نحن نتحدث عن أناس المستقبل الذين يقومون بفك رموز التاريخ العضوي الكبير. على مدى العقدين الماضيين، زادت كمية البيانات البيولوجية التي يمكن تحليلها عدة مرات بسبب تسلسل الجينوم البشري. قبل ذلك، لم يكن بوسعنا حتى أن نتخيل أنه باستخدام المعلومات المخزنة حرفيًا في دمائنا، سيكون من الممكن تحديد أصلنا، والتحقق من كيفية تفاعل الجسم مع بعض الأدوية، وحتى تغيير الوراثة البيولوجية لدينا.
تظهر هذه المقالات وغيرها أولاً في على موقعنا. استمتع بالقراءة.
سمات خبير المعلومات الحيوية العادي هي نفس سمات المبرمج - عيون حمراء، وضعية منحنية وعلامات من فناجين القهوة على سطح المكتب. ومع ذلك، في هذا الجدول، لا يتم العمل على الخوارزميات والأوامر المجردة، ولكن على كود الطبيعة نفسها، والتي يمكن أن تخبرنا الكثير عنا وعن العالم من حولنا.
يتعامل المتخصصون في هذا المجال مع كميات هائلة من البيانات (على سبيل المثال، نتائج تسلسل الجينوم لشخص واحد تستغرق حوالي 100 غيغابايت). ولذلك، فإن معالجة مثل هذه المجموعة من المعلومات تتطلب أساليب وأدوات علوم البيانات. من المنطقي أن يفهم عالم المعلومات الحيوية الناجح ليس فقط علم الأحياء والكيمياء، ولكن أيضًا أساليب تحليل البيانات والإحصاء والرياضيات - وهذا يجعل مهنته نادرة جدًا ومطلوبة. هناك حاجة خاصة إلى هؤلاء المتخصصين في مجالات الطب المبتكر وتطوير الأدوية. عمالقة التكنولوجيا مثل IBM وIntel ، مخصص لدراسة المعلوماتية الحيوية.
ما الذي يتطلبه الأمر لتصبح متخصصًا في المعلوماتية الحيوية؟
- الأحياء والكيمياء (المستوى الجامعي)؛
- ماتستات، الجبر الخطي، نظرية الاحتمالات؛
- لغات البرمجة (Python وR، وغالبًا ما تستخدم لغة C++ أيضًا)؛
- للمعلوماتية الحيوية الهيكلية: فهم التحليل الرياضي ونظرية المعادلات التفاضلية.
يمكنك دخول مجال المعلوماتية الحيوية بخلفية بيولوجية ومعرفة بالبرمجة والرياضيات. بالنسبة للأولى، فإن العمل مع برامج المعلوماتية الحيوية الجاهزة مناسب، وبالنسبة للأخيرة، فإن ملف تعريف أكثر خوارزمية للتخصص.
ماذا يفعل علماء المعلوماتية الحيوية؟
تنقسم المعلوماتية الحيوية الحديثة إلى فرعين رئيسيين - المعلوماتية الحيوية الهيكلية والمعلوماتية الحيوية التسلسلية. في الحالة الأولى، نرى شخصًا يجلس أمام الكمبيوتر ويقوم بتشغيل برامج تساعد في دراسة الأشياء البيولوجية (مثل الحمض النووي أو البروتينات) في تصورات ثلاثية الأبعاد. إنهم يبنون نماذج حاسوبية تجعل من الممكن التنبؤ بكيفية تفاعل جزيء الدواء مع البروتين، وكيف يبدو الهيكل المكاني للبروتين في الخلية، وما هي خصائص الجزيء التي تفسر تفاعلاته مع الهياكل الخلوية، وما إلى ذلك.
تُستخدم أساليب المعلوماتية الحيوية الهيكلية بنشاط في كل من العلوم الأكاديمية وفي الصناعة: من الصعب تخيل شركة أدوية يمكنها الاستغناء عن هؤلاء المتخصصين. في السنوات الأخيرة، أدت أساليب الكمبيوتر إلى تبسيط عملية البحث عن الأدوية المحتملة إلى حد كبير، مما جعل تطوير الأدوية عملية أسرع وأرخص بكثير.
بوليميريز RNA المعتمد على RNA لـ SARS-CoV-2 (يسار)، بالإضافة إلى ارتباطه بـ RNA المزدوج.
ما هو الجينوم؟
الجينوم هو كل المعلومات المتعلقة ببنية وراثة الكائن الحي. في جميع الكائنات الحية تقريبًا، يكون حامل الجينوم هو الحمض النووي، ولكن هناك كائنات حية تنقل معلوماتها الوراثية على شكل RNA. ينتقل الجينوم من الآباء إلى الأبناء، وخلال عملية النقل هذه، يمكن أن تحدث أخطاء تسمى الطفرات.
تفاعل عقار ريمديسيفير مع بوليميريز RNA المعتمد على الحمض النووي الريبوزي (RNA) لفيروس SARS-CoV-2.
تتعامل المعلوماتية الحيوية التسلسلية مع مستوى أعلى من تنظيم المادة الحية - بدءًا من النيوكليوتيدات الفردية والحمض النووي والجينات، وحتى الجينومات بأكملها ومقارناتها مع بعضها البعض.
تخيل شخصًا يرى أمامه مجموعة من الحروف الأبجدية (ولكنها ليست بسيطة، ولكنها جينية أو حمض أميني) ويبحث عن أنماط فيها ويشرحها ويؤكدها إحصائيًا باستخدام طرق الكمبيوتر. تشرح المعلوماتية الحيوية للتسلسل الطفرة المرتبطة بمرض معين أو سبب تراكم المواد الضارة في دم المريض. بالإضافة إلى البيانات الطبية، يدرس متخصصو المعلوماتية الحيوية التسلسلية أنماط توزيع الكائنات الحية عبر الأرض، والاختلافات السكانية بين مجموعات الحيوانات، وأدوار ووظائف جينات محددة. وبفضل هذا العلم أصبح من الممكن اختبار فعالية الأدوية ودراسة الآليات البيولوجية التي تفسر عملها.
على سبيل المثال، بفضل تحليل المعلوماتية الحيوية، تم العثور على ووصف الطفرات التي تؤدي إلى تطور التليف الكيسي، وهو مرض أحادي المنشأ ناجم عن انهيار جين إحدى قنوات الكلوريد. والآن نحن نعرف بشكل أفضل من هو أقرب قريب بيولوجي للإنسان وكيف استقر أسلافنا حول الكوكب. علاوة على ذلك، يمكن لكل شخص، من خلال قراءة الجينوم الخاص به، معرفة من أين تأتي عائلته وإلى أي مجموعة عرقية ينتمي. العديد من الأجانب (, ) والروسية (, ) تتيح لك الخدمات الحصول على هذه الخدمة بسعر منخفض نسبيًا (حوالي 20 ألف روبل).
نتائج تحليل اختبار الحمض النووي للأصل والانتماء السكاني من MyHeritage.
نتائج اختبار الحمض النووي السكاني من 23andMe.
كيف تتم قراءة الجينوم؟
اليوم، أصبح تسلسل الجينوم إجراءً روتينيًا سيكلف أي شخص تقريبًا ألف روبل (بما في ذلك في روسيا). لقراءة الجينوم الخاص بك، ما عليك سوى التبرع بالدم من الوريد في مختبر خاص: في غضون أسبوعين، ستتلقى نتيجة نهائية مع وصف تفصيلي لخصائصك الجينية. بالإضافة إلى الجينوم الخاص بك، يمكنك تحليل جينومات الكائنات الحية الدقيقة المعوية لديك: سوف تتعلم خصائص البكتيريا التي تعيش في جهازك الهضمي، وستحصل أيضًا على المشورة من أخصائي تغذية محترف.
يمكن قراءة الجينوم باستخدام طرق مختلفة، إحدى الطرق الرئيسية الآن هي ما يسمى بـ “تسلسل الجيل التالي”. لتنفيذ هذا الإجراء، يجب أولاً الحصول على العينات البيولوجية. كل خلية في الجسم لها نفس الجينوم، لذلك في أغلب الأحيان يتم أخذ الدم لقراءة الجينوم (وهذا هو الأسهل). ثم تتحلل الخلايا وتفصل الحمض النووي عن أي شيء آخر. بعد ذلك، يتم تقسيم الحمض النووي الناتج إلى العديد من القطع الصغيرة ويتم "خياطة" محولات خاصة لكل منها - تسلسلات النيوكليوتيدات المعروفة المركبة صناعيًا. ثم يتم فصل خيوط الحمض النووي، ويتم ربط الخيوط المفردة باستخدام محولات بلوحة خاصة يتم إجراء التسلسل عليها. أثناء التسلسل، تتم إضافة النيوكليوتيدات التكميلية ذات العلامات الفلورية إلى تسلسل الحمض النووي. كل نيوكليوتيد مُسمى، عند إرفاقه، يصدر شعاعًا من الضوء بطول موجي معين، والذي يتم تسجيله على الكمبيوتر. هذه هي الطريقة التي يقرأ بها الكمبيوتر تسلسلات قصيرة من الحمض النووي الأصلي، والتي يتم تجميعها بعد ذلك في الجينوم الأصلي باستخدام خوارزميات خاصة.
مثال على البيانات التي يعمل عليها متخصصو المعلوماتية الحيوية: محاذاة تسلسل الأحماض الأمينية.
أين يعمل اختصاصيو المعلوماتية الحيوية وكم يكسبون؟
ينقسم مسار المعلوماتية الحيوية تقليديًا إلى مجالين رئيسيين: الصناعة والعلوم. عادة ما تبدأ مهنة عالم المعلوماتية الحيوية بمنصب الدراسات العليا في أحد المعاهد الكبرى. في البداية، يحصل اختصاصيو المعلوماتية الحيوية على راتب أساسي بناءً على المعهد الذي يعملون فيه، وعدد المنح التي يشاركون فيها، وعدد انتماءاتهم - وهي الأماكن التي يعملون فيها رسميًا. مع مرور الوقت، ينمو عدد المنح والانتسابات، وبعد حوالي عامين من العمل في بيئة أكاديمية، يحصل اختصاصي المعلومات الحيوية بسهولة على متوسط راتب (70-80 ألف روبل)، ولكن الكثير يعتمد على الاجتهاد والعمل الجاد. ينتهي الأمر بأخصائيي المعلومات الحيوية الأكثر خبرة إلى إدارة مختبراتهم الخاصة في مجالات تخصصهم.
أين تدرس المعلوماتية الحيوية؟
- جامعة موسكو الحكومية - كلية الهندسة الحيوية والمعلوماتية الحيوية
- الصحة والسلامة والبيئة - تحليل البيانات في علم الأحياء والطب (برنامج الماجستير)
- MIPT - قسم المعلوماتية الحيوية
- معهد المعلوماتية الحيوية (NPO)
على عكس الأكاديمية، لن يقضي أي شخص في الصناعة وقته في تعليم الموظف المهارات اللازمة، لذا فإن الوصول إلى هناك عادة ما يكون أكثر صعوبة. يختلف المسار الوظيفي لأخصائي المعلومات الحيوية في الصناعة بشكل كبير اعتمادًا على تخصصه وموقعه. في المتوسط، تتقلب الرواتب في هذا المجال ألف روبل، حسب الخبرة والتخصص.
علماء المعلوماتية الحيوية الشهيرة
يمكن إرجاع تاريخ المعلوماتية الحيوية إلى فريدريك سانجر، العالم الإنجليزي الذي حصل على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1980 لاكتشافه طريقة لقراءة تسلسل الحمض النووي. منذ ذلك الحين، تحسنت أساليب قراءة التسلسل كل عام، لكن طريقة "تسلسل سانجر" كانت بمثابة الأساس لجميع الأبحاث الإضافية في هذا المجال.
بالمناسبة، العديد من البرامج التي أنشأها العلماء الروس تستخدم الآن على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم - على سبيل المثال، مجمع الجينوم ، - شارع. يساعد مجمع الجينوم في سانت بطرسبرغ، الذي تم إنشاؤه في معهد سانت بطرسبرغ، العلماء من جميع أنحاء العالم على تجميع تسلسلات الحمض النووي القصيرة في تسلسلات أكبر لإعادة بناء الجينومات الأصلية للكائنات الحية.
اكتشافات وإنجازات المعلوماتية الحيوية
في الوقت الحاضر، يقوم علماء المعلوماتية الحيوية بالعديد من الاكتشافات المفيدة. سيكون من المستحيل تخيل تطوير أدوية لفيروس كورونا دون فك رموز الجينوم الخاص به وتحليل المعلومات الحيوية المعقدة للعمليات التي تحدث أثناء المرض. دولي تمكن العلماء الذين يستخدمون علم الجينوم المقارن وطرق التعلم الآلي من فهم ما هو مشترك بين فيروسات كورونا ومسببات الأمراض الأخرى.
وتبين أن إحدى هذه الميزات هي تعزيز إشارات التوطين النووي (NLS) للفيروسات المسببة للأمراض التي تحدث أثناء التطور. يمكن أن يساعد هذا البحث في دراسة سلالات الفيروسات التي قد تشكل خطورة على البشر في المستقبل، وربما تؤدي إلى تطوير أدوية وقائية.
بالإضافة إلى ذلك، لعب اختصاصيو المعلوماتية الحيوية دورًا رئيسيًا في تطوير طرق جديدة لتحرير الجينوم، ولا سيما نظام كريسبر/كاس9 (تقنية تعتمد على الجهاز المناعي ). بفضل تحليل المعلوماتية الحيوية لبنية هذه البروتينات وتطورها التطوري، زادت دقة وكفاءة هذا النظام بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة، مما جعل من الممكن تحرير جينومات العديد من الكائنات الحية (بما في ذلك البشر) بشكل هادف.
يمكنك الحصول على مهنة مرغوبة من الصفر أو المستوى الأعلى من حيث المهارات والراتب من خلال حضور دورات SkillFactory عبر الإنترنت:
المزيد من الدورات
المصدر: www.habr.com