المعلوماتية الحيوية

المعلوماتية الحيوية

المعلوماتية الحيوية | مدونة شجون الروح | شجون الروح

·         المعلوماتية الحيوية (بالإنجليزية: Bioinformatics) أو علم الأحياء الحاسوبي (البيولوجيا الحاسوبية) computational biology هو استخدام أحدث تقنيات الرياضيات التطبيقية، المعلوماتيةinformatics، الإحصاء، وعلوم الحاسب لحل مشكلات بيولوجية حيوية. جهود الأبحاث الرئيسية في هذا الحقل تتضمن التراصف التسلسلي Sequence alignment، إيجاد المورثات، مشروع الجينوم البشري، تراصف البنية البروتينية protein structural alignment، تنبؤ البنية البروتينية protein structure prediction، التنبؤ بالتعبير الجيني gene expression، وتآثرات بروتين-بروتين

تعريف المعلوماتية الحيوية

·         المعلوماتية الحيوية هو تحليل المعلومات البيولوجية باستخدام الكمبيوتر والتقنيّات الإحصائيّة. هو العلم الذي يسعى لاستخدام وتطوير قواعد البيانات والخوارزميّات الحاسوبيّة لتسيع وتعزيز الأبحاث البيولوجيّة.

·         تعريف المركز العالمي لمعلومات البيوتكنولوجي [NCBI] :

·         عرف المعلوماتية الحيوية كما يلي: المعلوماتية الحيوية (البيوإنفورماتيك) هو حقلٌ من العلم حيث علم الأحياء (Biology) وعلوم الحاسب (Computer Science) وتكنولوجيا المعلومات (Information techonlogy) دُمجت سويّةً في مجال  علميّ واحد.

·         تنضوي المعلوماتية الحيوية على ثلاثة فروع رئيسيّة هي:

·         تطوير خوارزميات جديدة وتقنيات إحصائيّة تساعد في تحصيل المعلومات من مجموعات ضخمة من البيانات.

·         تحليل وتفسير الأنماط المختلفة من البيانات التي تتضمن سلاسل الحموض الأمينية

·         و الأنوية والقطع والبنى البروتينيّة.

·         تطوير وتنفيذ أدوات تساعد على إدارة فعالة للأنماط المختلفة من المعلومات.

·         أمّا ويبوبيديا (Webopedia) فتعرّف المعلوماتية الحيوية كما يلي:

·         هي تطبيق التكنولوجيا الحاسوبيّة والمعلوماتيّة في إدارة المعلومات البيولوجيّة,

·         وبشكل محدّد هي علم تطوير قواعد بيانات وخوارزميّات حاسوبيّة لتسهيل وتسريع الأبحاث البيولوجيّة.

·         استُخدمت المعلوماتية الحيوية على نطاق واسع في أبحاث الجينوم البشري ضمن مشروع الجينوم البشري الذي حدّد السلسلة الجينيّة الكاملة للإنسان والتي تتكوّن من حوالي ثلاثة بلايّين (مليارات) زوج أساسي وبشكل أساسي ساعد في استخدام المعلومات الجينيّة لفهم الأمراض وكان لها دور في اكتشاف عقاقير جديدة فعّآلة.

·         إن المصطلحات الثلاثة المعلوماتية الحيوية والبيولوجيا الحوسبيّة والبنية التحتيّة للمعلومات البيولوجيّة تشير إل نفس المضمون تقريبا.

ماالمقصود بالمعلوماتية الحيوية

·         المعلوماتية الحيوية هي استخدام تكنولوجيا المعلومات ضمن علم الأحياء (البيولوجيا) للاستفادة من ذلك في عمليات تخزين البيانات (data storage and warehousing),و تحليل سلاسل الحمض النووي (DNA).

·         للعمل ضمن مجال البيوإنفورماتيك عليك الإلمام بعدد من العلوم تشمل علم الأحياء(Biology) والرياضيات وعلوم الحاسب إضافةً لقوانين الفيزياء والكيمياء والأهم طبعاً هو إلمامك بتكنولوجيا المعلومات (IT)وذلك من أجل تحليل البيانات البيولوجيّة ودراستها. لا ينحصر استخدام البيوإنفرماتيك في حوسبة البيانات البيولوجية وإنّما يتعدّى ذلك إلى حلّ العديد من المشاكل البيولوجيّة واكتشاف الأنماط الإحيائيّة المتعدّدة.

المهارات المطلوبة لتصبح خبيراً ناجحاً في مجال المعلوماتية الحيوية

كبداية عليك الإلمام بما يلي:

·         بيولوجيا الجزيئات.

·         خبرة في العمل على واحد أو أكثر من حزم البرمجيات المخصصة للتعامل مع بيولوجيا الجزيئات.تعلّم كيفيّة تحليل المعطيات البيولوجيّة باستخدام هذه البرمجيّات والتي أذكر منها: (GCG,BLAST,FASTA) وغيرها.

·         تعلّم عن نظم التشغيل مفتوحة المصدر (LINUX,UNIX) لأنّ الشائع في هذه الأيّام هو استخدام البرمجيّات الحرة في البيوإنفورماتيك وذلك نظراً لقوّتها وتوفّر الأدوات البرمجيّة والبرمجيّات المخصّصة لهذه المنصّات.

·         معرفة جيّدة بلغات البرمجة مثل : Java,C++,Python,Perl كما يجب عليك الإلمام بلغة HTML.

·         الإلمام بنظم إدارة قواعد البيانات وأفضلها : Oracle و MySQL (مفتوحة المصدر والمجانيّة) والأكثر استخداماً لتخزين كميات ضخمة gigabytes من المعطيات البيولوجية لتحليلها واستخلاص المعلومات منها.

حول المعلوماتية الحيوية

في شباط من العام 2001 استطاع العلماء أخيراً حل رموز شيفرة الجينوم البشري، بمعنى آخر استطاع العلماء قراءة سلسلة مكونة ممّا يقارب ثلاثة مليارات من الأزواج الأساسية التي تؤلف جزيء ال DNA البشري.

المعلوماتية الحيوية (بالإنجليزية: Bioinformatics) أو علم الأحياء الحاسوبي (computational biology) هو استخدام أحدث تقنيات الرياضيات التطبيقية والمعلوماتية والإحصاء وعلوم الحاسب لمعالجة وتحليل البيانات البيولوجية.

ووفقاً للمركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية (NCBI) فإن المعلوماتية الحيوية هي العلم الذي نتج عن اندماج علم الحاسب الآلي (Computer Science) والأحياء (Biology) وتكنولوجيا المعلومات (Information technology) لتكوين مجال علمي واحد.

أمّا ويبوبيديا (Webopedia) فإنها تعرّف المعلوماتية الحيوية على أنها تطبيق التكنولوجيا الحاسوبيّة والمعلوماتيّة في إدارة المعلومات البيولوجيّة، وبشكل محدّد هي علم تطوير قواعد بيانات وخوارزميّات حاسوبيّة لتسهيل وتسريع الأبحاث البيولوجيّة.

وتشير المصطلحات التالية “المعلوماتية الحيوية والبيولوجيا الحوسبيّة والبنية التحتيّة للمعلومات البيولوجيّة” لنفس المضمون تقريباً. فالمعلوماتية الحيوية تقوم على استخدام علم الحاسب الآلي للإجابة على الأسئلة التي يطرحها علماء الأحياء من أجل فهم طبيعة الكائنات الحية.

المبادئ الأساسية التي تقوم عليها المعلوماتية الحيوية:

إن المعلوماتية الحيوية تقوم على قدرة قواعد البيانات بتخزين المعلومات الناتجة عن الأبحاث ومقارنتها مع بعضها البعض وتحليل النتائج للوصول لتنبؤات أو معلومات عن دور المورثات أو البروتينات من خلال التشابه الجيني بينها.

المجالات والتطبيقات:

تشمل المعلوماتية الحيوية الكثير من المجالات البحثية والتطبيقات نذكر منها:

العثور على الجينات (Gene finding): يعني هذا أنه لدينا سلسلة من (DNA) نرغب في معرفة مواقع الجينات على هذه السلسلة، أو التنبؤ بتركيب الجين أي تحديد الأجزاء التي ترمز إلى بروتينات تسمى (exons) والأجزاء الأخرى التي لا ترمز إلى بروتينات تسمى(introns) وأشهر البرامج في هذا المجال برنامج (GRAIL) الذي يعمل باستخدام الشبكات العصبية الاصطناعية.

محاذاة السلاسل (Sequence alignment): هو عبارة عن فحص يتم اجراؤه لمعرفة التشابه بين سلسلة وأخرى من الجينات ,فوجود تشابه في السلاسل يدل على وجود وظيفة مشتركة أو مشابهة للجينات. ويوفر المعهد الأوروبي للمعلوماتية الحيوية (EBI) على موقعه الإلكتروني عدة برامج لمحاذاة السلاسل من أشهرها (needle) و(smith) لمحاذاة السلاسل الثنائية باستخدام البرمجة الديناميكية.

معرفة التركيب الثنائي والثلاثي والرباعي (إن وجد) للبروتينات(Protein folding): حيث يسهل ذلك معرفة وظيفة البروتين نتيجة لوجود ارتباط وثيق بين شكل البروتين ووظيفته. ويعد (HMMTOP) من أحد البرامج في هذا المجال وقد طور باستخدام نماذج ماركوف المخفية.

تحديد مواقع ارتباط عوامل النسخ (Transcription factor binding site identification): وهي عبارة عن مواقع قصيرة جداً على سلاسل (DNA) عندما يرتبط بها نوع معين من البروتينات “عوامل النسخ” تتم عملية إنتاج البروتين من الجين أو ما يعرف بالتعبير الجيني(Gene expression). ويعد برنامج (MEME) من أكثر البرامج دقة في التعرف على مواقع ارتباط عوامل النسخ.

كيف يمكن تطبيق المعلوماتية الحيوية ؟

يمكن لأي باحث الاستفادة من قواعد البيانات الهائلة لهذا العلم، حيث يوجد حتى الآن ما يقارب 1554 من قواعد البيانات وأغلبها متاحة بالمجان للباحثين ! ولعل أشهرها ما يوجد على موقع (NCBI) الذي يسمح بمقارنة تسلسلات (DNA) مع أي كائن من الكائنات الأخرى، بالإضافة لبنك البروتينات (PDB) الذي يضمّ تسلسلات البروتينات وبنيتها ثلاثية الأبعاد.

الخلاصة:

إن المعلوماتية الحيوية تعد من أحدث علوم الحاسب، وقد استُخدمت المعلوماتية الحيوية على نطاق واسع في أبحاث الجينوم البشري ضمن مشروع الجينوم البشري الذي حدّد السلسلة الجينيّة الكاملة للإنسان التي تتكوّن من حوالي ثلاثة مليارات زوج أساسي، وإن استخدامها قد ساعد بشكل رئيسي على فهم الأمراض واكتشاف عقاقير جديدة فعّآلة. و للعمل ضمن مجال المعلوماتية الحيوية يجب الإلمام بعدد من العلوم تشمل علم الأحياء والرياضيات وعلوم الحاسب إضافةً لقوانين الفيزياء والكيمياء والأهم هو الإلمام بتكنولوجيا المعلومات،  من أجل تحليل البيانات البيولوجية ودراستها. و لا ينحصر استخدام المعلوماتية الحيوية في حوسبة البيانات البيولوجية بل يتعدى ذلك لحل العديد من المشاكل البيولوجية.