سیستم بیولوژی میکروبی

علم نوظهور سيستم بيولوژي با به كار گيري داده هاي اميك امکان مدلسازی میکروب ها به عنوان “میکروارگانیسم هایی در کامپیوتر” و پیشبينی رفتار سلول ها در پاسخ به عوامل محیطی را فراهم کرده است. این توانایی محاسباتی، ضمن شتاب دهي به پيشرفت علم ميكروبيولوژي مسیر های بي سابقه اي به سوی توسعه میکروارگانیسم های صنعتی جدید و نيز توسعه دارو های ضد ميكروبي موثر گشوده است. ساخت نسخه کامپیوتری ارگانيسم هاي ميكروبي امکان مطالعه عمیق بیولوژی آنها، شناسایی قابلیت ها و ظرفیت های میکروارگانيسم ها، و تسخیر رفتار های پیچیده آنها از جمله Chemotaxis و Quorum Sensing، و Symbiosis در توسعه فناوري هاي زيستي را فراهم مي كند.

از طرف ديگر ويروس ها علي رغم اينكه خود زنده نيستند با تغيير برنامه ژنتيكي ميزبان خود كنترل فنوتيپ زيستي ميزبان را به دست مي گيرند. هنگامي كه سلول انسان به ويروس آلوده مي شود اين تغيير برنامه ژنتيكي در موارد متعددي خود را به صورت بيماري هاي پيچيده آشكار مي كند. رويكرد هاي درماني سنتي براي غلبه بر ويروس ها عمدتا بر هدف گيري ساختار نوكلئوتيدي يا پروتئين هاي ويروسي مبتني بوده است. در عصر پساژنومي و با به دست آمدن اطلاعات وسيع از ارتباط ميزبان-ويروس اهميت اين ارتباط در توسعه دارو هاي آنتي وايرال موثر بيش از پيش آشكار شده است به گونه اي كه درمان هاي ضد ويروسي آينده به جاي هدفگيري خود ويروس بر هدف گيري ارتباط ميزبان-ويروس مبتني است.

بسیاری از بیماری های انسان ناشی از ورود یک میکروارگانیسم بیماری زا به بدن و رشد و تکثیر آن در بافت های یدن انسان است. به این ارگانیسم ها عوامل بیماری زا یا پاتوژن گفته می شود. حیات همه موجودات زنده از جمله پاتوژن ها به وسیله ژن هایشان کنترل می شود. بنابر این یک راه رفع بیماری های عفونی، از کار انداختن ژنهای مهم در پاتوژن ها است. این روش درمانی پایه کشف و عملکرد بیشتر دارو های مدرن است. در واقع اکتشاف دارو به مفهوم امروزی مبتنی بر یافتن ژنهایی در پاتوژن ها است که اگر از کار بیفتند حیات آن ارگانیسم مختل می شود و به عبارت دیگر عامل بیماری زا می میرد.

این فرایند تاکنون به روش آزمایشگاه صورت می گرفته است و منجر به کشف هزاران مولکول دارویی شده که با هدف قرار دادن ژن های  کلیدی در پاتوژن ها عفونت را به طور موثر مهار می کنند. با این وجود درمان مبتنی بر آنتی بیوتکی در حال حاضر با خطراتی مواجه است. یکی از آنها مقاومت پاتوژن ها در برابر دارو های موجود است. به همین دلیل نیاز است ژن ها و پروتئین های جدیدی در پاتوژن ها کشف شود تا برای هدف گرفتن آنها داروهایی یافته و طراحی شود. به علاوه بسیاري از پاتوژن ها تنها با هدف گیری یک ژن/پروتئین از بین نمی روند و به مجموعه ای از دارو ها نیاز است که با از کار انداختن چند ژن و پروتئین اصلی رشد پاتوژن را متوقف کنند.

همه این عوامل تحلیل کل-نگر فعل و انفعالات بیولوژی سلول های زنده بیماری زا را با اهمیت نموده است. در اینجا سيستم بيولوژي از طریق ارائه مدل های ژنوم-مقیاس پاتوژن ها می تواند به یافتن درمان های موثر تر دارویی کمک کند. با تحلیل مدل ژنوم-مقیاس یک پاتوژن، می توان ژن ها و پروتئین هایی که جلوگیری از کارکرد آنها منجر به مرگ عامل بیماری زا می شود را با سرعت بالا شناسایی کرد. همچنین تحلیل کامپیوتری می تواند مجموعه ای از ژنها و پروتئین ها را شناسایی کند که هدف گیری همزمان آنها توسط دارو های چند گانه درمان های موثر تری نسبت به دارو های موجود فراهم کند.

پایه و اساس بیوتکنولوژی استفاده از ارگانیسم ها در فرایند های تخمیری برای تولید مواد با ارزش است. مثال معروف این فرایند ها تولید اتانول زیستی به روش تخمیری است که می تواند به عنوان سوخت اتوموبیل جایگزین بنزین شود. مثال های دیگر تولید انواع آنتی بیوتیک ها، پلیمر های زیستی، مواد غذایی مانند لایزین، ویتامین ها، و مواد نگهدارنده توسط میکروارگانیسم های مختلف است.

با وجود توانایی ارگانیسم ها در تولید مواد با ارزش، ارگانیسم ها طوری تکامل پیدا نکرده اند که این مواد را در مقادیر زیاد تولید کنند و به همین دلیل فرایند های بیوتکنولوژی با استفاده از گونه وحشی ارگانیسم ها مربوطه مقرون به صرف نیست. برای اقتصادی کردن زیست فرایند ها نیاز است میکروارگانیسم مورد نظر برای تولید محصول بیشتر اصلاح شود. این اصلاح معمولا از طریق تغییرات ژنتیکی صورت می گیرد که منجر می شود برنامه ژنتیکی سلول به سمت تولید محصول بیشتر تغییر کند. به این عملیات مهندسی متابولیک گفته می شود.

اما ارگانیسم ها اغلب دارای هزاران ژن هستند و یافتن اینکه تغییر کدام ژنها بیشترین بازده محصول را ایجاد می کند ساده نیست. در اینجا سیستم بیولوژی از طریق ساختن مدل کامپیوتری ارگانیسم ها می تواند کمک شایانی به افزایش بازده اقتصادی فرایند های تولیدی بکند. با در اختیار داشتن نسخه کامپیوتری ارگانیسم ها می توان نتیجه تغییرات ژنتیکی ارگانیسم را در کامپیوتر و قبل از آزمایشگاه شبیه سازی کرد و بهترین استراتژی مهندسی ژنتیک را انتخاب کرد. به عبارت دیگر سیستم بیولوژی امکان طراحی میکروارگانیسم ها با استفاده از کامپیوتر را فراهم می کند مثل سایر رشته های مهندسی که محصول مورد نظر قبل از ساخته شدن به وسیله نرم افزار کامپیوتری به طور بهینه طراحی می شود.