بیوانفورماتیک، یکی از علوم بین رشته‌ای است که از برنامه نویسی کامپیوتری، یادگیری ماشین، الگوریتم‌ها، آمار و سایر ابزار‌های محاسباتی برای سازماندهی و تجزیه و تحلیل حجم زیادی از داده‌های بیولوژیکی استفاده می‌کند.
به گزارش گرداب، دانشمندان برای اولین بار در سال ۲۰۰۳ ژنوم انسان را نقشه برداری کردند. از آن زمان، سرعت توالی یابی (بررسی مکانی و جایگاهی دقیق هر ژن یا اسید آمینه) ژنوم افزایش یافته و منجر به تولید مقادیر عظیمی از داده شده است. کارشناسان پیش بینی می‌کنند که تا سال ۲۰۲۵، توالی یابی ژنوم، ۴۰ اگزابایت (۴۰ میلیارد گیگابایت) داده در سال تولید خواهد کرد. برای مقایسه، پنج اگزابایت تقریباً معادل تمام کلماتی است که تاکنون توسط بشر گفته شده است.
چالش‌های ذخیره‌سازی، فهم و سازماندهی از چنین حجم وسیعی از داده‌ها بسیار زیاد است. به همین دلیل است که بیوانفورماتیک (استفاده از ابزار‌های محاسباتی برای ذخیره، تجزیه و تحلیل و تفسیر "داده‌های بزرگ" بیولوژیکی) رشته‌ای بسیار مهم است که به سرعت رو به رشد است. متخصصان حوزه بیوانفورماتیک پایگاه‌های داده‌های بیولوژیکی را برنامه‌ریزی و نگهداری می‌کنند، همچنین الگوریتم‌هایی را برای تجزیه و تحلیل و تفسیر آن داده‌ها ایجاد کرده و مورد استفاده قرار می‌دهند.
بیوانفورماتیک و علم داده در زیست شناسی
بیوانفورماتیک، یکی از علوم بین رشته‌ای است که از برنامه نویسی کامپیوتری، یادگیری ماشین، الگوریتم‌ها، آمار و سایر ابزار‌های محاسباتی برای سازماندهی و تجزیه و تحلیل حجم زیادی از داده‌های بیولوژیکی استفاده می‌کند. رشته‌های زیست‌شناسی که حجم عظیمی از داده‌ها را تولید می‌کنند عبارتند از: ژنومیکس، ترنس کریپتومیکس، پروتئومیکس و متابولومیکس.
• ژنومیکس مطالعه ساختار ژنتیکی کامل یک موجود زنده است که بر روی دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA)، جزء اصلی کروموزوم‌ها و مخزن اطلاعات ژنتیکی تمرکز دارد. فقط توالی‌یابی یک ژنوم انسان، ۲۰۰ گیگابایت داده تولید می‌کند. در ابتدا، بیش از یک دهه طول کشید تا توالی ژنوم کامل انسان تعیین شود. امروزه، با توالی یابی نسل بعدی (NGS)، همین کار یک روز طول می‌کشد.
• ترنس کریپتومیکس مطالعه رونوشت‌ها است، رونوشت‌های ریبونوکلئیک اسید (RNA) تولید شده توسط ژنوم. دانشمندان به چگونگی تأثیر بیماری‌ها و عوامل محیطی بر الگو‌های رونوشت علاقه ویژه‌ای دارند. از NGS در ترنس کریپتومیکس نیز استفاده می‌شود.
• پروتئومیکس مطالعه پروتئین‌هایی است که کار سلولی را انجام می‌دهند و اندام‌های بدن ما را تنظیم می‌کنند. توالی یابی پروتئین معمولاً از طریق فرآیندی به نام طیف سنجی جرمی انجام می‌شود.
• متابولومیکس مطالعه متابولیت‌ها (مولکول‌های کوچک در داخل سلول‌ها، بافت‌ها و مایعات موجودات) است. درک بهتر از نحوه عملکرد متابولیت‌ها می‌تواند به پزشکان کمک کند تا درمان‌های فردی ویژه‌ی بیشتری را برای بیماران ارائه دهند، که به پزشکی دقیق معروف است. رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) و طیف سنجی جرمی در متابولومیکس استفاده می‌شود.
ارائه ابزاری برای نقشه برداری و مقایسه DNA، مطالعه توالی پروتئین، و شناسایی الگو‌ها در حجم زیادی از داده‌ها، برخی از راه‌های اصلی بیوانفورماتیک برای بهبود درک ما از فرآیند‌های بیولوژیکی است.
بیوانفورماتیک در چه مواردی استفاده می‌شود؟
بیوانفورماتیک مستلزم ذخیره و مدیریت داده‌های بیولوژیکی از طریق ایجاد و نگهداری پایگاه‌های داده قدرتمند و همچنین بازیابی، تجزیه و تحلیل و تفسیر داده‌ها از طریق الگوریتم‌ها و سایر ابزار‌های محاسباتی است. به این ترتیب، در طیف گسترده‌ای از رشته‌ها کاربرد دارد. در اینجا فقط به چند نمونه از چگونگی کمک بیوانفورماتیک به حل مشکلات دنیای واقعی اشاره شده است:
• به محققانی که در زمینه سرطان تحقیق می‌کنند، در جهت یافتن جهش‌های ژنی که سبب ایجاد سرطان می‌شوند، کمک کند.
• کمک به زیست شناسان برای ترسیم ارتباطات و اجداد تکاملی.
• توسعه دار‌های جدید سفارشی توسط شرکت‌های داروسازی برای ژنوم یک فرد
• تولید واکسن‌های جدید
• تولید محصولاتی که در برابر بیماری‌ها و حشرات مقاومت پذیری بیشتری دارند.
• می‌تواند تولید میکروب‌هایی با توانایی پاکسازی زباله‌های محیطی.
• بهبود سلامت دام
• بکمک به پزشکی قانونی برای شناسایی DNA مجرم
تفاوت بین بیوانفورماتیک و زیست شناسی محاسباتی چیست؟ آیا هر دو به مهارت کدنویسی نیاز دارند؟
بیوانفورماتیک از برنامه‌نویسی کامپیوتری و الگوریتم‌ها برای ذخیره، تجزیه و تحلیل و تفسیر حجم عظیمی از داده‌های بیولوژیکی استفاده می‌کند. زیست شناسی محاسباتی با استفاده از علوم کامپیوتر، آمار و ریاضیات به حجم کمتری از داده‌ها برای تجزیه تحلیل نیازمند است.. بیوانفورماتیک همچنین از یادگیری ماشینی و هوش مصنوعی بیشتری نسبت به زیست شناسی محاسباتی استفاده می‌کند.
تبدیل شدن به یک متخصص حوزه بیوانفورماتیک، نیازمند مهارت‌های کدنویسی و آموزش فنی بیشتری نسبت به یک زیست شناس محاسباتی است. زبان‌های برنامه نویسی که معمولاً در بیوانفورماتیک استفاده می‌شوند عبارتند از Bash، Python، Perl، R، C و ++C. با این حال، بیوانفورماتیک و زیست شناسی محاسباتی همپوشانی‌های زیادی دارند و اغلب در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی ادغام می‌شوند.
تجزیه و تحلیل داده‌های بیوانفورماتیک به صورت بصری چیست؟
گاهی اوقات بینش‌هایی که در اعماق حجم زیادی از داده‌ها مدفون شده‌اند، زمانی که در پیکربندی‌های بصری مناسب نمایش داده شوند، آشکار می‌شوند. تجسم بیوانفورماتیک از روش‌های رایانه‌ای برای تبدیل داده‌ها به نمایش‌های بصری استفاده می‌کند که داده‌ها را معنادارتر و تفسیر را آسان‌تر می‌نماید.
نمونه‌هایی از تجسم داده‌ها عبارتند از:
• مرورگر‌های ژنومی که داده‌های ژنومی را در طرح‌بندی‌های خطی متشکل از «مسیرهای» موازی متعدد نشان می‌دهند و امکان مقایسه داده‌های توالی‌بندی و نتایج تجربی را فراهم می‌کنند (شکل را ببینید).
• نمودار‌هایی که می‌توانند نقاط پرت، خطا‌ها یا فرضیات اشتباه را در داده‌های آماری خام شناسایی کنند.
• نمایش سه بعدی ژنوم
• نمایش سه بعدی پروتئین‌ها
• نمایش‌های بصری ترنس کریپتومیکس‌های فضایی
نتیجه گیری: متخصص‌های حوزه بیوانفورماتیک مورد نیاز است!
ما به سرعت در حال جمع آوری داده‌های بیولوژیکی در مقادیری هستیم که به ابزار‌های محاسباتی قدرتمندتر برای ذخیره، سازماندهی، تجزیه و تحلیل و تفسیر نیاز دارند. دانشمندان علوم زیستی به مهارت‌های بیوانفورماتیک نیاز دارند تا در خط مقدم بسیاری از زمینه‌های تحقیقاتی باقی بمانند؛ در حالی که صنایع، از مراقبت‌های بهداشتی گرفته تا کشاورزی و حفاظت از محیط‌زیست از بینش‌هایی که در انتظار جمع‌آوری داده‌های بیولوژیکی هستند بهره می‌برند. اگر شما به زیست شناسی، برنامه نویسی کامپیوتر و علم داده علاقمند هستید، رشته بیوانفورماتیک می‌تواند برای شما مناسب باشد!
