آشنایی با سیستم بیولوژی، شاخه‌ها و کاربردها ی آن

در حدود 70 سال پیش، زیست‌شناسان مولکولی بر این باور بودند که اگر ما عملکرد مولکول‌هایی را که سلول‌ها را تشکیل می‌دهند، بدانیم و درک کنیم، می‌توانیم بفهمیم سلول‌ها چطور کار می‌کنند یا اصلاً همین عملکردها چه فرایندی را طی می‌کنند و چه تأثیری بر سلول می‌گذارند.

بااین‌حال، این تصور تنها به‌صورت تئوریک صادق بود، البته در عمل نیز در موارد معدودی صادق است. این موضوع به این دلیل است که تعداد زیاد مولکول‌های حاضر در سلول، درک بسیاری از عملکردها را به طور هم‌زمان بسیار دشوار می‌کند.

با پیشرفت فناوری در سال‌های بعدی، یعنی 20 تا 25 سال قبل، امکان اندازه‌گیری هم‌زمان بیشتر این مولکول‌ها ممکن شد. در نتیجه این افزایش قدرت در تولید داده، ما شاهد تجمع داده‌های زیستی هستیم. این داده‌ها مجموعه‌هایی هستند که شامل اطلاعات سلول‌ها و ارگانیسم‌های مختلف در شرایط خاص است. واکنش‌های شیمیایی بین بسیاری از این اجزا در حال حاضر شناخته شده و این دانش باعث ایجاد شبکه‌های واکنش های بیوشیمیایی بازسازی شده (reconstructed biochemical reaction networks) در مقیاس ژنومی می‌شود که زیربنای عملکردهای مختلف سلولی است. پس، در این زمان است که آشنایی با سیستم بیولوژی رخ می‌دهد و زیست‌شناسی سیستم‌های مولکولی وارد کار می‌شود.

زیست‌شناسی سیستم‌ها لزوماً بر خود اجزاء متمرکز نیست، بلکه بر ماهیت پیوندهایی که آنها را به هم متصل می‌کند و بر روی حالت‌های عملکردی شبکه‌های بیوشیمیایی که از مجموعه همه این پیوندها حاصل می‌شوند، متمرکز است.

این حالت‌های (states) عملکردی که در شبکه‌ها وجود دارد، با حالت‌های فیزیولوژیکی (physiological) یا هموستاتیک (homeostatic) قابل‌مشاهده در سلول مطابقت دارد. پس، تکمیل رابطه بین تمام اجزای شیمیایی یک سلول به همراه پایه‌های ژنتیکی مربوط به آنها، در کنار عملکردهای فیزیولوژیکی سلول‌ها قرار گرفته تا نویدبخش ظهور زیست‌شناسی سامانه‌ها بوده و کاربرد‌های سیستم بیولوژی را گسترده‌تر کند.

در قدم اول برای آشنایی با سیستم بیولوژی باید ارتباط بین ژنوتیپ و فنوتیپ را بشناسیم. گرگور مندل از طریق آزمایش‌های خود کشف کرد که اطلاعات بسته‌بندی شده در ماده ژنتیک، از نسلی به نسل دیگر منتقل می‌شود تا شکل و عملکرد موجودات در نسل بعدی را تعیین کند. این بسته‌های اطلاعاتی امروزه ژن نامیده می‌شوند و مجموعه‌ای از تمام ژن‌ها و نسخه خاصی از آن‌ها که در ژنوم یک ارگانیسم وجود دارد، ژنوتیپ آن نامیده می‌شود.

در قدم بعدی، شکل و عملکرد یک موجود زنده به‌عنوان فنوتیپ آن شناخته می‌شود که چگونگی ارتباط فنوتیپ با ژنوتیپ یک رابطه مهم در دانش زیست‌شناسی است. برای صفات تک ژنی، رابطه ژنوتیپ – فنوتیپ به‌راحتی قابل‌درک است؛ یک ژن یک فنوتیپ می‌دهد.

با‌این‌حال، بیشتر صفات فنوتیپی شامل عملکردهای هماهنگ محصولات ژنی متعدد است که درک رابطه ژنوتیپ و فنوتیپ را برای ما دشوار می‌کند. چراکه در وهله اول باید همه ژن‌ها و محصولات ژنی را بشناسیم و در وهله دوم، درکی از پیامدهای تعاملات پیچیده آن‌ها داشته باشیم. مورد اول با استفاده از داده‌های اومیکس و دومی با استفاده از تحلیل سیستم‌های بیوشیمیایی بررسی می‌شود که از کاربردهای سیستم بیولوژی است.

پرداختن به این موارد در طی سال‌های گذشته سبب شده رویکرد از پایین‌به‌بالا (bottom-up approach) در زیست‌شناسی سامانه‌ها ایجاد شود. با انتشار اولین توالی ژنوم کامل در اواسط دهه 1990، در اصل، شناسایی تمام محصولات ژنی که یک ارگانیسم را تشکیل می‌دهند ممکن شد. همچنین، بازسازی شبکه‌های متابولیکی در مقیاس ژنومی را برای ارگانیسم هدف به روشی دقیق از نظر بیوشیمیایی ممکن شد. چنین بازسازی‌های شبکه متابولیکی را می‌توان به یک قالب ریاضی تبدیل کرد که روابط ژنوتیپ – فنوتیپ را قابل‌بررسی می‌کند.

ریاضیات و مدل‌های محاسباتی وابسته به آن:

درک دانش‌پایه بیوشیمیایی، ژنتیکی و ژنومی در سلول را برای ما ممکن می‌کند. این اطلاعات درک رابطه بین اجزا را برای ما ممکن‌تر می‌کند تا بتوانیم دید درستی از آنچه درون یک سیستم رخ می‌دهد داشته باشیم. پس می‌توان شاخه‌های سیستم بیولوژی را در علوم مختلفی پیدا کرد، چراکه همگی این علوم، اعم از ریاضیات، فیزیک و شیمی، در این حوزه بین‌رشته‌ای کنار هم قرار داده شده‌اند تا بتوانیم به سؤالات زیستی پیچیده پاسخ دهیم.

اولین توالی ژنوم کامل در اواسط دهه 1990 به دست آمد و تقریباً در همان زمان، توالی‌های پروفایل بیان mRNA و فناوری‌های پروتئومی نیز به ما این توانایی را دادند که تعیین کنیم یک سلول چه زمانی از چه ژن‌های خاصی استفاده می‌کند. این فناوری‌ها به ما اجازه می‌دهند تا به یک نمای در مقیاس ژنومی دست‌یابیم. در آغاز قرن بیست و یکم، این فرایند با سرعتی سریع در حال گسترش بود و باعث تغییر پارادایم اساسی در زیست‌شناسی شد.

ظهور فناوری‌های توالی‌یابی با توان بالا، زیست‌شناسان را مجبور کرد که سلول‌ها را به‌عنوان سیستم‌ها ببینند، نه اینکه توجه خود را بر اجزای سلولی منفرد متمرکز کنند. نه‌تنها این فناوری‌ها دیدگاه سیستمی را تحمیل کردند، بلکه مطالعه سلول‌ها به‌عنوان سیستم نیز امکان‌پذیر شد.

حالا با لیستی که از اجزای سلولی و خواص آنها داریم چه باید کنیم؟ این لیست‌ها، به همان اندازه که حاوی اطلاعات هستند، اما فقط اطلاعات پایه‌ای در مورد مولکول‌های سازنده سلول‌ها، خصوصیات شیمیایی آن‌ها و زمانی که مورداستفاده قرار می‌گیرند را ارائه می‌کند. حالا برای تحلیل یکپارچه‌ ی آن‌ها باید بر بیوانفورماتیک و روش‌های تحلیل سیستم‌ها تکیه کنیم؛ بنابراین، زیست‌شناسی مولکولی بر ویژگی‌های سیستمی عملکردهای سلولی و بافتی متمرکز شد. در نظر داشته باشید که اینها خواصی هستند که از کل ناشی می‌شوند و نمایانگر خصوصیات بیولوژیکی هستند. به نوبه خود، علم در مقیاس ژنوم ظهور و شروع به رشد کرد.

سیستم بیولوژی به دلیل آنکه یک حوزه میان‌رشته‌ای محسوب می‌شود، از علوم مختلف می‌توان به آن وارد شد؛ چیزی که باعث ایجاد نگرش‌های مختلف در آن شده است که هرکدام کاربردهای سیستم بیولوژی را گسترش داده‌اند. نمی‌توان علوم مختلف را در این حوزه از هم جدا کرد، چراکه همگی آن‌ها در تعامل با یکدیگر به دنبال حل سؤالات زیستی هستند. از طراحی مدل‌ها و روش‌های محاسباتی گرفته تا تحلیل سیستم‌های زیستی همگی در حوزه سیستم بیولوژی بوده و کاربردهای مشترکی را دنبال می‌کنند.

سیستم بیولوژی می‌تواند در بررسی رشد و نمو جمعیت‌های میکروبی و سلولی، تأثیراتی که بر روی‌هم می‌گذارند و مواردی ازاین‌دست کاربرد داشته باشد. با داشتن اطلاعاتی درمورد سیستم‌های زیستی پیچیده، می‌توانیم به دست‌ورزی سلول‌ها به کمک روش‌های مهندسی متابولیک و سینتتیک بیولوژی نیز رو بیاوریم که کاربردهایی در حوزه مهندسی شیمی و بیوتکنولوژی دارد.

در زیر به تعدادی از کاربردهای سیستم بیولوژی در زیست‌پزشکی اشاره شده است:

تعیین ماژول‌های بیماری

ماژول‌ها در شبکه‌های بیولوژیکی زیرشبکه‌هایی هستند که در داخل شبکه کلی به هم پیوسته‌اند و بر روی عملکرد یکدیگر اثر می‌گذارند. ماژول‌های عملکردی زیرشبکه‌هایی هستند که پیوندهای آن‌ها پیامدهای عملکردی را منعکس می‌کنند و اغلب شامل یک مسیر قابل‌تعریف هستند.