي نتائج بمدى التشابه في السلاسل ووظائفها المحتملة ، مما يسهل مهمة البحث العلمي و يدعمه بطرق في غاية القوة و السهولة في نفس الوقت.
السلاسل الوراثية في للفأر تتشابه بنسبة 98% مع تلك التي في الإنسان. وقد إستخدمت الفئران لفترات طويلة في دراسة وظائف الجينات و البروتينات والأمراض والتي تمثل نموذجا يمكن تطبيقه بشكل تقريبي على الإنسان.
لمعرفه الموضوع من الناحيه الجينوميه اضغط على هذا الرابط
http://www.mediafire.com/file/yylyy5dqjvo/Bioinformatics.zip
تعليق