طراحی دارو و طراحی واکسن با رویکرد بیوانفورماتیک

بیوانفورماتیک یا داده پردازی زیستی یکی از شاخه های مهم علوم زیستی است که به کاربرد علوم کامپیوتر در سازماندهی و تحلیل نتایج آزمایشات زیستی می پردازد. گسترش روزافزون حجم عظیم داده‌های ژنومی و نیاز به ذخیره، بازیابی و تحیل مناسب این داده‌ها، موجب پیدایش علم بیوانفورماتیک گردید. این دانش نوظهور، به عنوان یک دانش بین رشته‌ای، تلاش می‌کند تا با استفاده از تکنیک‌های موجود در علوم کامپیوتر، ریاضیات، ژنتیک، شیمی، فیزیک و علوم مرتبط دیگر، مسایل مختلف زیست‌شناختی را که معمولاً در سطح مولکولی هستند حل کند.

عناوین :

• بیوانفورماتیک چیست؟
• نیاز علم ژنتیک به پردازش رایانه ای
• اهمیت پایگاه داده در بیوانفورماتیک
• دوره آموزشی طراحی دارو و واکسن با رویکرد بیوانفورماتیک
• کارگاه طراحی دارو
• کارگاه طراحی واکسن

بیوانفورماتیک Bioinformatics چیست؟

حجم فوق‌العاده زیاد داده‌های مولکولی و الگوهای مبهم و مرموز آنها ما را بر آن داشته است تا به پایگاه‌های داده و ابزارهای تحلیل داده‌ها نیاز مبرم پیدا کنیم. تلاش و هدف ما یافتن روش‌های جدید، جهت مدیریت این داده‌های حجیم و پیچیده است و نیز فراهم کردن بستری جهت دسترسی به ابزارهای رایانه‌ای و الگوریتم‌های قدرتمند ریاضی تا این حجم داده‌ها را تحلیل نماییم.

نیاز علم ژنتیک به پردازش رایانه ای

بیولوژی مولکولی و علم ژنتیک مسایلی در پیش دارند که بیوانفورماتیک می‌تواند با به‌کارگیری این اطلاعات کامپیوتری شده به حل آن‌ها کمک نماید. حجم فوق‌العاده زیاد داده‌ها جهت نگهداری و مقایسه رکوردهای میلیونی بسیار مشکل و گاهی غیر ممکن است. یکی از کاربردهای بیوانفورماتیک تحلیل این داده‌ها جهت پی بردن به معمای تکامل هستی است. حل این معما در میلیاردها نوکلئوتید درون ژنوم موجودات زنده نهفته است.

اهمیت پایگاه داده در بیوانفورماتیک

پایگاه داده یک برنامه کامپیوتری است که با روش‌‌های بسیار منظمی اطلاعات را در کامپیوتر ذخیره می‌کند و با سرعت فوق‌العاده‌ای در آن اطلاعات جستجو کرده و نتیجه‌ی جستجو را ارائه می‌دهد. مشهورترین کاربرد بیوانفورماتیک در تحلیل توالی هاست. توالی‌های DNA مربوط به ارگانیسم‌های مختلف جهت دستیابی سریع و مقایسه آنها با یکدیگر، در پایگاه‌های داده ذخیره می‌شوند.

پروژه ژنوم انسان که از سال 1996 تا سال 2003 به طول انجامید نمونه‌هایی از تحلیل توالی‌هاست. در این پروژه با استفاده از رایانه‌های بزرگ و روش‌های مختلف بدست آوردن توالی‌ها، همه ژنوم انسان تعیین توالی گردید و درون یک پایگاه داده قرار گرفت. با کامل شدن نقشه ژنوم انسان، بیوانفورماتیک در تحقیق سرطان‌ها به امید رسیدن به یک درمان موفق و نهایی بسیار با اهمیت شده است.

پایگاه داده به دو دسته اصلی و فرعی تقسیم می‌شوند. نتایج حاصل از تحقیقات علمی مانند توالی‌های نوکلئوتیدی یک ژن خاص، که در یک آزمایش تجربی به دست آمده است درون پایگاه‌های داده اصلی قرار می‌گیرند. این داده‌ها خام و بدون تحلیل هستند. نمونه‌ای از این پایگاه‌ها GenBank است که توالی‌های نوکلئوتیدی را نگهداری می‌کند. این پایگاه توسط NCBI مدیریت می‌شود.

دوره آموزشی طراحی دارو و واکسن با رویکرد بیوانفورماتیک

مسلما با به وجود اومدن ویروس کرونا اهمیت طراحی دارو و واکسن رو درک کردید. این روزها در اکثر کشورها دانشمندان این حوزه با برگزاری نمایشگاه‌ها و جلسات علمی درصدد دستیابی به ترکیبات شیمیایی موثر برای مقابله با عوامل بیماری‌زای مختلف هستند.

همچنین چشم امید مردم دنیا به دست پژوهشگرانی است که در زمینه دارو و واکسن فعالیت می کنند. اما توجه کنید که پروسه‌ی طراحی دارو و واکسن یک پروسه زمان‌بر و هزینه‌بری است و برای طراحی یک ترکیب شیمیایی شاید نیازمند چند سال زمان و چندین میلیون دلار هزینه باشیم. اما نگران نباشید، برای اولین بار در تاریخ علم، بیوانفورماتیک در هر دو شاخه‌ی ذکر شده راه‌حل‌هایی را ارائه میدهد تا پژوهشگران این حوزه بتوانند با یک رویکرد جدید در زمینه طراحی دارو و واکسن فعالیت کنند. از اینرو کمپ بیوانفورماتیک، پیشتاز در آموزش بیوانفورماتیک در نظر دارد جدیدترین دوره‌ی طراحی دارو و واکسن خود را برگزار کند

در کارگاه طراحی دارو مباحث زیر را یاد خواهیم گرفت:

• پروسه طراحی تجربی دارو (یک دارو چه پروسه‌ای رو طی میکنه تا به داروخونه برسه؟)
• ما با علم بیوانفورماتیک چطور میتونیم تو پروسه طراحی دارو به داروساز کمک کنیم؟
• داده‌های دارویی رو از کجا دریافت کنیم؟ آشنایی با ژورنال‌های این حوزه
• آشنایی با مقالات این حوزه
• آشنایی با پایگاه‌داده‌های موجود برای دانلود ترکیبات دارویی
• با نرم‌افزارهای حوزه طراحی دارو به صورت عملی کار خواهیم کرد
• نرم‌ افزار HyperChem چطور ساختار ترکیبات دارویی را داشته باشیم؟

نرم افزار HyperChem نرم افزاری حرفه ای به منظور مدل سازی مولکولی بوده که شیمیدان ها را قادر می سازد تا امور مختلفی که در گذشته بر روی کاغذ و یا به صورت دستی انجام میدادند را به صورت نرم افزاری و سه بعدی به انجام رسانند. کیفیت بالا، انعطاف پذیری و سادگی کار با این برنامه تجربه بسیار خوبی را برای کاربران ایجاد می نماید. قابلیت های سه بعدی و متحرک سازی در کنار محاسبات شیمیایی کوانتومی، مکانیک مولکولی، هایپرکم را به یک ابزار مدل سازی مولکولی بسیار قدرتمند برای شیمیدان ها و مهندسان شیمی تبدیل کرده است.

• چطور در ساختار ترکیبات دارویی تغییر ایجاد کنیم؟
• نرم‌افزار Dragon

نرم افزار Talete Dragon نرم افزار دراگون شیمی برای محاسبه و استخراج توصیف کننده و توصیف گرهای ولکولی که قادر به محاسبه بیش از ۱۴۰۰ توصیف کننده می باشد که به ۱۸ گروه اصلی تقسیم می شوند .

• چطور ویژگی موثر از ترکیبات داروویی استخراج کنیم؟
• نرم‌افزار Open Babel

نرم افزار Open Babel نرم افزاری قدرتمندی شامل ابزارهای متنوع برای کار با فایل های مختلف حاوی ساختار و اطلاعات شیمی و بیوشیمی است که امروزه مورد استفاده محققان زیادی قرار می گیرد.
این بسته امکان تبدیل فرمت، جستجو، آنالیز و ذخیره داده های مختلف مدلسازی مولکولی، شیمی، ساختارهای حالت جامد و بیوشیمی را فراهم می کند.

• پروسه یادگیری ماشین و هوش مصنوعی بررسی خواهد شد
• پیش پردازش داده‌ها
• اعمال مدل‌های بیوانفورماتیک d
• اعتبارسنجی
• نرم‌افزار Matlab

متلب نرم افزاری قوی برای دانشجویان و محققین رشته های ریاضی و مهندسی است که در جهت حل مسائل تئوری ماتریسها، جبر خطی و آنالیز عددی ساخته شده و امروزه صدها هزار کاربر دانشگاهی، آکادمیک، صنعتی و … در زمینه های بسیار متنوع مهندسی نظیر ریاضیات پیشرفته، جبر خطی، مخابرات، مهندسی سیستم و … با MATLAB بعنوان یکی از اولین محیط های محاسباتی و تکنیکی که قادر به حل مسائل آنهاست، آشنا می شوند. ریاضیات، زبان مشترک بسیاری از علوم مهندسی است. ماتریس ها، معادلات دیفرانسیل، رشته های عددی اطلاعات، ترسیمات و گراف ها از لوازم اصلی بکار گرفته در ریاضیات و نیز در MATLAB هستند.
Matlab اکنون یک سیستم مؤثر و زبان برنامه نویسی بسیاری از محاسبات علمی و مهندسی است.

• مقدمه‌ای بر برنامه‌نویسی با متلب خواهیم داشت.
• و مطالب یادگرفته شده را از ۰ تا ۱۰۰ روی یک تارگت دارویی خاص پیاده خواهیم کرد.

در کارگاه طراحی واکسن این مباحث را یاد خواهیم گرفت:

• شناخت بیماری و سیستم ایمنی بدن
• مقدمه‌ای بر طراحی واکسن
• استخراج ژنوم میکروارگانیسم
• پیدا کردن ORF مربوط به توالی ژنوم
• مکان یابی پروتئین در سلول
• گریزی به تکنیک‌های یادگیری ماشینی خواهیم زد
• مفهوم سیگنال پپتید
• بررسی allergenicity، toxicity و immunogenicity
• بررسی همولوژی
• پیش‌بینی اپی‌توپ‌ها
• بررسی ویژگی اپی‌توپ‌ها و ساخت واکسن کاندید
• بررسی کیفیت واکسن طراحی شده