Alireza Hashemi 33,392 اشتراک گذاری ارسال شده در 15 آبان، ۱۳۹۰ چالش بزرگی که در حال حاضر دانشمندان در زیست شناسی سامانه ها (Systems Biology) با آن روبرو هستند، بهره‌برداری از انبوهی از داده ها و اطلاعات در سطوح مختلف سلولی و فرآیندهای رشد و نمو موجودات زنده و ادغام و تحلیل این اطلاعات به منظور درک بهتر برهمکنش سطوح مختلف زیستی می‌باشد. برای دستیابی به این هدف، باید روشهای ریاضی و کامپیوتری مناسبی برای مدلسازی و شبیهسازی سامانه‌های پیچیده زیستی طراحی نمود. بدین ترتیب، به ابزاری مناسب برای استخراج اطلاعاتی کارآمد و مفید از این دادههای خام که در پایگاههای داده‌ها جمع‌آوری و نگهداری می‌شوند، نیاز است. ابزارهای مدلسازی به ما در پروراندن ایده‌های نظری و فرضیات با استفاده از دادههای خامی که در پایگاههای داده‌ها نگهداری می‌شوند، کمک میکنند. در این مبحث چندین ابزار که با بهرهگیری از دادههای خام پایگاههای علوم زیستی به نمایش، مدلسازی، شبیهسازی و تحلیل این داده ها و استخراج اطلاعات از آنها کمک میکنند، معرفی میگردند. این ابزارها عموماً نرمافزارها و برنامههای رایانهای میباشند و عمدتاً از طریق اینترنت قابل تهیه بوده و مرتباً نسخه‌های جدید و بهبود یافته آنها به بازار می‌آید. اغلب این نرمافزارها در زمینه یک روش یا فن خاصی بوده و کار کردن با آنها به سهولت انجام می‌شود. 1- نرم‌افزارهای عمومی Matlab و Mathematica Mathematica و Matlab دو ابزار جامع و عمومی برای انجام محاسبات و مشاهده نتایج هر نوع مدل ریاضی میباشند.Mathematica با انواع سیستم عامل‌ها مثل ویندوز، لینوکس و یونیکس کار کرده و آخرین نسخه آن در آدرس برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام معرفی شده است. این نرم‌افزار دو بخش عمده دارد: هسته مرکزی برنامه که محاسبات را انجام می‌دهد و واسط گرافیکی آن موسوم به GUI که ارتباط تنگاتنگ با هسته مرکزی محاسباتی دارد. مزیت عمده Mathematica، انجام محاسبات پیچیده خاص بوده و در عین حال سایر برنامه‌ها می‌توانند از هسته مرکزی محاسباتی آن برای ارائه انواع نمودارها بهره‌برداری نمایند. در عین حال ارائه مرتب نسخه‌های جدید این نرم‌افزار که امکان انجام محاسبات جدیدی را دارند، از دیگر مزیتهای این نرم‌افزار می‌باشد. رقیب اصلی Mathematica، نرم‌افزار Matlab می‌باشد که آخرین نسخه آن در آدرس برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام معرفی شده است. هر دو نرم‌افزار مشابه یکدیگر میباشند و انتخاب یکی از این دو بیشتر به سلیقه کاربر بستگی دارد تا امکانات آنها. Matlab نیز دارای توانایی محاسباتی بالا و گرافیک متنوعی می‌باشد. همچنین این برنامه دارای زبان برنامه‌نویسی و عملیات خاص خود بوده که در فایلهای موسوم به M-files نگهداری می‌شود. علی‌رغم مشابهت‌های فراوان این دو نرم‌افزار، تفاوتهایی در رفع مشکلات نرم‌افزار، ملحقات، محاسبات نمادین، ذخیره داده‌ها و نمودارها و … وجود دارد. 2- Gepasi برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام نرم‌افزارهای عمومی دارای ابزارهای فراوانی بوده که بخش اعظم آنها شاید مورد نیاز یک زیست‌شناس نباشد. بسیاری از متخصصان گرایش های مختلف علوم زیستی ترجیح می‌دهند تا از نرمافزارها و ابزار تخصصی که برای منظور خاصی طراحی شده است استفاده نمایند. Gepasi یکی از این نرمافزارها است که برای مدلسازی برهمکنش های بیوشیمیایی طراحی شده است. این نرم‌افزار توسط Pedro Mendes نوشته شده و به رایگان در آدرس برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام در دسترس می‌باشد. در این برنامه، واکنش شیمیایی وارد شده و انرژی واکنش توسط معادلات موجود و طبق انتخاب کاربر تعیین می‌شود. وقتی که یک سامانه شناسایی گردد، برنامه این امکان را برای کاربر فراهم می‌کند که اطلاعات متعددی از واکنشهای این سامانه به دست آورده و مدلهایی مبتنی بر دادههای موجود را برای سامانه مورد نظر پیشنهاد نماید. این برنامه همچنین امکان خلق مدلهای چند منظوره بر اساس مکان انجام واکنشها (بر مبنای انجام واکنش در سیتوپلاسم یا هسته) را دارد. این برنامه همچنین می‌تواند اطلاعات مدلسازی شده یک سامانه را در قالب SBML ذخیره نموده و دوباره استفاده نماید. این اطلاعات قابل استفاده در سایر نرم‌افزارهای مبتنی بر این استاندارد نیز می‌باشد. برنامه Gepasi بسیاری از مواردی را که برای مطالعه واکنشهای بیوشیمیایی لازم است در بر گرفته و کار کردن با آن بسیار راحت است. 3- E-Cell برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام نرم‌افزار E-Cell در سال 1996 در ژاپن برای شبیه سازی فرآیندهای سلولی طراحی شد. نسخه اول این نرم‌افزار برای ساخت یک مدل نظری از یک سلول با 127 ژن -که حداقل تعداد ژن مورد نیاز برای رونویسی، ترجمه، تولید انرژی و ساخت فسفولیپید می‌باشد- به کار برده شد. برای ساخت این مدل، مجموعه‌ای از ژنهای یک گونه از میکوپلاسما که دارای کوچکترین ژنوم شناخته شده می‌باشد، مورد استفاده قرار گرفت. مدلهای بعدی که توسط این نرم‌افزار مورد بررسی قرار گرفت، متابولیسم میتوکندریایی و چندین مسیر و فرآیند مثل زنجیره تنفسی، چرخه TCA، بتا اکسیداسیون اسیدهای چرب و سامانه انتقال متابولیت بوده‌اند. آخرین نسخه این برنامه که E-Cell 3 می‌باشد، در آدرس برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام معرفی شده است و تحت سیستم عامل‌های ویندوز و لینوکس کار می‌کند. با توجه به مقیاس زمانی انجام فرآیندهای سلولی، این برنامه الگوریتمی دارد که دارای مقیاسهای زمانی مختلف برای فرآیندهای مختلف سلولی می‌باشد. مثلاً انجام فعالیت یک آنزیم در کسری از ثانیه رخ می‌دهد، در حالی که وقایع تنظیم بیان ژنها در چند دقیقه تا چند ساعت صورت می‌گیرند. این برنامه مدلهایی با استفاده از سه دسته اجزا بنیادی، یعنی مواد، رآکتور و سامانه می‌سازد. مواد، متغیرها بوده و رآکتورها، فرآیندهایی هستند که بر اساس وضع متغیرها عمل میکنند. سامانه‌ها دارای اجزای دیگری بوده و بخشهای منطقی و فیزیکی را در بر می‌گیرند و برای ارائه یک مدل سامانه سلولی به کار می‌روند. برنامه E-Cell دارای یک سامانه خودکار به نام GEM (Genome-based E-Cell Modeling) نیز می‌باشد که از دادههای بانک‌های اطلاعاتی استفاده نموده و به راحتی مدلهایی براساس توالی‌های ژنومی تولید می‌کند. 4- PyBios برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام PyBios نیز با هدف استفاده در Systems Biology و شبیه سازی و مدلسازی طراحی شده است. برخلاف Gepasi و E-Cell که بر روی کامپیوترهای شخصی نصب می‌شوند، PyBios بر روی سرور اختصاصی خود در آدرس برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام اجرا شده و نرم‌افزاری اینترنتی است. PyBios چارچوبی برای هدایت مدلهای سینتیکی در هر اندازه و با سطوح دانه بندی متفاوت فراهم می‌کند. این ابزار برای تحلیل مدلهای بیوشیمیایی به منظور پیش‌بینی رفتار مدلها در واحد زمان به کار می‌رود. با ارتباط خودکار این نرم‌افزار به پایگاههای داده، تجزیه و تحلیل مدلهای عظیم امکان‌پذیر می‌باشد. در این برنامه امکان کار در سطح سلول، کروموزوم، پلی پپتید، پروتئین، آنزیم، ژن و مجموعه‌های زیستی وجود دارد و این اجزا می‌توانند برای خلق یک مدل محاسباتی استفاده شوند. 5- Systems Biology Workbench برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام هر یک از مدلهایی که توسط نرم‌افزارهای شبیه ساز ایجاد می‌شود نمی‌توانند پاسخگوی نیازهای روزافزون کاربران باشد و بنابراین نیاز به ابزارهای متنوع با کاربردهای مختلف می‌باشد. برای این منظور محققان با استفاده از فنون آزمایشگاهی و مبانی نظری مختلف، برنامههای گوناگونی با زبانهای مختلف و براساس چارچوبهای متفاوت نوشته‌اند. مشکل اصلی در این برنامه‌ها، ذخیره اطلاعات در قالبهای متفاوت بوده که قابل استفاده توسط برنامههای دیگر نمی‌باشد. پروژه‌های مختلفی برای رفع این مشکلات اجرا شده است که در یکی از آنها برای ایجاد یک قالب مشترک توصیفی مدلها تلاش شده است و در نتیجه آن SBML شکل گرفت. پروژه دیگر با عنوان System Biology Workbench که به اختصار SBW نامیده شد، نرم‌افزاری بود که برای ارتباط بین نرم‌افزارهای مختلف ساخته شد. این نرم‌افزار در آدرس برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام معرفی شده است. این نرم‌افزار به عنوان یک قفل شکن مرکزی، امکان تبادل فایل و اطلاعات را بین نرم‌افزارهای گوناگونی که در این مقاله معرفی شده‌اند را فراهم می‌کند. SBW و SBML تبادل مدلهای زیستی را تسهیل کرده و امکان شبیه سازی بین نرم‌افزارهای مدلسازی را ایجاد کرده‌اند. 6- BioSPICE برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام این نرم‌افزار که در آدرس برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام معرفی شده است، بر پایه SBW، امکانات بیشتر و قدرت افزون تری به کاربران برای انجام تبادلات بین ابزارهای مختلف می‌دهد. 7- JDesigner نرم‌افزار Jdesigner تحت ویندوز اجرا شده و همراه برنامه SBW نصب می‌شود. این برنامه به تنهایی یا همراه با SBWقابل اجرا است و در حالت اجرا به تنهایی، یک نرم‌افزار طراحی گرافیکی شبکه برهمکنشها می‌باشد. در این حالت، قوانین سینتیکی تعریف شده‌ای در نرم‌افزار وجود دارد و برنامه براساس آن مدلسازی را انجام می‌دهد. از این نرم‌افزار برای شبیه سازی واکنشها در طول زمان نیز می‌توان استفاده کرد. 8- Cell Designer برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام نرم‌افزار Cell Designer برای ایجاد شبکههای واکنشها به کار می‌رود و جایگزینی برای برنامه Jdesigner می‌باشد. این نرم‌افزار برای کسانی که از سیستم عامل ویندوز استفاده نمی‌کنند و به جای آن از Mac یا لینوکس بهره می‌برند نیز قابل استفاده است و زبان برنامه Java می‌باشد. آخرین نسخه این برنامه از آدرس برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام قابل دریافت است. Cell Designer اشکال متفاوتی برای انواع مولکول ها مثل پروتئینها، گیرنده‌ها، کانالهای یونی، متابولیتهای کوچک و … به صورت پیش فرض در نظر گرفته است. همچنین نمادهایی برای واکنشهای مختلف مثل فسفریلاسیون و تغییرات دیگر مولکولی وجود دارد. همچنین نرم‌افزار علائم خاصی برای برخی از انواع واکنشها مثل کاتالیز، انتقال عامل، سرکوب و فعال کردن مهیا کرده است. Cell Designer قالب SBML را می‌پذیرد و بنابراین می‌توان از طریق اینترنت، مدلهایی که با این استاندارد نوشته شده‌اند را استفاده کرد و این مدلها را به صورت یک درختواره نشان داد. با کلیک روی هر بخش از این درختواره می‌توان عناصر آن را در یک پنجره جدید مشاهده با جزئیات بیشتر ملاحظه کرد. 9- Petri Nets برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام Petri Nets ابزار مدلسازی گرافیکی و محاسباتی سامانه‌های موازی یا مستقل می‌باشد که اساس محاسباتی آن در دهه 60 میلادی توسط Adam Petri ابداع شد. عناصر اساسی یک Petri Net مکانها، گذرگاه‌ها و عناصر ارتباط دهنده این دو عنصر میباشند. در تصویر گرافیکی، مکانها با دایره و گذرگاه‌های موقتی با مستطیل نمایش داده می‌شوند. هر کدام از مکانها که می‌توانند نماینده یک مولکول باشند، مقداری را به خود اختصاص می‌دهند که با انجام یک مرحله تعداد آن کاهش یافته و به مکان بعد یک نشانه افزوده می‌شود. میزان انجام یک فرآیند با قطر بردارهای اتصالی نمایش داده می‌شود. حاصل کار این شبکه نمایشی از فرآیندهای انجام شده و مقدار مکانهای موجود می‌باشد که بیشتر به یک بازی کامپیوتری شبیه است. این شبکه‌ها نه تنها با ظاهری مناسب یک سامانه را نمایش داده بلکه توصیفی ریاضی نیز از آن ارائه می‌دهند و برخی خصوصیات از طریق تحلیلهای ریاضی قابل مطالعه میباشند. نسخه‌های تکمیلی نرم‌افزار Petri Nets که در طول سالها به نرم‌افزار پایه افزوده شده، آن را تبدیل به ابزار بسیار قدرتمندی در Systems Biology کرده است. مسیرهای بیوشیمیایی با استفاده از این برنامه به خوبی شبیه سازی شده و متابولیتها در جایگاه مکانها و واکنشها نیز در جایگاه گذرگاه‌ها قرار گرفته و ضریب‌های وزنی اتمی نیز رمز کننده ضخامت بردارها می‌باشد. از این راه می‌توان شبکههای متابولیسمی و مسیرهای ترارسانی پیام را مدلسازی کرد. نرمافزارها و ابزارهای مرتبط با Petri Nets در آدرس برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام قابل دستیابی است و اطلاعات زیادی درباره کاربردهای این ابزارها، نحوه کار و همایشهای مرتبط با آن نیز در این سایت وجود دارد. 10- STOCKS2 برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام نرم‌افزار شبیهسازی STOCKS2 توسط Andrzey Kierzek و Jacrk Puchalka طراحی شده و به رایگان در آدرس برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید. ورود یا ثبت نام قابل دسترسی است. این نرم‌افزار بر روی سیستم عامل‌های ویندوز و لینوکس قابل اجرا می‌باشد. علی‌رغم اینکه تعداد زیادی از هر یک از انواع مختلف مولکول های مورد نیاز در سلول حضور دارند اما برخی مولکولها که می‌توانند نقش مهمی نیز در سلول داشته باشند، مانند عوامل رونویسی، تعداد کمی دارند. به طور مثال، تنها 10 مولکول سرکوب گر Lac در یک سلول E.coli وجود دارد. پروتئین‌های مداخله کننده در مسیرهای ترارسانی پیام نیز تعداد کمی دارند. نرم‌افزار STOCKS2 واکنشهای درون سلولی را به دو دسته کند و سریع تقسیم می‌کند. اگر تعداد یک نوع مولکول در زمان شبیه سازی افزایش یابد و باعث افزایش نرخ انجام واکنش شود، نرم‌افزار به طور خودکار این مولکول را در گروه واکنشهای سریع قرار می‌دهد. ورودی این نرم‌افزار در قالب SBML بوده و خروجی آن به صورت یک فایل متنی می‌باشد. نرم‌افزار دارای یک ویرایشگر بوده که در هفت مرحله داده‌ها و متغیرها را از کاربر دریافت می‌کند. فایل متنی خروجی در حقیقت تعداد مولکولهای خاصی در مدت زمان مورد نظر کاربر بوده که به صورت یک نمودار ارائه می‌شود. عموماً منحنی به دست آمده از این روش مشابهت زیادی با منحنی‌های حاصل از شبیه سازی یک واکنش با استفاده از نرم‌افزارهای دیگر دارد. 11- Genetic Programming (GP) Genetic Programming حاصل ترکیب متنوعی از الگوریتمهای ژنتیکی است که در سال 1992 توسط Koza ارائه شد و از روشهای برگرفته از تحول (evolution) موجودات استفاده می‌کند. در این برنامه، نسخه‌های مختلف برنامه با یکدیگر به رقابت می‌پردازند تا نهایتاً راه حل یک مسئله به دست آید. GP در زمینه‌های متعددی مورد استفاده قرار می‌گیرد که یکی از آنها که مستقیماً در زیستشناسی سامانه‌ها کاربرد دارد، مهندسی معکوس مسیرهای متابولیکی می‌باشد. این نرم‌افزار با تعریف شبکه‌هایی از انجام واکنشهای بیوشیمیایی و در نظر گرفتن غلظتهای مختلف آنزیم‌ها، از طریق محاسبات آماری، شبکه صحیح را پیش بینی و شبیه سازی می‌کند. نرم‌افزارهای مکمل فراوانی برای این برنامه طراحی شده است که با استفاده از آنها امکانات متعددی به برنامه اصلی افزوده می‌شود. 1 نقل قول لینک به دیدگاه
ارسال های توصیه شده
به گفتگو بپیوندید
هم اکنون می توانید مطلب خود را ارسال نمایید و بعداً ثبت نام کنید. اگر حساب کاربری دارید، برای ارسال با حساب کاربری خود اکنون وارد شوید .