دور المعلوماتية الحيوية في التعجيل بالبحث في الهندسة الوراثية

بروتين هندسة وعلم الأحياء الاصطناعية

فبعد تحرير الحمض النووي، كثيراً ما تنطوي الهندسة الوراثية على تعديل بروتينات - إنزيمات، أو عوامل تناظر، أو بروتينات هيكلية، وأدوات علم البيولوجي مثل روزيتا، وألفا فولد، وشركة SWISS-MODEL، تتنبأ بثلاثة مستويات من بروتينات الديمين من سلسلة حمض الأمينو، وتساعد هذه البصيرة الهيكلية الباحثين على تصميم طفرة التي تغير وظيفة البروتين، أو الاستقرار، أو المواصفات الملزمة.

مزايا استخدام المعلومات البيولوجية

ويتيح إدماج المعلوماتية الحيوية في تدفقات العمل الهندسي الوراثي فوائد ملموسة تتفاقم مع مرور الوقت مع تحسن الأساليب الحاسوبية.

التعجيل بخطوط زمنية للبحوث

وتتم الآن في أيام أو ساعات العمل مهام استغرقت شهراً مثل تحديد جينات مسؤولة عن نوع من نوع الفينو أو تصميم تركيبة من المباني، مثل تحليل بيانات الناموسيات والرقائق الوطنية للناموسيات والنووية لإيجاد جينات معبر عنها بشكل متمايز في نموذج مرض يستخدم في طلب العلاج اليدوي، واليوم، تُعدّل الأنابيب الآلية قراء خام، وتُعدّلها إلى مادة مرجعية، وتُولِّد قوائم بالثقة مُها في عصريةٍ مُ تظهر في حالةٍ إجمالٍ مُها.

تحسين الاستحقاق وتخفيض التكاليف

ويقضي الفحص الحاسوبي على العديد من الأهداف المميتة قبل وصولها إلى المختبر، ومن خلال التنبؤ بالآثار غير المستهدفة لدليلات نظام البحوث البيئية أو نماذج أثر بدائل حمض الأمينو، فإن المعلومات البيولوجية تؤدي إلى خفض عدد التجارب الفاشلة، وهذا لا ينقذ فقط الأموال على المفاعلات والتسلسل، بل يتيح أيضا للباحثين التركيز على أكثر المرشحين واعدا في مجال التكنولوجيا الحيوية الصناعية، حيث يمكن للملايين من المحصولين المصممين على نحو أسرع.

:: التمكين من الحصول على علاج شخصي

هندسة الوراثة هي محورية للطب الشخصي حيث المعالجة مصممة خصيصاً لجين فردي، تحليلات بيولوجيات المتغيرات الخاصة بالمريضات لتحديد الأهداف العلاجية، والتنبؤ باستجابات المخدرات، وتصميم العلاجات الجينيات العادمة، مثلاً في العلاج الخلوي للأشعة السينية،

تيسير اكتشاف الجينات الجديدة والطرق

كما كشفت مقارنات مستمدة من مصادر معلومات بيولوجية بين الميول التي كانت تُجرى بين المجينات غير المعروفة سابقاً - مثل نظم CRISPR-Cas ذاتها، التي تم تحديدها أولاً من خلال تحليل حسابي للجينات البكتيرية والأثرية، كما كشفت هذه الأدوات عن وجود إنزيمات جديدة للتحلل الأحيائي، والتخدير البيولوجي، واكتشافات جينية مستمرة.

دراسات الحالات: المعلوماتية الحيوية في العمل

Rapid Development of MRNA Vaccines for COVID-19

وقد اعتمد تطوير لقاحات Pfizer-BioNTech و Moderna mRNA اعتماداً كبيراً على المعلوماتية الأحيائية، وفي غضون أسابيع من إطلاق الجينوم من طراز SARS-CoV-2 على موقع جينبانك، استخدم الباحثون أدوات مواءمة متوالية لتحديد البروتين المتصاعد كمواد أولية، وتوقعت أن تكون هياكل ثانوية من نظام تقييم الاحتياجات من أجل تحقيق أفضل النتائج والآثار المحتملة على نظام تقييم النتائج.

المحاصيل الهندسية المقاومة للجفاف

ويهدف الهندسة الوراثية الزراعية إلى تحسين قدرة المحاصيل على مواجهة الضغوط الحيوية مثل الجفاف، ويستخدم الباحثون المعلوماتية الحيوية لتحليل البيانات الوصفية من أنواع الجفاف التي تحتمل الجفاف، وتحديد عوامل التكرار التي تنظم التصدي للإجهاد، فعلى سبيل المثال، اكتشفت بروتينات مستمدة من المواد الكيميائية المحتوية على مواد التلقيح الأحيائي (عنصر الاستجابة للتحلل) من خلال تصميمات جينية مقارنة.

العلاج الطبي للكشف عن أمراض الخلايا

وفي عام 2023، تمت الموافقة على العلاج الأول الذي يعتمد على أساس " CRISPR " لداء الخلايا المرضية (الفئة) واعتمدت تطوره على المعلومات الحيوية لتصميم نظم المعلومات الجغرافية التي تعيد تنشيط إنتاج الهيموجات الجنينية عن طريق تحرير التجارب المتعلقة بالرؤوس النباتية BCL11A.

التحديات والحدود

وعلى الرغم من قوتها التحويلية، تواجه المعلوماتية الحيوية عدة عقبات يجب معالجتها لتحقيق كامل إمكاناتها في مجال الهندسة الوراثية.

نوعية البيانات وتوحيدها

ولا يمكن لتحليلات المعلومات البيولوجية إلا أن تكون جيدة مثل البيانات الأساسية، فالتغطية المتتابعة غير متسقة، والشروح الخاطئة في الجنيات المرجعية، والآثار على البيانات المتعلقة بالتعبير يمكن أن تؤدي إلى استنتاجات خاطئة، كما أن أشكال البيانات الموحدة (المعلومات المالية المتعلقة بعلم المناخ، والدراسة الاستقصائية لعلوم المناخ، والدراسة الاستقصائية عن تغير المناخ) ومقاييس مراقبة الجودة تساعد على ذلك، ولكن الميدان لا يزال يتصدى لقضايا التحيز في مجال إعادة الإنتاج.

الموارد الحاسوبية والقابلية للتقسيم

وتحليل مجموعات البيانات الجينية الكبيرة الحجم - مثل تلك التي تسلسلها الخلايا الواحدة أو الدراسات السكانية - تتطلب قدرا كبيرا من القوة الحسابية والتخزين، وقد تفتقر مختبرات أصغر إلى إمكانية الوصول إلى مجموعات حاسوبية عالية الأداء أو الهياكل الأساسية السحابية، وفي حين أن المنابر القائمة على الغيوم تضفي الطابع الديمقراطي على إمكانية الوصول إليها، فإن الاختناقات المتعلقة بالتكلفة ونقل البيانات لا تزال تشكل عقبات.

الحاجة إلى الخبرة المتعددة التخصصات

إن توفير المعلومات الحيوية الفعالة يتطلب الكفاءة في علم الأحياء، وعلم الحاسوب، والإحصاءات، وتصوير البيانات، وتدريب قوة عاملة قادرة على سد هذه المجالات يشكل تحديا طويل الأجل، ولا تزال مختبرات هندسية وراثية كثيرة تفتقر إلى علماء مختصين في علم المعلومات البيولوجية، مما يرغم علماء مجلس الشيوخ على تعلم أدوات الكتابة والقيادة، وعلى العكس من ذلك، فإن الأخصائيين في مجال الحاسوب قد لا يفهمون تماما القيود البيولوجية.

الشواغل الأخلاقية والمتعلقة بالخصوصية

وتثير الهندسة الوراثية التي تحركها المعلومات البيولوجية مسائل أخلاقية، لا سيما عندما تطبق على تحرير الجراثيم البشري، وقد لا تستوعب الآثار غير المستهدفة المتوقعة من الناحية الحاسوبية تماماً مخاطر العالم الحقيقي، وبالإضافة إلى ذلك، فإن تخزين البيانات الجينية من المرضى أو المشاركين في البحوث ينطوي على مخاطر تتعلق بالخصوصية، ويجب إنفاذ الموافقة المستنيرة، والتسميات الإعلامية، وبروتوكولات المأمونة للتخزين، حيث يمكن استخدام أدوات البحث المزدوجة أو ذات الأغراض الضارة.

مستقبل المعلومات الحيوية في الهندسة الوراثية

وتشير مسارات المعلومات البيولوجية إلى زيادة التكامل مع الهندسة الجينية التجريبية، التي تدفعها أوجه التقدم في مجال الاستخبارات الاصطناعية، والتشغيل الآلي، والتكنولوجيات المتعددة الأميات.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

وقد أدى التعلم في مجال الآلات إلى تحويل التنبؤ بهيكل البروتين (ألفا فولد)، وتوجيه نماذج كفاءة نظام الحسابات القومية، وشروح وظيفية للمناطق غير المزينة، ويمكن أن تنبأ نماذج التعلم العميق التي تم تدريبها على ملايين التسلسلات بأثر الطفرة على التعبير الجيني، والتبصق، والبروتين بدقة ملحوظة، وفي المستقبل القريب، يمكن لوكلاء الأجهزة الاستطلاعية تصميم دوائر للتصميم الوراثي، ورسم، ورسم استراتيجيات فعالة.

الأُمْسِر الوحيدة الجيل والأرضية

وتنتج التطورات في تكنولوجيات الخلايا الواحدة مجموعات بيانات تحتوي على آلاف أو ملايين القياسات لكل خلية، مما يكشف عن التباين في تحليلات السوائب، كما أن أدوات المعلومات البيولوجية الخاصة بالخلية الوحيدة من طراز RNA-seq، وATAC-seq، والمواصفات المكانية تتيح للباحثين رسم خرائط لنتائج الفرز في الخلايا الفردية، وديناميات الترسخ، وتقنيات التوصيل على الوجه الأمثل.

منابر التعاون المزودة بأجهزة مدمجة

ومنابر مثل غالاكسي وتيرا والحمض النووي يجعل من الممكن الحصول على المعلوماتية الحيوية عن طريق استضافة تدفقات تحليلية في السحابة، وهذه البيئات تمكن الباحثين من إدارة خطوط أنابيب معقدة بدون التركيب المحلي، وتبادل التحليلات القابلة للتكرار، والتعاون في الوقت الحقيقي، ومع انخفاض تكاليف السحب وتحسين الحلول الخاصة بالبيانات، ستصبح هذه المنصات الطريقة الموحدة لمعالجة مختبرات الهندسة الوراثية، مما يقلل من حاجز الدخول إلى المختبرات.

علم الأحياء الاصطناعية وتصميم المناخ

أما التوسع النهائي في المعلومات البيولوجية في الهندسة الوراثية فهو القدرة على تصميم جميع المعالم من الخدش، وتعتمد مشاريع مثل جينوم الجيني الاصطناعي (Sc2.0) اعتمادا كبيرا على الأدوات الحاسوبية لتحقيق الاستخدام الأمثل للكولونات، وإزالة التسلسلات المتكررة، والتنبؤ بالتفاعلات المميتة الاصطناعية، وستتطلب الجهود المقبلة الرامية إلى هندسة الحد الأدنى من الخلايا أو حتى نماذج المجين الاصطناعي البشري.

جين درايفز وهندسة إيكولوجيا

ويمكن أن توزع الدافعات الجينية القائمة على أساس المبادرة الجينات المصممة من خلال السكان البريين، وتوفر حلولا محتملة لمكافحة الملاريا، والقضاء على الأنواع الغازية، وحفظها، وتؤدي المعلومات البيولوجية دورا حاسما في وضع نماذج الديناميات السكانية، والمخاطر غير المستهدفة، واستراتيجيات الاحتواء للحملات الجينية.

خاتمة

إن المعلومات البيولوجية لم تعد تخصصاً هامشياً بل هي محرك مركزي يقود البحوث الهندسية الوراثية، إذ إن توفير الأدوات اللازمة لفك رموز الجينومات، وتصميم طرق دقيقة، وتحليل النتائج على نطاق واسع، قد قلص من المسار الذي يُكتشف من أجل تطبيقه في الطب والزراعة والتكنولوجيا الحيوية، ومن خلال وجودة البيانات الفوقية، ومن خلال التدريب المتعدد التخصصات، ومن خلال التنويم السحابي، ومن ثم، فإن التنويه الواعد الواعد الأساسية هي: