علم وظائف الأعضاء

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

علم وظائف الأعضاء (Physiomics) هو دراسة منهجية للوظائف الحيوية في علم الأحياء . يستخدم هذا العلم المعلوماتية الحيوية لبناء شبكات من الخصائص الفيزيولوجية المرتبطة بالجينات والبروتينات وشبكاتها. من بين الطرق المستخدمة لتحديد العلاقات الفردية بين تسلسل الحمض النووي والوظيفة الفيزيولوجية، هندسة المسارات الأيضية [ 1 ] وتحليل التداخل الرناوي (RNAi) [ 2 ] . تُنظَّم العلاقات المستمدة من هذه الطرق وتُعالَج حاسوبيًا لتشكيل شبكات متميزة. تستخدم النماذج الحاسوبية هذه الشبكات المحددة تجريبيًا لتطوير تنبؤات إضافية لوظيفة الجينات [ 3 ] [ 4 ] .

تاريخ

نشأ علم الفيزياء الحيوية نتيجةً لعدم التوازن بين كمية البيانات الناتجة عن مشاريع الجينوم والقدرة التقنية على تحليلها على نطاق واسع. [ 3 ] ومع استخدام تقنيات مثل التسلسل عالي الإنتاجية لتوليد كميات هائلة من البيانات الجينومية، برزت الحاجة إلى تصميم أساليب فعّالة لتفسير هذه البيانات تجريبيًا وتنظيمها حاسوبيًا. [ 5 ] يمكن تصوير العلم كحلقة تربط المعرفة بالملاحظات. وفي عصر ما بعد الجينوم، برزت قدرة الأساليب الحاسوبية على المساعدة في هذه الملاحظات. هذه الحلقة، المدعومة بنماذج الحاسوب، هي أساس المعلوماتية الحيوية، وبالتالي، علم الفيزياء الحيوية. [ 6 ]

مشاريع الفيزيوم

في عام ١٩٩٣، قدم الاتحاد الدولي للعلوم الفيزيولوجية (IUPS) في أستراليا مشروعًا يُعنى بدراسة الفيزيوم بهدف توفير وصف كمي للديناميكيات الفيزيولوجية والسلوك الوظيفي للكائن الحي السليم. وقد أصبح مشروع الفيزيوم محورًا رئيسيًا لتركيز الاتحاد الدولي للعلوم الفيزيولوجية في عام ٢٠٠١. [ ٧ ] يُعد مشروع الموارد الوطنية لمحاكاة الفيزيوم مشروعًا أمريكيًا شماليًا تابعًا لجامعة واشنطن. وتتمثل العناصر الأساسية لهذا المشروع في إنشاء قاعدة بيانات للمعلومات الفيزيولوجية والدوائية والمرضية المتعلقة بالبشر والكائنات الحية الأخرى، ودمجها من خلال النمذجة الحاسوبية. [ ٨ ] تشمل المشاريع الأخرى في أمريكا الشمالية مركز نمذجة الشبكات البيولوجية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، والمركز الوطني لتحليل الخلايا ونمذجتها في جامعة كونيتيكت ، ومركز المعاهد الوطنية للصحة للحوسبة الطبية الحيوية التكاملية في جامعة يوتا.

تطبيقات البحث

تتعدد التطبيقات الممكنة لعلم الفيزيوميات، ويتطلب كل تطبيق منها نماذج حسابية مختلفة أو استخدام عدة نماذج مجتمعة. ومن أمثلة هذه التطبيقات: نموذج ثلاثي الأبعاد لنمو الأورام ، ونمذجة تكوين الأنماط البيولوجية ، ونموذج رياضي لتكوين علامات التمدد لدى البشر، وخوارزميات تنبؤية لنمو العدوى الفيروسية داخل الحشرات المضيفة. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

برامج النمذجة والمحاكاة

يُعزز البحث التعاوني في مجال علم وظائف الأعضاء جزئيًا من خلال إتاحة برامج المعلوماتية الحيوية مجانًا ، مثل برامج المحاكاة وبيئات النمذجة. تُتيح العديد من المؤسسات والمجموعات البحثية برامجها للجمهور. ومن أمثلة البرامج المتاحة مجانًا:

  • JSim و Systems Biology Workbench – أدوات المعلوماتية الحيوية التي تقدمها جامعة واشنطن.
  • BISEN – بيئة محاكاة متاحة من قبل الكلية الطبية في ويسكونسن.
  • SimTK – مجموعة من موارد النمذجة البيولوجية التي يوفرها المركز الوطني للحوسبة الطبية الحيوية التابع للمعاهد الوطنية للصحة.
  • نظام الخلية الإلكترونية - بيئة محاكاة ونمذجة للأنظمة البيولوجية تقدمها جامعة كيو في طوكيو، اليابان.

تُطوَّر أدوات كهذه باستخدام لغات ترميز خاصة بأبحاث المعلوماتية الحيوية. والعديد من هذه اللغات متاحة مجانًا للاستخدام في تطوير البرمجيات، مثل CellML وNeuroML وSBML.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ بيلي، جيه إي (1991). "نحو علم الهندسة الأيضية". مجلة ساينس . 252 (5013): 1668-1675 . doi : 10.1126/science.2047876 . PMID 2047876 . 
  2. ↑ كاماث، رافي س.؛ فريزر، أندرو ج.؛ دونغ، يان؛ بولين، جينو؛ دوربين، ريتشارد؛ جوتا، مونيكا؛ كانابين، ألكسندر (2003). "تحليل وظيفي منهجي لجينوم Caenorhabditis elegans باستخدام تقنية تداخل الحمض النووي الريبوزي (RNAi)". مجلة نيتشر . 421 (6920): 231-237 . doi : 10.1038/nature01278 . hdl : 10261/63159 . PMID 12529635 . 
  3. 1 2 فارنر، جيه دي (2000). "التنبؤ واسع النطاق بالنمط الظاهري: المفهوم". التكنولوجيا الحيوية والهندسة الحيوية . 69 (6): 664-678 . doi : 10.1002/1097-0290(20000920)69:6 < 664::AID-BIT11 > 3.0.CO ; 2-H .
  4. ↑ سانفورد، كارل؛ سوكايل، فيليب؛ وايتد، جريج؛ شوتاني، جوبال (2002). "من علم الجينوم إلى علم التدفقات وعلم وظائف الأعضاء - هندسة المسارات". الرأي الحالي في علم الأحياء الدقيقة . 5 (3): 318-322 . doi : 10.1016/S1369-5274(02)00318-1 .
  5. ↑ ويلش، جي. ريكي (2009). "علم وظائف الأعضاء، وعلم وظائف الأعضاء الفيزيائية، والفيزياء الحيوية: مسألة كلمات" . التقدم في الفيزياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية . 100 ( 1-3 ): 4-17 . doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2009.08.001 . PMID 19699228 . 
  6. ↑ كيل، د.ب.؛ أوليفر، س.ج. (2004). "ها هي الأدلة، فما هي الفرضية الآن؟ الأدوار التكاملية للعلوم الاستقرائية والعلوم القائمة على الفرضيات في عصر ما بعد الجينوم". مقالات بيولوجية . 26 (1): 99-105 . doi : 10.1002/bies.10385 . PMID 14696046 . 
  7. ↑ هنتر، ب.؛ بورغ، ت. (2003). "التكامل من البروتينات إلى الأعضاء: مشروع الفيزيوم". مجلة نيتشر ريفيوز لعلم الأحياء الخلوي الجزيئي . 4 (3): 237-243 . doi : 10.1038/nrm1054 . PMID 12612642 . 
  8. ↑ باسنجثويت، جيه بي (2000). " استراتيجيات مشروع الفيزيوم" . حوليات الهندسة الطبية الحيوية . 28 (8): 1043-1058 . doi : 10.1114/1.1313771 . PMC 3425440. PMID 11144666 .  
  9. ↑ هـ. بيرفال، هـ. م. بيرن، ت. تشين، ف. إستريلا، ت. ألاركون، أ. لابين، ر. أ. غاتينبي، ر. ج. غيليس، م. س. لويد، ب. ك. مايني، م. رويس، م. ر. أوين، نمذجة ثلاثية الأبعاد متعددة المقاييس لتكوين الأوعية الدموية ونمو الأورام الوعائية، في: أنظمة التدفق الدقيقة والنانوية، أنظمة التدفق للتحليل الحيوي، م. و. كولينز و س. س. كونيغ (محرران)، التحليل الحيوي، 2، 29-48 (2013) https://people.maths.ox.ac.uk/maini/PKM%20publications/358.pdf
  10. ↑ أ. مادزفاموس، ر.د.ك. توماس، ت. سيكيمورا، أ.ج. واتين، ب.ك. مايني، طريقة العناصر المحدودة للشبكة المتحركة المطبقة على المشكلات البيولوجية، في: التكوين المورفولوجي وتشكيل الأنماط في الأنظمة البيولوجية: تجارب ونماذج، وقائع مؤتمر تشوبو 2002 (تحرير ت. سيكيمورا، س. نوجي، ن. أوينو، وب.ك. مايني)، سبرينغر-فيرلاغ طوكيو، 59-65 (2003) https://people.maths.ox.ac.uk/maini/PKM%20publications/158.pdf
  11. ^ جيلمور، إس جيه. فوغان الابن. مادزفاموس، أ. مايني، بي كيه (2012). “نموذج ميكانيكي كيميائي للسطور الممتدة” (PDF) . الرياضيات. بيوسسي . 240 (2): 141–147 . دوى : 10.1016/j.mbs.2012.06.007 . بميد 22796062 . 
  12. ↑ وايت، إس إم؛ بيردن، جيه بي؛ مايني، بي كيه؛ هيلز، آر إس (2012). "نمذجة نمو العدوى الفيروسية داخل العائل في الحشرات" (ملف PDF) . مجلة علم الأحياء النظري . 312 : 34-43 . doi : 10.1016/j.jtbi.2012.07.022 . PMID 22877574 . 
  • قائمة علم الجينوم (omics) مؤرشفة بتاريخ 9 يوليو 2015 على موقع Wayback Machine – تحتوي على قوائم أكثر بكثير من هذه الصفحة، مع مراجع/مصادر. يُشرف عليها معهد كامبريدج للصحة (CHI). وهي من أقدم القوائم.
  • المراكز الوطنية لعلم الأحياء النظمي – أخبار ومعلومات حول مراكز أبحاث علم الأحياء النظمي. مؤرشف بتاريخ 19 أكتوبر 2013 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .