معلومة

هل يمكن أن يكون اتحادًا / تآزرًا بين الرياضيات وعلوم الكمبيوتر والبيولوجيا البحرية؟

هل يمكن أن يكون اتحادًا / تآزرًا بين الرياضيات وعلوم الكمبيوتر والبيولوجيا البحرية؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أنا أدرس للحصول على درجة البكالوريوس في العلوم الطبيعية ولا بد لي من اختيار المسار لحياتي المستقبلية. لا بد لي من اختيار النوع المناسب من الدراسات العليا. نظرًا لأنني أحب علوم الكمبيوتر والرياضيات والبيولوجيا البحرية بمزيد من التفاصيل ، فأنا أحب البيئة الاستوائية خاصة تلك الموجودة في الشعاب المرجانية والأتولات في المحيط الهادئ ، والحيتان (مثل الحيتان الحدباء وهجراتهم) ، والمحاكاة الحاسوبية والنماذج الرياضية. وبالتالي ، أود أن أسألك عما إذا كان هناك فرع في علم الأحياء البحرية يسمح لي بالدراسة والتخصص في علم البيئة الاستوائية وفي الرياضيات وعلوم الكمبيوتر أيضًا ، لأنه في مساقتي الحالية ليس لدينا أي امتحانات لعلوم الكمبيوتر و واحد فقط من الرياضيات ، وأشعر بالحزن لذلك. أن يكون أصل المسار الصحيح هو علم الأحياء الحسابي؟ موجود في علم الأحياء ، بعض المجالات تسمى "علم الأحياء البحرية الحاسوبية" أو "البيئة الحاسوبية البحرية الاستوائية"؟ شيء أخير ، ماذا عن المعلومات البيئية؟


هذه النصيحة تتمحور حول أمريكا. قد تكون برامج الدراسات العليا في البلدان الأخرى مختلفة ، لا سيما فيما يتعلق بعمل الدورة المعينة ، وما إلى ذلك ، ولكن هذا يجب أن يكون قويًا إلى حد ما. أيضًا ، أفترض أنك مهتم بالحصول على درجة الدكتوراه.

لا أعرف ما إذا كان ما تبحث عنه هو مجال مناسب ، لكن هذا لا يهم. من الناحية المثالية ، مدرسة الدراسات العليا هي المكان الذي تجري فيه الأبحاث وفقًا لشروطك الخاصة ، والمختبر الذي تنضم إليه هو الاعتبار الوحيد الأكثر أهمية. ما تريده هو برنامج مختص:

  • يمنحك المرونة لإنشاء الحقل الفرعي الخاص بك
  • لديها هيئة تدريس داعمة وذات معرفة يمكنك العمل في ظلها
  • لديه برامج ممتازة في علوم الكمبيوتر والبيولوجيا البحرية (أو نظائرها)

أولاً ، ابحث عن أعضاء هيئة التدريس الذين يجرون أبحاثًا تهتم بها ، وانظر إلى البرامج المتاحة في مدارسهم. نظرًا لأنهم أهم اعتبار ، فسيتم وضع كل شيء آخر في مكانه بعد ذلك.

بعد ذلك ، أرسل بريدًا إلكترونيًا إلى 5 من هؤلاء الأساتذة مع مقدمة لما تهتم به ، لا سيما فيما يتعلق بأبحاثهم. اسألهم عن البرامج الأكثر ملاءمة في جامعتهم ، وما مدى المرونة التي يمكنك أن تكون عليها في أخذ الدورات الدراسية المناسبة.

في مرحلة ما ، ربما تريد أن تقرر ما إذا كنت تريد أن تصبح أكثر من عالم أحياء بحرية أو عالم كمبيوتر. شهادتك في نهاية العقد ستقول فقط أحد هذه الأشياء. لا ينبغي أن يحدث هذا فرقًا كبيرًا فيما يتعلق بتوقعات وظيفتك ، لكن الأمر يستحق التفكير فيه. عمليًا ، السؤال هو ما إذا كنت تريد أن تتسخ يديك ، وتخرج على متن قارب ، وتجمع بياناتك الخاصة. بدلاً من ذلك ، إذا انضممت إلى برنامج علوم الكمبيوتر ، فمن المرجح أن تقوم بتحليل مجموعات البيانات الكبيرة التي تم جمعها بواسطة علماء آخرين.

في عظم الجامعات ، من المحتمل أن يكون لديك فقط خيار الانضمام إلى برنامج علم الأحياء. ولكن هناك بالتأكيد برامج علوم كمبيوتر ممتازة مع أعضاء هيئة تدريس موجهين لعلم الأحياء. حتى مع ذلك ، من المرجح أن تقوم هيئة التدريس في علوم الكمبيوتر بعلم الجينوم وما شابه.

للحصول على توصيات عملية ، من المحتمل أن يكون لدى جامعة واشنطن في سياتل ما يناسب اهتماماتك. أثناء وجودي هناك ، كان مختبري مجاورًا لمختبر لعلوم المحيطات يحتوي على جدار فيديو لتصور تيارات المحيطات وما إلى ذلك. ليس علم الأحياء البحرية على وجه التحديد ، ولكن UW لديها هيئة تدريس متعاونة للغاية وأنا متأكد من أن القسمين يعملان معًا.

تمتلك جامعة واشنطن أيضًا برنامجًا قويًا للبيولوجيا الحسابية يمكنك الدخول فيه إما من خلال علوم الكمبيوتر أو من خلال أحد برامج علم الأحياء العديدة. يجب عليك أيضًا التحقق من معهد بيولوجيا الأنظمة في UW. لقد رأيت عرضًا تقديميًا هناك تحديدًا حول تبادل الحمض النووي بين الكائنات الحية الدقيقة البحرية. أنا لا أقول إن UW هو خيارك الأفضل ، أنا أعرف تلك المدرسة فقط لأنني حصلت على درجة الدكتوراه هناك.

كلمة أخيرة من النصائح. بمجرد انضمامك إلى أحد البرامج ، من المحتمل جدًا أن تتغير اهتماماتك عندما تتعرف على الأبحاث الأخرى الجارية. وأيضًا ، من المحتمل جدًا ألا تدخل المختبر الذي تريده ببساطة بسبب المال أو الخدمات اللوجستية. مع وضع هذين الأمرين في الاعتبار ، كن مرنًا بشأن المكان الذي ترغب في الذهاب إليه. ما تفعله خلال فترة الدكتوراه ليس مهمًا حقًا على أي حال. إذا كنت ستصبح عالم أبحاث ، فإن ما تفعله خلال فترة ما بعد الدكتوراه هو الذي سيؤسس حياتك المهنية. فقط اغتنم الفرصة لتتعلم كل ما تستطيع وتعرف على ما هو موجود.

أتمنى أن يساعدك هذا. حظا طيبا وفقك الله!


نصيحة ألكساندر ممتازة في الحالة العامة ، لكن بما أنني واجهت مشكلة مشابهة جدًا عندما تقدمت إلى مدارس الخريجين العام الماضي ، أردت أن أقدم وجهة نظري حول هذا الاتحاد المحدد للمجالات. يعتقد الكثير من الناس (بمن فيهم أنا) أن هذا التقاطع على وشك أن يكون حقًا مجالًا مهمًا حقًا - بدأ علماء البيئة في إدراك الحاجة إلى العلماء الذين يتمتعون بهذه المهارات ، ولكن لا يوجد حتى الآن الكثير من البنية التحتية لتدريب مثل هؤلاء العلماء. يمثل هذا تحديًا لأشخاص مثلك ومثلي الآن. من ناحية أخرى ، فهذا يعني أنه إذا تمكنا من إيجاد طريقة لاكتساب هذه المهارات ، فيجب أن نكون مهيئين جيدًا للمساعدة في إنشاء هذا المجال (مكافأة: يجب أن نكون مستعدين جيدًا للحصول على وظائف).

أنا شخصيًا أرى أنه إذا كانت اهتماماتك متعددة التخصصات حقًا ، فمن الجيد حقًا الانتقال إلى مكان به إطار عمل لدعم العمل متعدد التخصصات. خلاف ذلك ، يمكن أن ينتهي بك الأمر في موقف لا يشعر فيه مستشارك بأنه مجهز لتقديم إرشادات بشأن أجزاء كبيرة من مشاريعك ، مما قد يجهد علاقة العمل الخاصة بك ويعيق تقدمك. على الرغم من التشدق في أهمية البحث متعدد التخصصات ، إلا أنه قد يكون من الصعب العثور على البرامج التي تم إعدادها لتوفير التوجيه متعدد التخصصات. يعتمد أفضل مسار للعمل بشكل خاص للغاية على الطريقة التي تريد بها دمج هذه الحقول.

إذا كنت ترغب في البقاء متجذرًا في علم الأحياء واستخدام علوم الكمبيوتر والرياضيات كأدوات دون إجراء بحث يعززها كمجالات ، فأنت محظوظ. هناك الكثير من المعامل التي تضم باحثين رئيسيين يقومون بهذا النوع من الأبحاث والعديد من المهتمين بالعثور على أشخاص يمكنهم ، كما قال تيردون ، "عمل نماذجهم". سأكون حريصًا على السيناريو الأخير بينما لا تزال في مرحلة التعلم من حياتك المهنية. كطالب ، يجب أن يكون هدفك هو معرفة أفضل طريقة لإجراء البحث الذي تريده. إذا كنت المصمم الوحيد / المصمم الوحيد للرياضيات في مجموعة ، فقد يزداد الطلب عليك ولكن معدل التعلم الخاص بك ربما يكون أبطأ بكثير مما لو كان لديك مستشار كان يقوم بالفعل بما أنت مهتم به. اهتماماتك ، خياراتك متنوعة جدًا ولكن ألق نظرة على جامعة كاليفورنيا في بيركلي وجامعة كاليفورنيا في ديفيس. أيضا UW ، كما اقترح الكسندر. هناك بالفعل تعاون جيد بين علم الأحياء وعلوم الكمبيوتر هناك. لقد وجدت أنه من المفيد البحث عن الأشخاص الذين كانوا يدرسون علم البيئة الكلي ، ولكن قد يكون هذا تصنيفًا يستخدم بشكل أكبر للأنظمة الأرضية.

ومع ذلك ، إذا كنت ترغب في إجراء بحث يعزز في الواقع علوم الكمبيوتر بالإضافة إلى علم الأحياء ، فإن الأمور تصبح أكثر تعقيدًا (لا أعرف ما إذا كان هناك أشخاص يقومون بأبحاث في الرياضيات وعلم الأحياء لذلك لا يمكنني التحدث إلى ذلك). لا تقيد تفكيرك بالاعتقاد بأن عليك الحصول على درجة علمية في واحدة أو أخرى ؛ توجد برامج درجة مزدوجة (وقد يبدو ذلك مخيفًا ، لكنها ليست بالضرورة المزيد من العمل ، بل مجرد عمل مختلف) ، على الرغم من أنها قليلة جدًا ومتباعدة لدرجة أنك قد تقرر أنه من المنطقي اختيار مجال واحد فقط. إذا كان هذا هو ما تريد القيام به ، فقم بإلقاء نظرة على جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا - فهي تقوم بالكثير من الأبحاث الحيوية البحرية وهي موطن للمركز الوطني للتحليل البيئي والتوليف. أيضا ، مرة أخرى ، UW. أوصي ببرنامجي أيضًا ، لكنه ليس بحريًا ولا استوائيًا.

بشكل عام ، إذا كنت ترغب في التعرف على مدى انفتاح المختبر بالنسبة لك عند إجراء بحث متعدد التخصصات ، فقد وجدت أنه من الأفضل أن تسأل بشكل صريح. إذا كان مكان ما يعرض تعيينات مشتركة (أي القدرة على أن أكون مشورًا لي من قبل أساتذة في قسمين) ، أو درجات مزدوجة ، أو حتى مجرد مجموعات بحثية تضم أشخاصًا من أقسام متعددة ، فقد اعتبرت ذلك علامة رائعة.

باختصار ، لا تبدأ بتوقعات منخفضة لإيجاد تطابق مع اهتماماتك. ومع ذلك ، سيكون من المفيد في النهاية التحلي بالمرونة ، حيث إن العثور على مباراة مثالية والقبول بها يتطلب بالتأكيد الكثير من الحظ. الاعتبارات التي طرحتها هنا لن تجعل أو تفسد تجربة مدرستك أو مهنتك النهائية. إنها مجرد أشياء يجب وضعها في الاعتبار إذا كان لديك الخيار. أعتذر أيضًا لأنه من المحتمل أن يكون قد فات وقت متأخر قليلاً في موسم التقديم حتى يكون هذا مفيدًا لك ، لكنني واجهت وقتًا فظيعًا في التعامل مع هذه المشكلات نفسها التي أردت فقط وضع ما تعلمته هناك في حالة ما إذا كان يمكن أن يساعد أي شخص .

تعديل: لقد نسيت أن أتطرق إلى المعلوماتية البيئية! يمكن أن تندرج المعلومات البيئية في فئة "علوم الكمبيوتر كأداة" أو فئة "تعزيز علوم الكمبيوتر وعلم الأحياء" ، على الرغم من أنها تندرج في الفئة الأخيرة بشكل متكرر أكثر من النمذجة. لا يزال الأمر كله يتعلق بما تريد القيام به بالضبط. انظر إلى البحث في مجلات علوم الكمبيوتر. إذا كان القيام بهذا النوع من الأشياء يروق لك بقدر ما يروق لك البحث البيولوجي ، فيجب أن تفكر في محاولة متابعة كلا المجالين. لقد وجدت أن إجراء بعض أبحاث علوم الكمبيوتر البحتة مفيد في اكتشاف ذلك ، ولكن ربما ليس لديك وقت لذلك.


الملخص

علم الأحياء التركيبي هو مجال بحث جديد متعدد التخصصات يستخدم المبادئ الهندسية كمبادئ توجيهية للتحقيق البيولوجي. مع أهداف البحث لتعديل النظم البيولوجية الحالية أو لإنشاء أنظمة جديدة ، وسعت التطبيقات الحديثة للبيولوجيا التركيبية مناهج وأدوات البحث البيولوجي التقليدي. في هذه المقالة ، نراجع أولاً بإيجاز تطور وتقدم البيولوجيا التركيبية على مدار العقد الماضي. على الرغم من أن مساهمات البيولوجيا التركيبية في أبحاث علوم الحياة الأساسية ، وصحة الإنسان ، وحماية البيئة ، وحتى النمو الاقتصادي قد لوحظت على نطاق واسع ، فقد ظهرت أيضًا مخاطر السلامة البيولوجية ، والأمن البيولوجي ، والمخاطر الأخلاقية المتعلقة بالبيولوجيا التركيبية في السنوات الأخيرة حيث أصبحت التكنولوجيا أقل تكلفة ، وأكثر نضجًا ، وأكثر سهولة في الوصول إليها. نحن نقدم تقييمًا موجزًا ​​للمخاطر المرتبطة بإساءة استخدام هذه التكنولوجيا أو إساءة استخدامها المحتملة في مختلف المجالات ونناقش المخاوف من ثلاث وجهات نظر: السلامة البيولوجية ، ومخاطر الأمن البيولوجي ، والأخلاق. أخيرًا ، لمواجهة التحديات الناشئة عن التقدم السريع في البيولوجيا التركيبية ، تم تطوير أو مناقشة التدابير التقنية والأخلاقية والتنظيمية في السنوات الأخيرة ، بما في ذلك التدابير الاحترازية على مستوى المختبرات للسلامة البيولوجية والأمن البيولوجي المتعلقة بالبيولوجيا التركيبية (مثل الضمانات الجينية والجدران النارية) ، ومدونات قواعد السلوك الأخلاقية لعلماء الأحياء ، واللوائح أو قواعد الرقابة من وجهات النظر الشخصية والوطنية والدولية. تم توفير ملخص موجز لهذه الجهود.


يصنع العلماء غراءًا قويًا تحت الماء مستوحى من البرنقيل وبلح البحر

إذا كنت قد حاولت يومًا ما نزع بلح البحر من الجدار البحري أو البرنقيل من قاع القارب ، فستفهم أنه يمكننا تعلم الكثير من الطبيعة حول كيفية صنع مواد لاصقة قوية. لاحظ المهندسون في جامعة تافتس ذلك ، ويبلغون اليوم عن نوع جديد من الغراء مستوحى من تلك المخلوقات الملتصقة بعناد في المجلة. العلوم المتقدمة.

بدءًا من بروتين الحرير الليفي الذي يتم حصاده من ديدان القز ، تمكنوا من تكرار السمات الرئيسية لغراء البرنقيل وبلح البحر ، بما في ذلك خيوط البروتين والترابط الكيميائي والترابط الحديدي. والنتيجة هي غراء قوي غير سام يتماسك ويعمل بشكل جيد تحت الماء كما هو الحال في الظروف الجافة وهو أقوى من معظم منتجات الغراء الاصطناعية الموجودة الآن في السوق.

قال Fiorenzo Omenetto ، أستاذ الهندسة في Frank C. Doble في كلية Tufts للهندسة ، ومدير Tufts Silklab: "لا يعمل المركب الذي صنعناه تحت الماء بشكل أفضل من معظم المواد اللاصقة المتوفرة حاليًا فحسب ، بل إنه يحقق هذه القوة بكميات أقل بكثير من المواد". مكان إنشاء المادة ، والمؤلف المقابل للدراسة. "ولأن المادة مصنوعة من مصادر بيولوجية مستخرجة ، والكيمياء حميدة - مستمدة من الطبيعة وتتجنب إلى حد كبير الخطوات الاصطناعية أو استخدام المذيبات المتطايرة - فقد يكون لها مزايا في التصنيع أيضًا."

ركز فريق سيلك لاب "طاقم الغراء" على عدة عناصر أساسية لتكرارها في المواد اللاصقة المائية. يفرز بلح البحر شعيرات طويلة لزجة تسمى بيسوس. تشكل هذه الإفرازات بوليمرات ، والتي تنضم إلى الأسطح ، وتتقاطع كيميائيًا لتقوية الرابطة. تتكون بوليمرات البروتين من سلاسل طويلة من الأحماض الأمينية بما في ذلك واحد ، ثنائي هيدروكسي فينيل ألانين (DOPA) ، وهو حمض أميني يحمل الكاتيكول ويمكنه الارتباط مع السلاسل الأخرى. يضيف بلح البحر مكونًا خاصًا آخر - مجمعات الحديد - التي تعزز قوة تماسك البسيسوس.

يفرز البرنقيل أسمنتًا قويًا مصنوعًا من البروتينات التي تتشكل في البوليمرات التي تثبت على الأسطح. تقوم البروتينات الموجودة في بوليمرات أسمنت البرنقيل بطي سلاسل الأحماض الأمينية الخاصة بها في صفائح بيتا - ترتيب متعرج يقدم أسطحًا مستوية وفرصًا كثيرة لتكوين روابط هيدروجينية قوية بالبروتين التالي في البوليمر ، أو على السطح الذي يوجد به البوليمر. الخيوط تعلق.

مستوحاة من كل حيل الترابط الجزيئي هذه التي تستخدمها الطبيعة ، شرع فريق Omenetto في العمل على تكرارها ، والاستفادة من خبرتهم في كيمياء بروتين الفيبروين الحريري المستخرج من شرنقة دودة القز. يشترك الحرير الفيبرويني في العديد من خصائص الشكل والترابط لبروتينات أسمنت البرنقيل ، بما في ذلك القدرة على تجميع أسطح صفائح بيتا الكبيرة. أضاف الباحثون بوليدوبامين - بوليمر عشوائي من الدوبامين يقدم الكاتيكول المتشابك على طوله ، مثل بلح البحر الذي يستخدمه لربط خيوط الترابط. أخيرًا ، يتم تعزيز قوة الالتصاق بشكل كبير عن طريق معالجة المادة اللاصقة بكلوريد الحديد ، والتي تؤمن الروابط عبر الكاتيكول ، تمامًا كما تفعل في المواد اللاصقة بلح البحر الطبيعي.

قال ماركو لو بريستي ، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر Omenetto والمؤلف الأول للدراسة: "إن الجمع بين الحرير الفيبروين والبوليدوبامين والحديد يجمع معًا نفس التسلسل الهرمي للترابط والترابط المتبادل الذي يجعل هذه المواد اللاصقة من البرنقيل وبلح البحر قوية جدًا". . "انتهى بنا الأمر باستخدام مادة لاصقة تشبه نظيرتها الطبيعية تحت المجهر."

كان الحصول على المزيج الصحيح من الحرير الفبروين والبوليدوبامين والظروف الحمضية للمعالجة بأيونات الحديد أمرًا بالغ الأهمية لتمكين المادة اللاصقة من الاستقرار والعمل تحت الماء ، والوصول إلى قوة 2.4 ميجا باسكال (حوالي 350 رطلاً لكل بوصة مربعة) عند مقاومة قوى القص. هذا أفضل من معظم المواد اللاصقة التجريبية والتجارية الموجودة ، وفقط أقل قليلاً من أقوى مادة لاصقة تحت الماء عند 2.8 ميجا باسكال. ومع ذلك ، تتمتع هذه المادة اللاصقة بميزة إضافية تتمثل في كونها غير سامة ، وتتكون من مواد طبيعية بالكامل ، وتتطلب فقط 1-2 ملجم لكل بوصة مربعة لتحقيق تلك الرابطة - وهذا مجرد بضع قطرات.

قال البروفيسور جيانلوكا فارينولا ، أحد المتعاونين على الدراسة من جامعة باري ألدو مورو ، وأستاذ مساعد في الهندسة الطبية الحيوية في جامعة تافتس. وأضاف أومينيتو: "حقيقة أننا استخدمنا بالفعل مادة الفيبروين الحريرية كمواد متوافقة حيوياً للاستخدام الطبي تقودنا إلى استكشاف هذه التطبيقات أيضًا".


الملخص

لطالما كانت الدراسات في الرؤية البيولوجية مصدر إلهام كبير لتصميم خوارزميات الرؤية الحاسوبية. في الماضي ، تم تصميم العديد من الأساليب الناجحة بدرجات متفاوتة من التوافق مع دراسات الرؤية البيولوجية ، بدءًا من الإلهام الوظيفي البحت إلى الأساليب التي تستخدم النماذج التي تم تطويرها في المقام الأول لشرح الملاحظات البيولوجية. على الرغم من أنه يبدو من المسلم به جيدًا أن النماذج الحسابية للرؤية البيولوجية يمكن أن تساعد في تصميم خوارزميات رؤية الكمبيوتر ، إلا أنه تمرين غير تافه للباحث في رؤية الكمبيوتر لاستخراج المعلومات ذات الصلة من أدبيات الرؤية البيولوجية حيث يتم تنظيم عدد قليل جدًا من الدراسات في علم الأحياء في مستوى المهمة. نهدف في هذه الورقة إلى سد هذه الفجوة من خلال توفير عرض تقديمي يركز على رؤية الكمبيوتر للنماذج التي تنشأ أساسًا في دراسات الرؤية البيولوجية. لا نعيد النظر فقط في بعض السمات الرئيسية للرؤية البيولوجية ونناقش أسس الدراسات الحسابية الحالية لنمذجة الرؤية البيولوجية ، ولكننا أيضًا نعتبر ثلاث مهام رؤية حاسوبية كلاسيكية من منظور بيولوجي: استشعار الصورة والتجزئة والتدفق البصري. باستخدام هذا النهج المتمحور حول المهمة ، نناقش المبادئ الوظيفية البيولوجية المعروفة جيدًا ونقارنها مع الأساليب التي تتبعها رؤية الكمبيوتر. بناءً على هذا التحليل المقارن للرؤية الحاسوبية والبيولوجية ، نقدم بعض النماذج الحديثة في الرؤية البيولوجية ونسلط الضوء على بعض النماذج التي نعتقد أنها واعدة للتحقيقات المستقبلية في رؤية الكمبيوتر. إلى هذا الحد ، تقدم هذه الورقة رؤى جديدة ونقطة انطلاق للباحثين المهتمين بتصميم خوارزميات الرؤية الحاسوبية القائمة على البيولوجيا وتمهيد الطريق للتفاعل الذي تشتد الحاجة إليه بين المجتمعين مما يؤدي إلى تطوير نماذج تآزرية للرؤية الاصطناعية والبيولوجية .


تمويل أوروبي بقيمة الملايين لعالم الكمبيوتر في بيليفيلد

صورة: تتلقى الأستاذة الدكتورة باربرا هامر وزملاؤها الأوروبيون الثلاثة منحة ERC Synergy Grant المرموقة ، والتي تشمل 10 ملايين يورو لتمويل الأبحاث. الصورة: جامعة بيليفيلد / إس. Jonek عرض المزيد

حقوق الصورة: Bielefeld University / S. جونك

تأمين إمدادات مياه الشرب في مواجهة النمو الحضري: سيقوم الدكتور باربرا هامر ، أستاذ علوم الكمبيوتر من جامعة بيليفيلد ، وثلاثة علماء أوروبيين آخرين باستكشاف تقنيات جديدة لهذا الغرض. يدعم مجلس البحوث الأوروبي (ERC) العلماء الأربعة في مشروعهم Water-Futures من خلال منحة Synergy - إحدى المنح البحثية الأكثر شهرة في الاتحاد الأوروبي. على مدى السنوات الست المقبلة ، سيحصل الباحثون الأربعة على ما مجموعه 10 ملايين يورو ، 2.4 مليون يورو منها ستذهب إلى جامعة بيليفيلد.

بالإضافة إلى باربرا هامر ، يضم اتحاد الأبحاث الدكتور ماريوس بوليكاربو ، أستاذ علوم الكمبيوتر من جامعة قبرص ، والدكتورة فيبي كوندوري ، أستاذة الاقتصاد من الجامعة اليونانية للاقتصاد في أثينا ، والدكتور دراغان سافيتش ، أستاذ علوم الكمبيوتر من جامعة قبرص. معهد أبحاث المياه الهولندي KWR.

لقد نجحت باربرا هامر وزملاؤها الأكاديميون الثلاثة في المنافسة القوية مع اقتراح مشروعهم. هذا نجاح مثير للإعجاب وأتقدم بأصدق التهاني لباربرا هامر ، 'كما يقول الأستاذ الدكتور-إنغ. غيرهارد صقرر ، رئيس جامعة بيليفيلد.يُظهر هذا الإنجاز أن باربرا هامر تعد من بين الأكاديميين البارزين دوليًا في مجالها البحثي والتعلم الآلي. جنبا إلى جنب مع ماريوس بوليكاربو ، فيبي كوندوري ودراجان سافيتش ، تركز على موضوع ذو أهمية حيوية للحياة في مدننا. أنا متأكد من أنه من خلال استكمال نقاط القوة لدى بعضهم البعض ، سيحقق الباحثون الأربعة رؤى وحلول بعيدة المدى في مجال إمدادات مياه الشرب.

تأمين البنية التحتية للمياه بذكاء اصطناعي يمكن التحكم فيه

العنوان الكامل للمشروع الذي تموله منحة التآزر هو "مستقبل المياه الذكية: تصميم الجيل القادم من أنظمة مياه الشرب الحضرية". سيستمر التمويل لمدة ست سنوات اعتبارًا من منتصف عام 2021. يستكشف الأعضاء الأربعة في الكونسورتيوم كيف يمكن تأمين إمدادات مياه الشرب في المدن بشكل موثوق به على الرغم من زيادة الطلب على المياه ويقومون بتطوير طرق تكنولوجية جديدة لهذا الغرض. تقول باربرا هامر: "إن إمدادات مياه الشرب هي بنية تحتية مهمة يعتمد عليها رفاهية سكان المدينة". أنظمة تنقية وتوزيع المياه شبكات معقدة. مع مشروعنا ، نريد التأكد من أنها تعمل بسلاسة - على المدى القصير والطويل. قد تتأثر العملية قصيرة المدى بأحداث مثل جائحة Covid-19 الحالي. إنه يؤدي إلى استخدام المزيد من المياه خلال النهار في المنازل حيث يعمل الناس من المنزل وأقل في الأعمال التجارية. يعتمد التخطيط طويل الأجل للبنية التحتية للمياه ، على سبيل المثال ، على كيفية تطور عدد السكان في المدينة ، ويتأثر أيضًا بتغير المناخ - على سبيل المثال ، إذا حدث الجفاف في الصيف بشكل متكرر ، كما في السنوات السابقة.

في هذا المشروع ، تعمل باربرا هامر ومجموعتها البحثية على التعلم الآلي التوضيحي للبيانات المكانية والزمانية. يقول عالم الكمبيوتر: "نحن نطور طرقًا لتكنولوجيا يمكن التحكم فيها وتوجيهها لمستخدميها". "يجب أن تكون قرارات الأنظمة التكنولوجية مفهومة". لتحقيق ذلك ، يجب أن تكون الأنظمة قادرة على شرح النماذج والحسابات التي تستند إليها توقعاتها - على عكس عملية التعلم الآلي المعتادة. "على سبيل المثال ، لا يتعين على مشغلي محطات المياه الاعتماد بشكل أعمى على المعلومات التي يوفرها الكمبيوتر ، ولكن يمكنهم اتخاذ قراراتهم الخاصة بفضل المعلومات الإضافية المقدمة."

يجب أن تساعد الأساليب الجديدة التي طورتها مجموعة العمل الخاصة بشركة Hammer في المستقبل على اكتشاف أي عوامل وحالات تشكل ضغطًا على نظام مياه الشرب. عندها فقط سيكون من الممكن تعديل إمدادات مياه الشرب لتلبية الطلب المتغير على المدى الطويل. يتم استخدام عدد كبير من أجهزة الاستشعار في شبكات مياه الشرب ، على سبيل المثال للكشف عن التلوث الجرثومي أو تسرب الأنابيب. تقول باربرا هامر: "لذلك نحن نعمل أيضًا على خوارزميات تحسب المواقف غير المعروفة سابقًا وربما الحرجة من البيانات التي تم الحصول عليها". كما يجب أن تمكّن التكنولوجيا الجديدة المشغلين من تحديد مدى تأثير الاستراتيجيات المختلفة ، مثل سياسات التسعير ، على سلوك العملاء مسبقًا.

أكاديمي في جامعة بيليفيلد منذ عام 2010

باربرا هامر تخرجت في الرياضيات في جامعة أوسنابر # 252ck. واصلت لتلقي الدكتوراه في علوم الكمبيوتر (بامتياز) ، وبالمثل في جامعة أوسنابر # 252ck ، حيث أكملت تأهيلها لاحقًا. في عام 2004 ، حصلت على درجة الأستاذية في جامعة كلاوستال للتكنولوجيا. في عام 2010 ، قبلت موعدًا في جامعة بيليفيلد. وهي أستاذة في التعلم الآلي وترأس المجموعة البحثية في هذا المجال في كلية التكنولوجيا. باربرا هامر هي رئيسة مجموعة بيانات التدريب البحثي NInJA على مستوى NRW ، والتي تبحث في كيفية تبسيط العمليات المعقدة في الحياة الخاصة والمهنية باستخدام الذكاء الاصطناعي. تجري بحثًا في معهد الذكاء الاصطناعي المشترك الجديد (JAII) في جامعتي بيليفيلد وبادربورن. وهي أيضًا عضو في معهد CITEC بجامعة بيليفيلد ، الذي يبحث في تكنولوجيا التفاعل المعرفي ، و CoR-Lab ، وهو معهد أبحاث الإدراك والروبوتات في جامعة بيليفيلد.

منحة ERC Synergy

يمنح مجلس البحوث الأوروبي (ERC) منحة التآزر لمجموعة من اثنين إلى أربعة باحثين شباب ممتازين أو باحثين نشطين مع إنجازات أكاديمية بارزة. تمول المنحة عمومًا أبحاثهم بما يصل إلى 10 ملايين يورو على مدى ست سنوات. يجب أن يكون تنفيذ المشاريع ممكناً فقط من خلال التعاون بين الباحثين المتقدمين. يجب أن تؤدي المشاريع إلى اكتشافات في الواجهات بين التخصصات الراسخة وإلى تقدم كبير في حدود المعرفة. إنهم يتفوقون من خلال الأساليب والتقنيات الجديدة أو حتى من خلال اتباع نهج غير عادية. وبلغ معدل نجاح المكالمة الحالية 8 بالمائة. تقول باربرا هامر: "حقيقة أننا نجحنا على الرغم من المنافسة القوية على التمويل ترجع أيضًا إلى الدعم الممتاز من قسم إدارة البحوث ونقل التكنولوجيا (FFT) هنا في جامعة بيليفيلد".

موقع الويب الخاص بمجموعة أبحاث باربرا هامر "التعلم الآلي":
https: / / www. cit-ec. de / en / tcs

تنصل: AAAS و EurekAlert! ليست مسؤولة عن دقة النشرات الإخبارية المرسلة على EurekAlert! من خلال المؤسسات المساهمة أو لاستخدام أي معلومات من خلال نظام EurekAlert.


محتويات

في تعريفها الأكثر شمولاً ، يمكن اعتبار الكيمياء الحيوية بمثابة دراسة لمكونات وتكوين الكائنات الحية وكيف تتحد معًا لتصبح حياة. بهذا المعنى ، قد يعود تاريخ الكيمياء الحيوية إلى تاريخ الإغريق القدماء. [10] ومع ذلك ، بدأت الكيمياء الحيوية كتخصص علمي محدد في وقت ما في القرن التاسع عشر ، أو قبل ذلك بقليل ، اعتمادًا على جانب الكيمياء الحيوية الذي يتم التركيز عليه. جادل البعض بأن بداية الكيمياء الحيوية ربما كانت اكتشاف أول إنزيم ، دياستاز (يسمى الآن الأميليز) ، في عام 1833 بواسطة أنسيلم باين ، [11] بينما اعتبر البعض الآخر أول عرض لإدوارد بوكنر لعملية كيميائية حيوية معقدة تخمر كحولي في الخلية- مقتطفات مجانية عام 1897 لتكون ولادة الكيمياء الحيوية. [12] [13] [14] قد يشير البعض أيضًا كبداية إلى العمل المؤثر لعام 1842 لجوستوس فون ليبيج ، الكيمياء الحيوانية ، أو الكيمياء العضوية في تطبيقاتها في علم وظائف الأعضاء وعلم الأمراض، التي قدمت نظرية كيميائية في التمثيل الغذائي ، [10] أو حتى قبل ذلك من القرن الثامن عشر لدراسات عن التخمير والتنفس بواسطة أنطوان لافوازييه. [15] [16] تم الإعلان عن العديد من الرواد الآخرين في هذا المجال الذين ساعدوا في الكشف عن طبقات التعقيد في الكيمياء الحيوية ، بأنهم مؤسسو الكيمياء الحيوية الحديثة. يمثل إميل فيشر ، الذي درس كيمياء البروتينات ، [17] و F. Gowland Hopkins ، الذي درس الإنزيمات والطبيعة الديناميكية للكيمياء الحيوية ، مثالين لعلماء الكيمياء الحيوية الأوائل. [18]

مصطلح "الكيمياء الحيوية" نفسه مشتق من مزيج من علم الأحياء والكيمياء. في عام 1877 ، استخدم فيليكس هوبي سيلر مصطلح (الكيمياء الحيوية باللغة الألمانية) كمرادف للكيمياء الفسيولوجية في مقدمة العدد الأول من Zeitschrift für Physiologische Chemie (مجلة الكيمياء الفسيولوجية) حيث دعا إلى إنشاء معاهد مخصصة لهذا المجال من الدراسة. [19] [20] ومع ذلك ، غالبًا ما يُستشهد بالكيميائي الألماني كارل نيوبيرج بأنه صاغ الكلمة في عام 1903 ، [21] [22] [23] بينما نسبها البعض إلى فرانز هوفمايستر. [24]

كان يُعتقد عمومًا أن الحياة وموادها لها بعض الخصائص أو المواد الأساسية (يشار إليها غالبًا باسم "المبدأ الحيوي") تختلف عن أي مادة موجودة في المادة غير الحية ، وكان يُعتقد أن الكائنات الحية فقط هي التي يمكنها إنتاج جزيئات الحياة. [26] في عام 1828 ، نشر فريدريك فولر ورقة بحثية عن تخليق اليوريا الصدفي من سيانات البوتاسيوم وكبريتات الأمونيوم ، اعتبر البعض ذلك بمثابة قلب مباشر للحيوية وتأسيس الكيمياء العضوية. [27] [28] ومع ذلك ، أثار توليف فولر الجدل حيث رفض البعض موت الحيوية على يديه. [29] منذ ذلك الحين ، تقدمت الكيمياء الحيوية ، خاصة منذ منتصف القرن العشرين ، مع تطوير تقنيات جديدة مثل اللوني ، حيود الأشعة السينية ، قياس التداخل ثنائي الاستقطاب ، التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ، وضع العلامات بالنظائر المشعة ، المجهر الإلكتروني ومحاكاة الديناميات الجزيئية. سمحت هذه التقنيات باكتشاف وتحليل مفصل للعديد من الجزيئات والمسارات الأيضية للخلية ، مثل تحلل السكر ودورة كريبس (دورة حمض الستريك) ، وأدت إلى فهم الكيمياء الحيوية على المستوى الجزيئي.

حدث تاريخي مهم آخر في الكيمياء الحيوية هو اكتشاف الجين ودوره في نقل المعلومات في الخلية. في الخمسينيات من القرن الماضي ، لعب جيمس واتسون وفرانسيس كريك وروزاليند فرانكلين وموريس ويلكنز دورًا فعالًا في حل بنية الحمض النووي واقتراح علاقتها بالنقل الجيني للمعلومات. [30] في عام 1958 ، حصل كل من جورج بيدل وإدوارد تاتوم على جائزة نوبل لعملهما في الفطريات وأظهروا أن جينًا واحدًا ينتج إنزيمًا واحدًا. [31] في عام 1988 ، كان كولين بيتشفورك أول شخص يُدان بجريمة القتل باستخدام أدلة الحمض النووي ، مما أدى إلى نمو علم الطب الشرعي. [32] وفي الآونة الأخيرة ، حصل Andrew Z. Fire و Craig C. Mello على جائزة نوبل لعام 2006 لاكتشافهما دور تداخل الحمض النووي الريبي (RNAi) ، في إسكات التعبير الجيني. [33]

حوالي عشرين عنصرًا كيميائيًا ضرورية لأنواع مختلفة من الحياة البيولوجية. لا تحتاج الحياة إلى معظم العناصر النادرة على الأرض (باستثناء السيلينيوم واليود) ، [34] بينما لا يتم استخدام بعض العناصر الشائعة (الألمنيوم والتيتانيوم). تشترك معظم الكائنات الحية في احتياجات العناصر ، ولكن هناك بعض الاختلافات بين النباتات والحيوانات. على سبيل المثال ، تستخدم طحالب المحيط البروم ، لكن يبدو أن النباتات والحيوانات البرية لا تحتاج إلى أي منها. تحتاج جميع الحيوانات إلى الصوديوم ، لكن بعض النباتات لا تتطلب ذلك. تحتاج النباتات إلى البورون والسيليكون ، لكن الحيوانات قد لا تحتاج (أو قد تحتاج إلى كميات صغيرة جدًا).

تشكل ستة عناصر فقط - الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والكالسيوم والفوسفور - ما يقرب من 99٪ من كتلة الخلايا الحية ، بما في ذلك تلك الموجودة في جسم الإنسان (انظر تكوين جسم الإنسان للحصول على قائمة كاملة). بالإضافة إلى العناصر الستة الرئيسية التي يتكون منها معظم جسم الإنسان ، يحتاج البشر إلى كميات أصغر ربما تبلغ 18 عنصرًا إضافيًا. [35]

الفئات الأربع الرئيسية للجزيئات في الكيمياء الحيوية (تسمى غالبًا الجزيئات الحيوية) هي الكربوهيدرات والدهون والبروتينات والأحماض النووية. [36] العديد من الجزيئات البيولوجية عبارة عن بوليمرات: في هذا المصطلح ، المونومرات عبارة عن جزيئات ضخمة صغيرة نسبيًا مرتبطة ببعضها البعض لتكوين جزيئات كبيرة تعرف بالبوليمرات. عندما يتم ربط المونومرات معًا لتكوين بوليمر بيولوجي ، فإنها تخضع لعملية تسمى تخليق الجفاف. يمكن أن تتجمع الجزيئات الكبيرة المختلفة في مجمعات أكبر ، وغالبًا ما تكون مطلوبة للنشاط البيولوجي.

تحرير الكربوهيدرات

اثنان من الوظائف الرئيسية للكربوهيدرات هي تخزين الطاقة وتوفير الهيكل. تعتبر الكربوهيدرات من السكريات الشائعة المعروفة باسم الجلوكوز ، ولكن ليست كل الكربوهيدرات سكريات. يوجد عدد أكبر من الكربوهيدرات على الأرض أكثر من أي نوع آخر معروف من الجزيئات الحيوية ، حيث يتم استخدامها لتخزين الطاقة والمعلومات الجينية ، فضلاً عن لعب أدوار مهمة في التفاعلات والاتصالات بين الخلايا.

أبسط أنواع الكربوهيدرات هو أحادي السكاريد ، والذي يحتوي من بين خصائص أخرى على الكربون والهيدروجين والأكسجين ، في الغالب بنسبة 1: 2: 1 (الصيغة العامة Cنح2نان، أين ن 3 على الأقل). الجلوكوز (سي6ح12ا6) هي واحدة من أهم الكربوهيدرات الأخرى وتشمل الفركتوز (سي6ح12ا6) ، السكر المرتبط عادةً بالطعم الحلو للفواكه ، [37] [أ] و deoxyribose (C5ح10ا4) ، أحد مكونات الحمض النووي. يمكن أن ينتقل السكاريد الأحادي بين الشكل غير الدوري (مفتوح السلسلة) والشكل الدوري. يمكن تحويل شكل السلسلة المفتوحة إلى حلقة من ذرات الكربون تسدها ذرة أكسجين مكونة من مجموعة كاربونيل من طرف ومجموعة الهيدروكسيل من طرف آخر. يحتوي الجزيء الدوري على مجموعة نصفية أو نصفية ، اعتمادًا على ما إذا كان الشكل الخطي عبارة عن ألدوز أو كيتوز. [38]

في هذه الأشكال الدورية ، عادة ما يكون للحلقة 5 أو 6 ذرات. هذه الأشكال تسمى فورانوز وبايرانوز ، على التوالي - عن طريق القياس مع فوران وبايران ، أبسط المركبات التي لها نفس حلقة الكربون والأكسجين (على الرغم من أنها تفتقر إلى روابط الكربون والكربون المزدوجة لهذين الجزيئين). على سبيل المثال ، قد يشكل جلوكوز ألدوهكسوز ارتباطًا نصفيًا بين الهيدروكسيل على الكربون 1 والأكسجين الموجود على الكربون 4 ، مما ينتج عنه جزيء بحلقة مكونة من 5 أعضاء ، تسمى جلوكوفورانوز. يمكن أن يحدث نفس التفاعل بين الكربونات 1 و 5 لتكوين جزيء بحلقة مكونة من 6 ذرات ، تسمى جلوكوبيرانوز. نادرًا ما تكون الأشكال الحلقية ذات الحلقة المكونة من 7 ذرات تسمى heptoses.

يمكن ربط اثنين من السكريات الأحادية معًا بواسطة رابطة جليكوسيدية أو إيثرية في a سكر ثنائي من خلال تفاعل الجفاف الذي يتم خلاله إطلاق جزيء من الماء. يُطلق على التفاعل العكسي الذي يتم فيه تكسير الرابطة الجليكوسيدية لثنائي السكاريد إلى اثنين من السكريات الأحادية التحلل المائي. السكاريد الأكثر شهرة هو السكروز أو السكر العادي ، والذي يتكون من جزيء الجلوكوز وجزيء الفركتوز معًا. ثنائي السكاريد المهم الآخر هو اللاكتوز الموجود في الحليب ، ويتكون من جزيء الجلوكوز وجزيء الجالاكتوز. قد يتحلل اللاكتوز بالماء عن طريق اللاكتاز ، ويؤدي نقص هذا الإنزيم إلى عدم تحمل اللاكتوز.

عندما يتم ربط عدد قليل (حوالي ثلاثة إلى ستة) السكريات الأحادية ، يطلق عليه قليل السكاريد (قلة- تعني "قليل"). تميل هذه الجزيئات إلى استخدامها كعلامات وإشارات ، بالإضافة إلى استخدامات أخرى. [39] العديد من السكريات الأحادية المرتبطة معًا تشكل عديد السكاريد. يمكن ضمها معًا في سلسلة خطية واحدة طويلة ، أو قد تكون متفرعة. اثنان من السكريات الأكثر شيوعًا هما السليلوز والجليكوجين ، وكلاهما يتكون من مونومرات جلوكوز متكررة. السليلوز هو عنصر هيكلي مهم لجدران الخلايا النباتية و الجليكوجين يستخدم كشكل من أشكال تخزين الطاقة في الحيوانات.

يمكن وصف السكر بأن له نهايات مختزلة أو غير مختزلة. النهاية المختزلة للكربوهيدرات هي ذرة كربون يمكن أن تكون في حالة توازن مع ألدهيد سلسلة مفتوحة (ألدوز) أو كيتو (كيتوز). إذا حدث انضمام المونومرات عند ذرة كربون كهذه ، فإن مجموعة الهيدروكسي الحرة من شكل بيرانوز أو فورانوز يتم تبادلها مع سلسلة جانبية OH لسكر آخر ، مما ينتج عنه أسيتال كامل. هذا يمنع فتح السلسلة على شكل الألدهيد أو كيتو ويجعل البقايا المعدلة غير مختزلة. يحتوي اللاكتوز على نهاية مختزلة في جزء الجلوكوز ، بينما يشكل جزء الجالاكتوز أسيتال كامل مع مجموعة الجلوكوز C4-OH. لا يحتوي السكروز على نهاية مختزلة بسبب تكوين الأسيتال الكامل بين كربون ألدهيد الجلوكوز (C1) وكربون كيتو من الفركتوز (C2).

تحرير الدهون

الدهون تشتمل على مجموعة متنوعة من الجزيئات وإلى حد ما عبارة عن جامع للمركبات غير القابلة للذوبان في الماء نسبيًا أو غير القطبية من أصل بيولوجي ، بما في ذلك الشموع والأحماض الدهنية والفوسفوليبيدات المشتقة من الأحماض الدهنية والسفينجوليبيدات والجليكوليبيدات والتربينويدات (على سبيل المثال ، الريتينويد والمنشطات) . بعض الدهون عبارة عن جزيئات أليفاتية خطية ذات سلسلة مفتوحة ، في حين أن البعض الآخر له هياكل حلقية. بعضها عطري (له هيكل [حلقة] دائري ومستوٍ [مسطح]) بينما البعض الآخر ليس كذلك. بعضها مرن والبعض الآخر جامد.

تصنع الدهون عادة من جزيء واحد من الجلسرين مع جزيئات أخرى. في الدهون الثلاثية ، المجموعة الرئيسية للدهون السائبة ، يوجد جزيء واحد من الجلسرين وثلاثة أحماض دهنية. تعتبر الأحماض الدهنية المونومر في هذه الحالة ، وقد تكون مشبعة (لا توجد روابط مزدوجة في سلسلة الكربون) أو غير مشبعة (واحدة أو أكثر من الروابط المزدوجة في سلسلة الكربون).

معظم الدهون لها بعض السمات القطبية بالإضافة إلى كونها غير قطبية إلى حد كبير. بشكل عام ، الجزء الأكبر من هيكلها غير قطبي أو كاره للماء ("يخشى الماء") ، مما يعني أنه لا يتفاعل بشكل جيد مع المذيبات القطبية مثل الماء. جزء آخر من بنيتها هو قطبي أو ماء ("محب للماء") وسوف يميل إلى الارتباط بالمذيبات القطبية مثل الماء. وهذا يجعلها جزيئات برمائية (تحتوي على أجزاء كارهة للماء ومحبة للماء). في حالة الكوليسترول ، تكون المجموعة القطبية مجرد –OH (هيدروكسيل أو كحول). في حالة الدهون الفوسفورية ، تكون المجموعات القطبية أكبر بكثير وأكثر قطبية ، كما هو موضح أدناه.

الدهون جزء لا يتجزأ من نظامنا الغذائي اليومي. تتكون معظم الزيوت ومنتجات الألبان التي نستخدمها في الطهي وتناول الطعام مثل الزبدة والجبن والسمن وما إلى ذلك من الدهون. الزيوت النباتية غنية بمختلف الأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة (PUFA). تخضع الأطعمة المحتوية على دهون للهضم داخل الجسم وتتحول إلى أحماض دهنية وغليسيرول ، وهي منتجات التحلل النهائية للدهون والدهون. تُستخدم الدهون ، وخاصة الدهون الفوسفاتية ، أيضًا في العديد من المنتجات الصيدلانية ، إما كمواد ذوبان مشتركة (على سبيل المثال ، في الحقن الوريدي) أو كمكونات حامل للأدوية (على سبيل المثال ، في الجسيم الشحمي أو النقل).

تحرير البروتينات

البروتينات عبارة عن جزيئات كبيرة جدًا - بوليمرات حيوية كبيرة - مصنوعة من مونومرات تسمى الأحماض الأمينية. يتكون الحمض الأميني من ذرة كربون ألفا مرتبطة بمجموعة أمينية ، –NH2، مجموعة حمض الكربوكسيل ، –COOH (على الرغم من وجودها كـ –NH3 + و –COO - في ظل الظروف الفسيولوجية) ، ذرة هيدروجين بسيطة ، وسلسلة جانبية يشار إليها عادةً بـ "–R". تختلف السلسلة الجانبية "R" لكل حمض أميني يوجد 20 منها معياريًا. هذه المجموعة "R" هي التي جعلت كل حمض أميني مختلفًا ، وخصائص السلاسل الجانبية تؤثر بشكل كبير على التشكل ثلاثي الأبعاد الكلي للبروتين. بعض الأحماض الأمينية لها وظائف من تلقاء نفسها أو في شكل معدل على سبيل المثال ، يعمل الغلوتامات كناقل عصبي مهم. يمكن ربط الأحماض الأمينية عبر رابطة الببتيد. في تركيب الجفاف هذا ، تتم إزالة جزيء الماء وتربط رابطة الببتيد النيتروجين الخاص بمجموعة أمينية من الأحماض الأمينية بكربون مجموعة الأحماض الكربوكسيلية الأخرى. يسمى الجزيء الناتج أ ثنائي الببتيد، وتسمى الامتدادات القصيرة من الأحماض الأمينية (عادة أقل من ثلاثين) الببتيدات أو عديد الببتيدات. الامتدادات الأطول تستحق العنوان البروتينات. على سبيل المثال ، يحتوي الألبومين بروتين مصل الدم المهم على 585 بقايا من الأحماض الأمينية. [42]

يمكن أن يكون للبروتينات أدوار هيكلية و / أو وظيفية. على سبيل المثال ، حركات البروتينات الأكتين والميوسين هي المسؤولة في النهاية عن تقلص العضلات الهيكلية. إحدى الخصائص التي تمتلكها العديد من البروتينات هي أنها ترتبط على وجه التحديد بجزيء أو فئة معينة من الجزيئات - قد تكون كذلك الى ابعد حد انتقائية في ما يرتبط بها. الأجسام المضادة هي مثال على البروتينات التي ترتبط بنوع معين من الجزيئات. تتكون الأجسام المضادة من سلاسل ثقيلة وخفيفة. سيتم ربط سلسلتين ثقيلتين بسلسلتين خفيفتين من خلال روابط ثاني كبريتيد بين أحماضهما الأمينية. تكون الأجسام المضادة محددة من خلال التباين بناءً على الاختلافات في المجال الطرفي N. [43]

يعتبر اختبار الامتصاص المناعي المرتبط بالإنزيم (ELISA) ، والذي يستخدم الأجسام المضادة ، أحد أكثر الاختبارات حساسية التي يستخدمها الطب الحديث للكشف عن الجزيئات الحيوية المختلفة. ومع ذلك ، ربما تكون أهم البروتينات هي الإنزيمات.يتطلب كل تفاعل في الخلية الحية تقريبًا إنزيمًا لخفض طاقة التنشيط للتفاعل. [12] تتعرف هذه الجزيئات على جزيئات متفاعلة معينة تسمى ركائز ثم يقومون بتحفيز التفاعل بينهم. من خلال خفض طاقة التنشيط ، يسرع الإنزيم ذلك التفاعل بمعدل 10 11 أو أكثر [12] ، وقد يستغرق التفاعل الذي يستغرق عادةً أكثر من 3000 سنة لإكماله تلقائيًا أقل من ثانية مع الإنزيم. لا يتم استخدام الإنزيم نفسه في العملية وهو حر في تحفيز نفس التفاعل باستخدام مجموعة جديدة من الركائز. باستخدام معدِّلات مختلفة ، يمكن تنظيم نشاط الإنزيم ، مما يتيح التحكم في الكيمياء الحيوية للخلية ككل. [12]

يتم وصف بنية البروتينات تقليديا في تسلسل هرمي من أربعة مستويات. يتكون التركيب الأساسي للبروتين من تسلسله الخطي للأحماض الأمينية على سبيل المثال ، "ألانين - جليسين - التربتوفان - سيرين - جلوتامات - أسباراجين - جلايسين - ليسين - ...". يتعلق الهيكل الثانوي بالمورفولوجيا المحلية (علم التشكل هو دراسة البنية). تميل بعض مجموعات الأحماض الأمينية إلى الالتفاف في ملف يسمى α-helix أو في ورقة تسمى ورقة β يمكن رؤية بعض الحلزونات α في مخطط الهيموجلوبين أعلاه. البنية الثلاثية هي الشكل ثلاثي الأبعاد الكامل للبروتين. يتم تحديد هذا الشكل من خلال تسلسل الأحماض الأمينية. في الواقع ، يمكن لتغيير واحد أن يغير الهيكل بأكمله. تحتوي سلسلة ألفا من الهيموغلوبين على 146 من بقايا الأحماض الأمينية ، ويؤدي استبدال بقايا الغلوتامات في الموضع 6 مع بقايا فالين إلى تغيير سلوك الهيموغلوبين لدرجة أنه يؤدي إلى مرض فقر الدم المنجلي. أخيرًا ، تهتم البنية الرباعية ببنية البروتين ذي الوحدات الفرعية الببتيدية المتعددة ، مثل الهيموجلوبين بوحداته الفرعية الأربع. لا تحتوي كل البروتينات على أكثر من وحدة فرعية واحدة. [44]

عادة ما يتم تفكيك البروتينات التي يتم تناولها إلى أحماض أمينية مفردة أو ثنائي الببتيدات في الأمعاء الدقيقة ثم يتم امتصاصها. يمكن بعد ذلك ضمها لتشكيل بروتينات جديدة. يمكن استخدام المنتجات الوسيطة لتحلل السكر ودورة حمض الستريك ومسار فوسفات البنتوز لتكوين جميع الأحماض الأمينية العشرين ، وتمتلك معظم البكتيريا والنباتات جميع الإنزيمات اللازمة لتركيبها. ومع ذلك ، يمكن للإنسان والثدييات الأخرى تصنيع نصفهم فقط. لا يمكنهم تصنيع إيسولوسين ، ليسين ، ليسين ، ميثيونين ، فينيل ألانين ، ثريونين ، تريبتوفان ، وفالين. نظرًا لأنه يجب تناولها ، فهذه هي الأحماض الأمينية الأساسية. تمتلك الثدييات الإنزيمات لتخليق الألانين ، الأسباراجين ، الأسبارتات ، السيستين ، الجلوتامات ، الجلوتامين ، الجلايسين ، البرولين ، السيرين ، والتيروزين ، الأحماض الأمينية غير الأساسية. في حين أنهم يستطيعون تصنيع الأرجينين والهيستيدين ، إلا أنهم لا يستطيعون إنتاجه بكميات كافية للحيوانات الصغيرة النامية ، ولذلك غالبًا ما تعتبر هذه الأحماض الأمينية الأساسية.

إذا تمت إزالة المجموعة الأمينية من حمض أميني ، فإنها تترك وراءها هيكلًا كربونيًا يسمى حمض ألفا كيتو. يمكن للإنزيمات التي تسمى الترانسامينازات نقل المجموعة الأمينية بسهولة من حمض أميني واحد (مما يجعلها حمض α-keto) إلى حمض α-keto آخر (مما يجعلها حمض أميني). هذا مهم في التخليق الحيوي للأحماض الأمينية ، كما هو الحال بالنسبة للعديد من المسارات ، يتم تحويل الوسائط الوسيطة من المسارات الكيميائية الحيوية الأخرى إلى هيكل عظمي لحمض α-keto ، ثم يتم إضافة مجموعة أمينية ، غالبًا عن طريق النقل. يمكن بعد ذلك ربط الأحماض الأمينية معًا لتشكيل بروتين.

يتم استخدام عملية مماثلة لتحطيم البروتينات. يتم تحللها أولاً في الأحماض الأمينية المكونة لها. الأمونيا الحرة (NH3) ، الموجودة في صورة أيون الأمونيوم (NH4 +) في الدم ، سامة لأشكال الحياة. لذلك يجب أن توجد طريقة مناسبة لإخراجها. تطورت تكتيكات مختلفة في حيوانات مختلفة ، اعتمادًا على احتياجات الحيوانات. تقوم الكائنات أحادية الخلية ببساطة بإطلاق الأمونيا في البيئة. وبالمثل ، يمكن للأسماك العظمية إطلاق الأمونيا في الماء حيث يتم تخفيفها بسرعة. بشكل عام ، تقوم الثدييات بتحويل الأمونيا إلى يوريا عبر دورة اليوريا.

من أجل تحديد ما إذا كان هناك بروتينان مرتبطان ، أو بعبارة أخرى لتحديد ما إذا كانا متماثلين أم لا ، يستخدم العلماء طرق مقارنة التسلسل. تعتبر طرق مثل محاذاة التسلسل والمحاذاة الهيكلية أدوات قوية تساعد العلماء على تحديد التماثلات بين الجزيئات ذات الصلة. تتجاوز أهمية إيجاد التماثلات بين البروتينات تشكيل نمط تطوري لعائلات البروتين. من خلال إيجاد مدى تشابه تسلسلين بروتينيين ، نكتسب معرفة حول هيكلهما وبالتالي وظيفتهما.

الأحماض النووية تحرير

الأحماض النووية ، ما يسمى بسبب انتشارها في النوى الخلوية ، هو الاسم العام لعائلة البوليمرات الحيوية. إنها جزيئات كيميائية حيوية معقدة وذات وزن جزيئي عالٍ يمكنها نقل المعلومات الجينية في جميع الخلايا الحية والفيروسات. [2] تسمى المونومرات بالنيوكليوتيدات ، ويتكون كل منها من ثلاثة مكونات: قاعدة نيتروجينية حلقية غير متجانسة (إما بورين أو بيريميدين) ، وسكر بنتوز ، ومجموعة فوسفات. [45]

الأحماض النووية الأكثر شيوعًا هي الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA). مجموعة الفوسفات والسكر لكل رابطة نيوكليوتيد مع بعضها البعض لتشكيل العمود الفقري للحمض النووي ، بينما يخزن تسلسل القواعد النيتروجينية المعلومات. القواعد النيتروجينية الأكثر شيوعًا هي الأدينين والسيتوزين والجوانين والثيمين واليوراسيل. ستشكل القواعد النيتروجينية لكل خيط من الحمض النووي روابط هيدروجينية مع بعض القواعد النيتروجينية الأخرى في خيط مكمل من الحمض النووي (يشبه السوستة). يرتبط الأدينين مع الثايمين واليوراسيل ، والثيمين يرتبط بالأدينين فقط ، والسيتوزين والجوانين لا يمكن أن يرتبطا إلا ببعضهما البعض. يحتوي Adenine و Thymine & amp Adenine و Uracil على اثنين من روابط الهيدروجين ، بينما يتكون عدد الروابط الهيدروجينية بين السيتوزين والجوانين من ثلاثة.

بصرف النظر عن المادة الوراثية للخلية ، غالبًا ما تلعب الأحماض النووية دورًا كمرسل ثانٍ ، فضلاً عن تكوين الجزيء الأساسي للأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، وهو الجزيء الأساسي الحامل للطاقة الموجود في جميع الكائنات الحية. أيضًا ، تختلف القواعد النيتروجينية الممكنة في الأحماض النووية: الأدينين والسيتوزين والجوانين يحدثان في كل من الحمض النووي الريبي والحمض النووي ، بينما يحدث الثايمين فقط في الحمض النووي ويحدث اليوراسيل في الحمض النووي الريبي.

تحرير الكربوهيدرات كمصدر للطاقة

الجلوكوز هو مصدر للطاقة في معظم أشكال الحياة. على سبيل المثال ، يتم تقسيم السكريات المتعددة إلى مونومراتها بواسطة الإنزيمات (يزيل فوسفوريلاز الجليكوجين بقايا الجلوكوز من الجليكوجين ، وهو عديد السكاريد). تنقسم السكريات الثنائية مثل اللاكتوز أو السكروز إلى مكونين من السكريات الأحادية المكونة.


كليات لـ 27 على ACT

ما الكليات التي يمكنني التقدم إليها بدرجة ACT 27؟

مع 27 في ACT ، تعد هذه الكليات مطابقة جيدة لدرجاتك

بالنظر إلى أحدث درجات ACT للطلبة الجدد المنشورة لجميع الكليات الأمريكية ، وجدنا 383 مدرسة حيث يؤدي تقديم 27 مع طلب الكلية الخاص بك إلى وضعك في نطاق متوسط ​​درجات ACT للطلاب المقبولين. إنهم يمثلون المدارس الأكثر شعبية حيث ستكون مقدم طلب تنافسي وتلك التي قبلت تاريخياً درجة 27 ACT. يمكنك عرض مدى وصولك إلى المدارس ومدارس السلامة باستخدام مرشح فرصة القبول. ضع في اعتبارك أن درجة ACT وحدها لن تسمح لك بالقبول. من المهم بنفس القدر أن يكون لديك المعدل التراكمي الذي تتوقعه الكلية للطلاب الوافدين.

هي 27 درجة ACT جيدة؟

نعم ، لديك الكثير من الفرص في مدارس جيدة جدًا بدرجة 27. إنها تضعك في أعلى 85 بالمائة على الصعيد الوطني من بين مليوني متقدم للاختبار في امتحان القبول ACT. تشير النتيجة إلى أنك قمت بعمل أعلى بكثير من المتوسط ​​بالإجابة على الأسئلة في أقسام اللغة الإنجليزية والرياضيات والقراءة والعلوم في الاختبار. إذا لم يكن الرقم 27 قوياً بما يكفي للدخول إلى مدرسة أحلامك ، ففكر في أخذ دورة الإعداد للاختبار لمعرفة ما إذا كان بإمكانك زيادة درجاتك.

ما هو اختبار SAT المكافئ لدرجة 27 ACT؟

لأغراض المقارنة ، يتم تحويل 27 في ACT إلى 1280 في SAT بناءً على توافق College Board / ACT. لا تُبلغ جميع الكليات عن بيانات قبول درجات SAT و ACT ، لذا يجب عليك التحقق من القوائم المقارنة لكل من الاختبارات الموحدة للعثور على مدارس متشابهة أكاديميًا.


نشرته الجمعية الملكية. كل الحقوق محفوظة.

مراجع

. 1997 التعلم الالي . بوسطن ، ماساتشوستس: سلسلة ماكجرو هيل في علوم الكمبيوتر. منحة جوجل

فياض يو ، بياتسكي-شابيرو جي ، سميث بي

. 1996 من التنقيب عن البيانات إلى اكتشاف المعرفة في قواعد البيانات. مجلة منظمة العفو الدولية 17، 37. ISI ، الباحث العلمي من Google

. 1952 وصف كمي لتيار الغشاء وتطبيقه على التوصيل والإثارة في العصب. J. Physiol. 117، من 500 إلى 544. (دوى: 10.1113 / jphysiol.1952.sp004764) كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

. 1996 من التنقيب عن البيانات إلى اكتشاف المعرفة: نظرة عامة. في التقدم في اكتشاف المعرفة واستخراج البيانات , المجلد. 21 (محرران

فياض أم ، بياتسكي-شابيرو جي ، سميث P.

) ، ص 1 - 34. مينلو بارك ، كاليفورنيا: AAAI Press. منحة جوجل

. 2014 توقع نجاح فغر البطين الثالث بالمنظار في استسقاء الطفولة: تحليل الشبكة العصبية الاصطناعية. J. Neurosurg. اخصائي اطفال. 13، ٤٢٦-٤٣٢. (دوى: 10.3171 / 2013.12.PEDS13423) كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

. 2012 حل المعادلات التفاضلية ثلاثية الأبعاد القائمة على الشبكة العصبية ذات العناصر المحدودة في MFL. IEEE Trans. مغناطيس. 48، 4747-4756. (دوى: 10.1109 / TMAG.2012.2207732) كروسريف ، ISI ، الباحث العلمي من Google

بيندر J ، كولر د ، راسل إس ، كانازاوا ك

. 1997 الشبكات الاحتمالية التكيفية ذات المتغيرات الخفية. ماخ. يتعلم. 29، 213 - 244. (دوى: 10.1023 / A: 1007421730016) كروسريف ، آي إس آي ، الباحث العلمي من Google


العولمة والأمن الحيوي ومستقبل علوم الحياة (2006)

تييقدم فصله نظرة عامة ومنظورًا حول اتساع وأنواع التقنيات التي قد يكون لها تأثير على مشروع علوم الحياة في المستقبل ، مع فهم أن هناك صعوبات متأصلة في توقع أو توقع كيفية أي من هذه التقنيات وحدها أو مجتمعة سيغير طبيعة التهديد المستقبلي & ldquolandscape. & rdquo

بدلاً من محاولة تغطية المشهد التكنولوجي بطريقة شاملة ، يسلط هذا الفصل (1) الضوء على التقنيات التي يحتمل أن يكون لها عواقب واضحة أو عالية التأثير على المدى القريب (2) يوضح المبادئ العامة التي يغير بها النمو التكنولوجي طبيعة التهديدات البيولوجية المستقبلية و ، (3) يسلط الضوء على كيفية ولماذا تكون بعض التقنيات مكملة أو متآزرة في تعزيز الدفاع ضد التهديدات المستقبلية مع تعزيز أو تغيير طبيعة التهديدات المستقبلية.

هناك تنوع هائل وتطور سريع للتقنيات ذات الصلة (أو التأثير على) مشروع علوم الحياة. قد يكون تأثيرها (آثارها) مفيدًا أو ضارًا اعتمادًا على كيفية تطبيق هذه الأدوات والتقنيات. قد يُنظر إلى البعض على أنه & ldquocoming خارج المجال الأيسر ، أي أن هذه التقنيات قد يكون لها تطبيقات مختلفة تمامًا عن تلك التي كانت مقصودة في الأصل ، أو قد يتم دمجها في تكوينات غير متوقعة وغير تقليدية. يعتبر الجمع بين تقنية النانو والتكنولوجيا الحيوية أحد الأمثلة على الجمع التآزري.

تخلق العديد من التقنيات التي تمت مناقشتها في هذا الفصل فرصًا جديدة للعلماء (وغيرهم) لاستكشاف جوانب التنوع البيولوجي والكيميائي التي لا يمكن الوصول إليها من خلال الآليات الطبيعية

أو العمليات. نظرًا للطبيعة غير المتوقعة للتغير التكنولوجي ، من الصعب إن لم يكن من المستحيل وصف ما سيبدو عليه المشهد التكنولوجي العالمي في غضون 5 إلى 10 سنوات بعبارات محددة ، سواء فيما يتعلق بظهور التقنيات ذات التطبيقات ذات الاستخدام المزدوج والجغرافيا العالمية من الاختراقات المستقبلية. نشأت اكتشافات وتطبيقات تكنولوجية جديدة وغير متوقعة في RNAi والبيولوجيا التركيبية حتى أثناء مداولات هذه اللجنة. إذا تم إعداد هذا التقرير ، بنفس التهمة ، حتى بعد عام أو عامين في المستقبل ، فمن المحتمل أن تكون العديد من التفاصيل الواردة في هذا الفصل مختلفة.

مخطط تصنيف للتقنيات البيولوجية

على الرغم من الأهداف المتباينة والمتناثرة على ما يبدو للتطورات الحديثة في تقنيات علوم الحياة ، خلصت اللجنة إلى أن هناك فئات أو فئات من التقدم تشترك في ميزات مهمة. تستند هذه الخصائص المشتركة إلى أغراض مشتركة ، وأسس مفاهيمية مشتركة ، ومنصات تمكين تقنية مشتركة. وبالتالي ، يتم تصنيف التقنيات الموضحة في هذا الفصل وفقًا لمخطط تصنيف وضعته اللجنة وتم تنظيمه حول أربع مجموعات:

اكتساب تنوع بيولوجي أو جزيئي جديد. هذه تقنيات مدفوعة بجهود لاكتساب أو تجميع تنوع بيولوجي أو جزيئي جديد ، أو نطاق أكبر من الخصوصية ، بحيث يمكن للمستخدم بعد ذلك اختيار ما هو مفيد من مجموعة التنوع الكبيرة المكتسبة حديثًا. الهدف هو إنشاء مجموعات من الجزيئات ذات اتساع تنوع أكبر مما هو موجود حتى الآن في الطبيعة ، وكذلك مع أنواع التنوع التي قد لا توجد في الطبيعة. تشمل أنواع الجزيئات التي يمكن تكوينها ، على سبيل المثال ، الإنزيمات ذات الأنشطة المحسنة أو المتغيرة ، وكذلك الجزيئات المكونة من & ldquounnatural & rdquo الأحماض الأمينية. تشمل التقنيات في هذه الفئة تلك المخصصة لتخليق الحمض النووي وتوليد التنوع الكيميائي الجديد (أي من خلال الكيمياء التوليفية) تلك التي تخلق جزيئات DNA جديدة (من الجينات إلى الجينومات) باستخدام التطور الجزيئي الموجه في المختبر (على سبيل المثال ، ldquoDNA shuffling & rdquo 1) وتلك تضخّم أو تجمع ببساطة تسلسلات غير معيّنة سابقًا (جينومات) مباشرة من الطبيعة (أي التنقيب البيولوجي). تتطلب كل هذه التقنيات خطوة اختيار لاحقة ، مثل الجزيئات أو المجمعات الجزيئية أو حتى الميكروبات ذات الخصائص المرغوبة يمكن تحديدها وعزلها عن مجموعة كبيرة ومتنوعة جدًا من الاحتمالات. لتحقيق هذه الغاية ، أصبح الفحص الجديد عالي الإنتاجية (بما في ذلك استخدام الروبوتات وأنظمة إدارة المعلومات المتقدمة) تقنيات تمكين بالغة الأهمية.

التصميم الموجه. هذه هي التقنيات التي تنطوي على جهود مدروسة لتوليد تنوع بيولوجي أو جزيئي جديد ولكن محدد سلفًا ومحددًا. يبدأ استخدام هذه التقنيات بفهم أكثر تحديدًا ووجودًا مسبقًا للمنتج النهائي المطلوب وخصائصه الجزيئية. ثم يقوم المرء بتوليف أو إعادة هندسة المنتج المطلوب أو مكوناته. تشمل الأمثلة ، على سبيل المثال لا الحصر ، التصميم العقلاني المدعوم بالهيكل لرباطات الجزيئات الصغيرة ، والهندسة الوراثية للفيروسات أو الميكروبات ، والمجال الناشئ لعلم الأحياء التركيبي. & rdquo

فهم ومعالجة النظم البيولوجية. هذه تقنيات مدفوعة بالجهود المبذولة لاكتساب فهم أكثر اكتمالاً للأنظمة البيولوجية المعقدة والقدرة على التعامل مع مثل هذه الأنظمة. تشمل الأمثلة & ldquosystems biology & rdquo إسكات الجينات (على سبيل المثال ، تداخل RNA) وتوليد تقنيات كواشف ملزمة (تقارب) جديدة تركز على البرامج التنموية (على سبيل المثال ، الخلايا الجذعية الجنينية) الجينوميات والطب الجيني ، ودراسة مُعدِّلات المعلومات الحيوية للأنظمة المتجانسة ، ونظرية الشبكة المتقدمة .

الإنتاج والتسليم و ldquopackaging. و rdquo هذه تقنيات مدفوعة بالجهود المبذولة في قطاعات الأدوية والزراعة والرعاية الصحية لتحسين القدرات لإنتاج أو إعادة هندسة أو تقديم منتجات بيولوجية أو مشتقة من علم الأحياء وتصغير هذه العمليات. ومن الأمثلة على ذلك استخدام النباتات المحورة جينيا كمنصات إنتاج ، وتكنولوجيا الهباء الجوي ، والكبسلة الدقيقة ، والموائع الدقيقة / التكنولوجيا النانوية التصنيعية الدقيقة ، وتكنولوجيا العلاج الجيني. [ترتبط بعض هذه التقنيات بالتلاعب بالنظم البيولوجية و mdashe.g. ، ويمكن أيضًا تطبيق تكنولوجيا النانو و mdashand على توليد (الفئة 1) أو التصميم (الفئة 2) للتنوع البيولوجي الجديد أو تحليل النظم البيولوجية المعقدة (الفئة 3 ).]

يخدم مخطط التصنيف عدة أغراض مهمة. هو - هي:

يسلط الضوء على القواسم المشتركة بين التقنيات ، وبذلك يلفت الانتباه إلى ميزات التمكين الهامة

يوفر نظرة ثاقبة على بعض الدوافع التقنية وراء التكنولوجيا المتعلقة بالبيولوجيا

يسهل التنبؤات حول التقنيات الناشئة في المستقبل و ،

يقدم نظرة ثاقبة على أساس أوجه التكامل أو التآزر بين التقنيات ، وعلى هذا النحو ، يسهل تحليل التفاعلات التي تؤدي إلى غايات مفيدة أو خبيثة محتملة.

تشمل قيود مخطط التصنيف حقيقة أنه يعتمد على عدد صغير نسبيًا من التقنيات ذات الصلة (على سبيل المثال ، اللجنة و rsquos

قد تكون قائمة التقنيات متحيزة وغير مكتملة حتماً) والإقرار بوجود العديد من الطرق لتصنيف هذه التقنيات. وانعكاسًا للمعضلة الأخيرة ، وجدت اللجنة أن بعض التقنيات التي تمت مناقشتها في هذا الفصل يمكن تصنيفها في أكثر من فئة واحدة. استرشد تخصيص الفئة في هذه الحالات بطبيعة التطبيقات المعينة التي تضعها اللجنة في الاعتبار عند النظر في كل من التقنيات ذات الصلة.

تعمل الأمثلة أدناه كمجموعة محدودة من التقنيات المستقبلية التي تمثل وتوضح كل فئة من الفئات الأربع. لكل مثال ، يتم تناول القضايا التالية: الغرض من التكنولوجيا ، وحالتها الحالية من الفن ، والتطبيقات المستقبلية. لا يُقصد من تغطية هذه القضايا لكل من التقنيات أن تكون شاملة. لا تشمل التقنيات التي تم تناولها في هذا الفصل فقط تلك التي تفتح إمكانيات جديدة لإنشاء عوامل بيولوجية جديدة أو محسّنة ولكن أيضًا تلك التي تكشف عن نقاط ضعف جديدة (أي أهداف هجوم بيولوجي). تقتصر التفاصيل على تلك اللازمة لتفسير واضح لمعقولية الاستخدام.

1. اكتساب التنوع البيولوجي الجديد أو الجزيئي

نظرًا للقدرة الواضحة لبعض الميكروبات والفيروسات على الأقل على التطور السريع ، واكتساب جينات جديدة ، وتغيير سلوكها ، فقد يبدو من المعقول أنه على مدى مئات الآلاف من السنين ، تم إنشاء جميع العوامل البيولوجية التي يمكن تصورها و rdquo و & ldquotested & rdquo وأن العوامل التي نراها اليوم هي الأكثر نجاحا و rdquo من هؤلاء. وبالتالي ، هل هناك أي سبب للاعتقاد أنه قد يكون من الممكن إنشاء عامل بيولوجي أكثر نجاحًا؟ ربما لا ، ولكن من المهم أن نفهم أن & ldquosuccessful & rdquo في هذا السياق تعني الأكثر قدرة على البقاء داخل أو بالقرب من البشر بمرور الوقت. & ldquo النجاح & rdquo لا يعني بالضرورة الفوعة أو الإمراضية ، والقدرة على التسبب في مرض أو إصابة.

أنواع التنوع البيولوجي الأساسي الموجودة في الطبيعة اليوم ، أو تلك التي من المحتمل أن تكون قد تطورت في العالم الطبيعي وتم اختبارها من أجل اللياقة البدنية بمرور الوقت ، ربما كانت (ولا تزال) محدودة بسبب بعض القيود الطبيعية ، بما في ذلك اللبنات الأساسية المتاحة و mdashnucleotides والأحماض الأمينية الآليات الطبيعية لتوليد التنوع الجيني ، وقوة وطبيعة الضغوط الانتقائية بمرور الوقت. كما لم يكن هناك ما يكفي من الوقت على مدار تاريخ الأرض لاستكشاف الطبيعة أكثر من جزء ضئيل من التنوع الممكن.2 التقنيات الموصوفة في هذا القسم هي تلك التي تسعى إلى إنشاء مجموعة أوسع وأعمق بكثير من الجزيئات البيولوجية المتنوعة ، والتي ربما لم يتم إنشاء العديد منها مطلقًا أو منحها فرصة عادلة للنجاح في الطبيعة (على الرغم من إمكانية تعريف النجاح بطرق مختلفة ). 3

تم تطوير تقنيات لتوسيع كل من تنوع تسلسل النيوكليوتيدات أو الأحماض الأمينية للأحماض النووية أو البروتينات ، على التوالي (والتي في كلتا الحالتين تحتوي في النهاية على المعلومات التي تحدد الطي وبالتالي تشكيل الجزيئات النشطة بيولوجيًا) ، أو لإنشاء مجموعة متنوعة من الجزيئات الصغيرة ذات الأشكال والأحجام وخصائص الشحن المختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، يقوم بعض الباحثين بإنشاء أحماض نووية وأحماض أمينية غير طبيعية من أجل اختبار واستكشاف القيود الهيكلية المحتملة على الجزيئات ذات الوظيفة البيولوجية. كل هذه الأساليب تؤدي إلى أنواع جديدة من التنوع الجيني أو الجزيئي التي تتطلب بعد ذلك تقييم الإمكانات الوظيفية. يأخذ هذا التقييم شكل عملية الفرز (أي الفحص المتعمد لجميع الجزيئات للميزة أو الوظيفة المرغوبة) أو عملية انتقائية (أي عملية تفرض ميزة انتقائية على تلك الجزيئات التي لها خاصية الاهتمام). في حين أن العمليات التكنولوجية لتقييم واختيار الجزيئات ذات الأهمية و mdashhigh- الفرز والاختيار & mdash لها بعض الميزات المشتركة مع الفئة التالية من التقنيات (أي التصميم الموجه) ، يتم تضمينها في هذه الفئة الأولى بسبب دورها التمكيني الحاسم في استكشاف التنوع الجزيئي والبيولوجي.

توليف الحمض النووي
وصف

تخليق الحمض النووي هو تقنية تمكّن من توليد التسلسلات الجينية التي تُبرمج الخلايا خصيصًا للتعبير عن بروتين معين. إنه ليس جديدًا ، لكن التحسينات التقنية تستمر في زيادة السرعة والسهولة والدقة التي يمكن من خلالها إنشاء تسلسلات أكبر وأكبر كيميائيًا. بحلول أوائل السبعينيات ، أثبت العلماء أنهم قادرون على هندسة الجينات الاصطناعية. 4 ومع ذلك ، فقد كانت أتمتة تخليق الحمض النووي de novo وتطوير تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) في أوائل الثمانينيات من القرن الماضي هو ما أدى إلى تطوير سلسلة من المنهجيات المتتالية لتحليل التعبير الجيني والبنية والوظيفة. لقد كانت قدرتنا على تخليق قليل النوكليوتيدات القصيرة (عادةً من 10 إلى 80 زوجًا أساسيًا في الطول) بسرعة وبدقة تقنية تمكين أساسية لعدد لا يحصى من التطورات ، وليس أقلها تسلسل الجينوم البشري.

شهدت السنوات القليلة الماضية تطورات تقنية ملحوظة في هذا المجال ، لا سيما فيما يتعلق بتوليف de novo لبنى الحمض النووي الأطول بشكل متزايد. أدى التركيب الكيميائي والربط لأجزاء كبيرة من قالب الحمض النووي ، متبوعًا بالنسخ الإنزيمي للحمض النووي الريبي ، إلى إنشاء جينوم فيروس شلل الأطفال في عام 2002 (حوالي 7500 نيوكليوتيد) ، والذي تم من خلاله اكتشاف الفيروس الخبيث المعدي-

cued بعد تعداءه إلى الخلايا المتساهلة. 5 أعلن العلماء في العام التالي عن التجميع الناجح لجينوم الفيروس البكتيري. 6 أدت الجهود الموازية في الصناعة والأوساط الأكاديمية إلى تخليق وتجميع أجزاء كبيرة من جينوم فيروس التهاب الكبد الوبائي سي ، والتي تم من خلالها إنقاذ جزيئات الحمض النووي الريبي المختصة بالنسخ المتماثل. أثارت هذه الدراسات مخاوف في وسائل الإعلام من أن الكائنات الحية الأكبر والأكثر تعقيدًا ، مثل فيروس الجدري (الذي يبلغ طوله حوالي 186000 زوج قاعدي) ، قد تكون في متناول اليد. 7

تقيد تقنية تخليق الحمض النووي حاليًا بالتكلفة والوقت اللذين يستغرقهما إنشاء تركيبات DNA طويلة ذات دقة عالية بالإضافة إلى معدل الخطأ المرتفع. التقديرات الحالية لتوليد أليغنوكليوتيدات بسيطة هي على الأقل 0.10 لكل قاعدة (بما في ذلك تخليق قليل النيوكليوتيدات بالإضافة إلى تصحيح الخطأ). 8 انظر الشكل 3-1.

الشكل 3-1 التكلفة لكل قاعدة التسلسل والتوليف.

المصدر: عرض روب كارلسون أمام اللجنة ، فبراير 2004.

الحالة الحالية للفنون

أظهرت العديد من الدراسات الحديثة خطوات مهمة نحو جعل التوليف الجيني ميسور التكلفة ومتاحًا للباحثين ذوي الميزانيات الصغيرة ، من خلال تقليل تكلفته وتحسين معدل الخطأ. 9 على سبيل المثال ، في كانون الأول (ديسمبر) 2004 ، أثناء تداول هذه اللجنة لشحنها ، وصف العلماء تقنية جديدة قائمة على الرقائق الدقيقة للتوليف متعدد الإرسال شبه الآلي لأوليغنوكليوتيدات طويلة. 10 استخدم الباحثون التكنولوجيا الجديدة لتجميع جميع الجينات الـ 21 التي تشفر بروتينات بكتريا قولونية 30S الوحدة الريبوسومية. في نفس الوقت تقريبًا ، وصفت مجموعة بحثية أخرى نهجًا جديدًا لتقليل الأخطاء بأكثر من 15 ضعفًا مقارنة بتقنيات تخليق الجينات التقليدية ، مما أسفر عن الحمض النووي مع خطأ واحد لكل 10000 زوج أساسي. 11

التطبيقات المستقبلية

لقد ولّدت التطورات في القدرة التركيبية للحمض النووي اهتمامًا قويًا بتصنيع تراكيب أكبر بشكل متزايد ، بما في ذلك الدوائر الوراثية ، وهندسة مسارات كيميائية حيوية كاملة ، 13 وكما ذكر أعلاه ، بناء جينومات صغيرة. 14 كمثال محدد للتطبيق المفيد المحتمل في المستقبل لتخليق الحمض النووي ، وصفت إحدى المجموعات البحثية طريقة لتخليق التربينويد ، وهو منتج طبيعي يستخدم في النكهات التجارية والعطور والعلاجات المضادة للملاريا والسرطان ، باستخدام بنيات الحمض النووي المؤتلف. عادة ما يتم عزل 15 Terpenoids من الأنسجة النباتية ولا يمكن استعادتها إلا بكميات صغيرة. يمكن استخدام تقنية تخليق الحمض النووي كطريقة بديلة لإنتاج مركبات عالية القيمة.

يمكن أن تسمح تقنية تخليق الحمض النووي بالتوليف الفعال والسريع للجينومات الفيروسية ومسببات الأمراض الأخرى و mdashe إما من أجل اللقاح أو البحث والتطوير العلاجي ، أو لأغراض خبيثة أو مع عواقب غير مقصودة. نظرًا للمخاطر الأخيرة ، في عام 2004 ، صاغ جورج تشيرش (كلية الطب بجامعة هارفارد ، كامبريدج ، ماساتشوستس) مقترحًا لتقليل مخاطر الخطر البيولوجي (على سبيل المثال ، إنشاء فيروسات بشرية منقرضة تقريبًا ، مثل شلل الأطفال ، أو مسببات الأمراض الجديدة ، مثل فيروس جدري IL-4) أثناء التقليل من التأثير على البحث المشروع. يركز الاقتراح على ترخيص الأجهزة والكواشف (على سبيل المثال ، تقييد بيع وصيانة آلات تخليق قليل النوكليوتيد للكيانات المرخصة) تنظيم فحص العوامل المختارة ، ووضع طريقة لاختبار هذه التراخيص المطبقة حديثًا ، ومعايير أنظمة الفرز للإعفاء من الكل. عملية واستراتيجيات الحفاظ على انخفاض التكلفة. 16 تم ذكر الاقتراح هنا ليس لتأييده ، ولكن بدلاً من ذلك لتسليط الضوء على الحاجة إلى تحليل دقيق ومناقشة متأنية للقضايا.

خلط الحمض النووي
وصف

أثبتت التربية الجينية التقليدية نفسها مرارًا وتكرارًا عبر تاريخ البشرية كوسيلة قوية لتحسين مخزون النبات والحيوان لتلبية الاحتياجات المجتمعية المتغيرة. إن اكتشاف أواخر القرن العشرين للنوكليازات المقيدة ، وهي الإنزيمات التي تقطع جزيئات الحمض النووي في المواقع التي تشتمل على تسلسلات محددة من النوكليوتيدات القصيرة ، والظهور اللاحق لتقنية الحمض النووي المؤتلف ، زود العلماء بأدوات عالية الدقة لإدخال (أو إزالة) جينات مفردة في جينومات a مجموعة متنوعة من الفيروسات والكائنات الحية ، مما يؤدي ، على سبيل المثال ، إلى إدخال سمات تعزيز الإنتاج في نباتات المحاصيل. 17 في الآونة الأخيرة ، سمح نمط قوي للتطور الموجه يُعرف باسم & ldquoDNA shuffling & rdquo & mdashalso المعروف أيضًا باسم خلط متعدد الجينات ، وخلط الجينات ، وتوجيه التطور الجزيئي في المختبر و mdashhas للعلماء بتحسين كبير للكفاءة التي يمكن من خلالها اشتقاق مجموعة متنوعة من التسلسلات الجينية. قفزة نوعية في القدرة على توليد تسلسلات جديدة للحمض النووي ، يمكن استخدام خلط الحمض النووي لإنتاج مجموعات كبيرة من الحمض النووي التي يمكن أن تخضع بعد ذلك للفحص أو الاختيار لمجموعة من الصفات المرغوبة ، مثل وظيفة البروتين المحسنة و / أو زيادة إنتاج البروتين .

& ldquo الكلاسيكي و rdquo يبدأ التكاثر أحادي الجين بمجموعة من التسلسلات ذات الصلة (الجينات ، وما إلى ذلك) ثم تتكاثر وجزيئات ldquooffspring & rdquo ، والتي تخضع للفحص والاختيار للنسل ldquobest & rdquo. تتكرر العملية لعدة أجيال. باستخدام خلط الحمض النووي ، يتم إنشاء تنوع التسلسل عن طريق تجزئة ثم إعادة توحيد الإصدارات ذات الصلة من نفس التسلسل أو الجين من مصادر متعددة (على سبيل المثال ، الأنواع ذات الصلة) ، مما يؤدي إلى & ldquoshuffling & rdquo لجزيئات الحمض النووي. في الأساس ، يسمح بالتزاوج المتزامن للعديد من الأنواع المختلفة. والنتيجة هي مجموعة من فسيفساء الحمض النووي. ينتج عن إعادة التجميع التي تحدث أثناء عملية الخلط تنوعًا أكبر في تسلسل السلالة الوظيفية مما يمكن إنتاجه بواسطة نهج الجين المفرد التسلسلي.

في واحدة من أقدم العروض التوضيحية للتقنية ، والتي تضمنت خلط أربعة جينات متطورة بشكل منفصل (من أربعة أنواع ميكروبية مختلفة) ، البروتينات المشفرة والمختلطة ذات النشاط الأنزيمي أكبر من 270 إلى 540 مرة من أفضل تسلسل أبوي. 18 حتى لو تم تطوير هذا الإنزيم المعاد تجميعه من خلال فحص الجين المفرد ، لكانت العملية أبطأ بشكل كبير. لكن من المحتمل ألا تتطور أبدًا. تُظهر الأدلة من دراسة واحدة على الأقل أن أفضل والد ليس بالضرورة الأقرب في التسلسل إلى أفضل ذرية خيالية ، وبالتالي ربما لا يمثل أفضل نقطة بداية لتطور الجين الفردي (أي ، بعض النظرات الأخرى الأفضل-

تم اختيار التسلسل الأبوي للتطور الموجه لجين واحد). 19

الحالة الحالية للفنون

لقد تطورت التكنولوجيا بسرعة ، بحيث لا يقوم العلماء فقط بخلط جينات مفردة ، بل يقومون بخلط الجينومات بأكملها. في عام 2002 ، استخدم علماء الأحياء خلط الجينوم الكامل من أجل التحسين السريع لإنتاج التيلوزين من البكتيريا. Streptomyces fradiae بعد جولتين فقط من الخلط ، تم إنشاء سلالة بكتيرية يمكن أن تنتج التيلوزين (مضاد حيوي) بمعدل مماثل للسلالات التي مرت خلال 20 جيلًا من الانتقاء المتسلسل. 20 أيضًا في عام 2002 ، تم تبديل جزء من جينوم فيروس نقص المناعة البشرية لإنشاء سلالة جديدة من فيروس نقص المناعة البشرية التي كانت قادرة على التكاثر في خط خلية قرد كان سابقًا مقاومًا للعدوى الفيروسية. 21 بحلول عام 2003 ، تقدمت هذه التقنية إلى النقطة التي يمكن فيها خلط العديد من سلاسل الحمض النووي للثدييات معًا في خط خلية بكتيرية واحدة. في إحدى الدراسات ، قام العلماء بتبديل جين واحد من السيتوكين من سبعة أنواع من الثدييات المتشابهة وراثيًا (بما في ذلك الإنسان) لتوليد سيتوكين متطور و rdquo أظهر زيادة في النشاط بمقدار 10 أضعاف مقارنة بالسيتوكين البشري وحده. 22 يجب التأكيد على أن قوة هذه التكنولوجيا (وأي إجراء لتوليد التنوع) لا تتحقق بالكامل إلا إذا أمكن تحديد وعزل الجزيئات المولدة بأكثر الخصائص المرغوبة والمعززة. على الرغم من التحسينات المستمرة في إنتاجية إجراءات الفحص الحالية ، فإن استخدام الظروف التي تفرض ضغوطًا انتقائية قوية لظهور الجزيئات ذات الخصائص المرغوبة هو أكثر كفاءة بكثير في العثور على الجزيء الأكثر فاعلية في البركة.

التطبيقات المستقبلية

في نهاية المطاف ، ستسمح هذه الطريقة الجزيئية السريعة للتطور الموجه لعلماء الأحياء بتوليد بروتينات وفيروسات وبكتيريا وكائنات أخرى جديدة بخصائص مرغوبة في جزء صغير من الوقت المطلوب للتكاثر الكلاسيكي وبطريقة أكثر فعالية من حيث التكلفة. على سبيل المثال ، يستخدم علماء الفيروسات خلط الحمض النووي لتحسين الفيروسات من أجل العلاج الجيني وتطبيقات اللقاحات. 23 علماء الأحياء الاصطناعية يستخدمون التكنولوجيا لتسريع عملية الاكتشاف (انظر & ldquoSynthetic Biology & rdquo لاحقًا في هذا الفصل).

التنقيب البيولوجي
وصف 24

التنقيب البيولوجي هو البحث عن تنوع بيولوجي غير معترف به سابقًا ، يحدث بشكل طبيعي ، والذي قد يكون بمثابة مصدر للمواد للاستخدام في الطب والزراعة والصناعة. تشمل هذه المواد المخططات الجينية (تسلسل الحمض النووي والحمض النووي الريبي) ، والبروتينات والمركبات البيولوجية المعقدة ، والكائنات الحية السليمة نفسها. كان البشر يستغلون المنتجات المشتقة بشكل طبيعي لآلاف السنين. على الرغم من أن التقنيات عالية الإنتاجية مثل الكيمياء التوليفية ، الموصوفة أعلاه ، قد أحدثت ثورة عمليا في اكتشاف الأدوية ، لا تزال العلاجات الحديثة تعتمد إلى حد كبير على المركبات المشتقة من المنتجات الطبيعية. باستثناء المستحضرات الدوائية الحيوية (المنتجات المصنوعة من الكائنات الحية) ، كانت 60 في المائة من الأدوية المعتمدة من قبل إدارة الغذاء والدواء والمرشحين الجدد لتطبيق الأدوية ما بين 1989 و 1995 من أصل طبيعي. 25 بين عامي 1983 و 1994 ، كان أكثر من 60 في المائة من جميع أدوية السرطان وأدوية السرطان المعتمدة في مرحلة ما قبل تطبيق الدواء الجديد و 78 في المائة من جميع العوامل المضادة للبكتيريا المعتمدة حديثًا من أصل طبيعي. 26 تاكسول ، أول دواء مضاد للسرطان في العالم ومليار دولار ، مشتق من شجرة الطقسوس. 27 تم اكتشاف مادة الأرتيميسينين ، وهي واحدة من أكثر الأدوية الجديدة الواعدة لعلاج الملاريا ، كمنتج طبيعي لأعشاب شبيهة بالسرخس في الصين تسمى الشيح الحلو. ويمكن اعتبار الأسبرين و mdashar من أفضل الأدوية المعروفة والأكثر استخدامًا عالميًا والمداشيس المشتقة من الساليسين ، وهو جليكوسيد موجود في العديد من الأنواع في أجناس النبات ساليكس و حور.

لا يقتصر التنقيب البيولوجي على النباتات ، كما أن اكتشاف الأدوية ليس تطبيقه الوحيد. في الآونة الأخيرة ، باستخدام طرق الكشف الجزيئي ، اكتشف العلماء عددًا مذهلاً من أشكال الحياة الميكروبية غير المعترف بها وغير المميزة سابقًا. 28 في الواقع ، تمثل الجينومات الميكروبية أكبر مصدر للتنوع الجيني على هذا الكوكب والتنوع الذي يمكن استغلاله في الاستخدامات الطبية والزراعية والصناعية. يتم اكتشاف المنتجات الطبيعية من خلال التنقيب الحيوي للخلايا الداخلية الميكروبية والكائنات الدقيقة التي توجد في أنسجة النباتات الحية و [مدش] ، بما في ذلك المضادات الحيوية ، والمركبات المضادة للفيروسات ، والعوامل المضادة للسرطان ، ومضادات الأكسدة ، والعوامل المضادة لمرض السكر ، والمركبات المثبطة للمناعة ، والمبيدات الحشرية. فيما يتعلق بالمبيدات الأخيرة ، تعد المبيدات الحيوية عنصرًا صغيرًا ولكنه متزايد في سوق المبيدات الحشرية. تشتمل المركبات التي تم استنباطها بيولوجيًا والتي تظهر خواصًا قوية للمبيدات الحشرية على مركبات عقيدية لاستخدامها ضد يرقات الذباب (المعزولة من Nodulisporium spp. الذي يسكن النبات بونتيا دافنويدس) 29 ومركب benzofuran لاستخدامها ضد دودة براعم التنوب (معزولة من فطر غير معروف من الفطريات الداخلية الشتوية ، Gaultheria procumbens). 30 من المذكرة ، النفثالين ، المكون في

كرات النفتالين ، منتج رئيسي للفطر الداخلي ، مسكودور فيتيجينوسالذي يسكن ليانا ، باولينا باولينيويديس. 31

أصبح التنقيب المباشر عن تسلسل الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) الذي يشفر بروتينات جديدة ذات أنشطة مفيدة مشروعًا علميًا وتجاريًا مهمًا. يستلزم هذا النهج عمليات بحث تستند إلى تعبير عشوائي لآلاف أو ملايين التسلسلات ، متبوعًا بالفرز أو الاختيار للمنتجات ذات الأنشطة المرغوبة. 32 يركز البحث أحيانًا على عائلات التسلسلات ذات الصلة التي يُتوقع أن تقوم بترميز المنتجات ذات الأهمية ، والتي يتم استردادها مباشرةً من البيئات باستخدام تقنية تضخيم التسلسل. يمكن أن يتآزر هذا النوع من النهج مع تقنية خلط الحمض النووي الموضحة أعلاه. تعكس الغزوات المبكرة والمبكرة في علم الجينوم في & ldquocommunity ، و rdquo أو التسلسل العشوائي واسع النطاق للحمض النووي من مجتمعات ميكروبية بيئية معقدة ، الإمكانات المستقبلية الهائلة لهذا النهج لاكتشاف وتسخير الأنشطة البيولوجية التي لم يتم تصورها سابقًا. 33

على سبيل المثال ، Diversa Corporation (سان دييغو ، كاليفورنيا) تستخدم الاستكشاف البيولوجي للجينومات الميكروبية لتطوير الجزيئات والإنزيمات الصغيرة للأسواق الصيدلانية والزراعية والكيميائية والصناعية. 34 بعد جمع العينات البيئية للكائنات الدقيقة غير المستزرعة واستخراج المادة الوراثية ، يبحث الباحثون عن جينات جديدة ومسارات جينية للمنتجات التي يحتمل أن تكون مفيدة ، مثل الإنزيمات ذات الكفاءة العالية والاستقرار (على سبيل المثال ، استقرار درجات الحرارة العالية والمنخفضة ، تحمل درجة الحموضة العالية أو المنخفضة ، أو انخفاض تحمل الملح). يتم جمع العينات من بيئات تتراوح من الفتحات الحرارية إلى المواقع الصناعية الملوثة إلى الجليد البحري فائق التبريد.

تم تطبيق التنقيب البيولوجي أيضًا على اكتشاف العوامل الميكروبية في محاولة لفهم تنوع الميكروبات في البيئة بشكل أفضل والتي قد تكون بمثابة مسببات الأمراض البشرية إذا أتيحت لها الفرصة. لقد قيل إنه من خلال الفحص المتعمد لأنواع النواقل والخزانات الموجودة في البيئة المحلية بحثًا عن ميكروبات غير معترف بها سابقًا ، يمكن التعرف على عوامل جديدة قبل وقت طويل من اكتشاف أنها مسببات أمراض بشرية أو حيوانية أو نباتية ، وبالتالي توفير إنذار مبكر باحتمالية حدوثها. العوامل المسببة للأمراض. 35 على الأقل ، يمكن أن توسع هذه الاستطلاعات من تقديرنا للتنوع الميكروبي والوظيفة الميكروبية المستنتجة. 36 على سبيل المثال ، في عام 2002 ، باستخدام نهج PCR واسع النطاق (على سبيل المثال ، استخدام مواقع فتيلة محفوظة لمجموعة من أهداف التسلسل ذات الصلة ، بدلاً من بادئات محددة لأهداف فردية فريدة) ، اكتشف العلماء أربعة بارتونيلا تسلسل الحمض النووي في 98 عينة من المفصليات (البراغيث والقمل والقراد) من بيرو كانت ثلاثة من المتواليات مختلفة اختلافًا كبيرًا عن تلك التي تم تمييزها سابقًا بارتونيلا محيط. 37 بارتونيلا البكتيريا المنقولة بالنواقل المرتبطة بالعديد من الإصابات البشرية والحيوانية. 38 بدلا من وجود أي سريرية معروفة على الفور

الآثار المترتبة على ذلك ، توضح هذه الدراسة قوة هذا النهج العام بالإضافة إلى فهمنا غير الكامل لها بارتونيلا تنوع.

الحالة الحالية للفنون

تشمل الأساليب الحالية استعادة الميكروبات باستخدام الأساليب القائمة على الزراعة ، والمسوحات المصلية للمضيفين المحتملين ، واستخراج / فصل / تنقية الجزيئات ذات الخصائص المرغوبة ، وتضخيم عائلات متواليات الحمض النووي ذات الصلة باستخدام PCR واسع النطاق (وتقنيات مماثلة) ، واستنساخ البنادق وتسلسل الحمض النووي السائب أو cDNA من البيئات ذات الأهمية ، واستخدام طرق التهجين الطرحي 39 لإثراء متواليات الحمض النووي الجديدة في العوائل أو البيئات.

التطبيقات المستقبلية

يمكن للمرء أن يفكر في كل من الأساليب الجزيئية والتقليدية القائمة على الزراعة لفحص العوائل ، مثل خفافيش الفاكهة والقوارض الصغيرة ، والتي من المعروف بالفعل أنها تعمل كمستودعات لمسببات الأمراض الميكروبية البشرية الهامة (فيروسات Hendra و Nipah ، Borrelia spp. والأجناس الأخرى ، على التوالي). كما هو موضح أعلاه ، الفوائد المحتملة المرتبطة باكتشاف المنتجات الجديدة والتنوع الجيني الجرثومي لا حصر لها.

الكيمياء التوافقية: توليد التنوع الكيميائي
وصف

تشير الكيمياء التوافقية إلى التقنيات والعمليات المستخدمة في الإنشاء السريع لأعداد كبيرة من المركبات الاصطناعية (& ldquolibraries & rdquo) ، عادةً لأغراض فحص النشاط ضد أهداف الأدوية البيولوجية (انظر & ldquo الفحص عالي الإنتاجية & rdquo).في حين أن تخليق الحمض النووي يتيح اكتساب تنوع التسلسل الجيني ، فإن هذه التقنيات تسمح بتوليد مكتبات من المركبات الكيميائية ذات الأشكال والأحجام وخصائص الشحن التي قد تكون ذات أهمية لقدراتها المتنوعة على التفاعل والالتزام بيولوجيًا. البروتينات النشطة أو المجمعات الجزيئية ، وبالتالي تغيير الخصائص البيولوجية لهذه البروتينات والمجمعات. يمكن استخدام تقنيات الكيمياء التوافقية لإنشاء مجموعة واسعة من الأنماط الكيميائية أو الأشكال الجزيئية ، بدءًا من المركبات متعددة الحلقات الكبيرة ذات الطبيعة الببتيدية إلى المركبات الأصغر ، والتي يُفترض أنها أكثر شبهاً بالعقاقير. في البداية ، كان يُعتقد أنه عند استخدامها مع تقنيات الفحص عالية الإنتاجية ، فإن التقنيات الاندماجية ستكون بشكل كبير

تسريع عملية اكتشاف الدواء مع تقليل التكاليف الأولية المرتبطة بجهود اكتشاف الدواء. على الرغم من أن هذا لم يثبت بعد ، إلا أن معظم شركات الأدوية لا تزال تستثمر بشكل كبير في الكيمياء التوليفية وتستكشف تطوير وتنفيذ طرق جديدة لإنشاء مكتبات إضافية من المركبات. هناك اتجاه حديث لوحظ في صناعة المستحضرات الصيدلانية وهو الانتقال من تطوير مكتبات فحص عامة كبيرة وغير مركزة إلى مكتبات أصغر وأقل تنوعًا للفحص مقابل هدف معين أو عائلة من الأهداف ذات الصلة.

يمكن إرجاع أصول هذا الفرع الجديد من الكيمياء إلى أوائل الستينيات ، عندما تم تطوير طرق لتخليق المرحلة الصلبة من الببتيدات. 40 يتضمن ذلك ربط حمض أميني بدعامة صلبة (أي حبيبات من الراتنج البلاستيكي) ثم إضافة بقايا الأحماض الأمينية ، واحدة تلو الأخرى بطريقة تدريجية من خلال إنشاء روابط كيميائية ببتيد تساهمية ، حتى يتم إنشاء منتج الببتيد المطلوب. يتم تحرير البولي ببتيد النهائي عن طريق كسر ارتباطه كيميائيًا بالدعم الصلب وغسله مجانًا. 41- عززت التعديلات اللاحقة لعملية تخليق المرحلة الصلبة بشكل كبير القدرة على توليد عدد كبير من الببتيدات بتسلسلات محددة من الأحماض الأمينية. تم تصنيع 42 ببتيدات فردية في نهايات & ldquopins & rdquo التي تم توجيهها مكانيًا في مجموعة ثنائية الأبعاد مصممة لتتناسب مع آبار لوحة ميكروتيتر 96 بئر. هذا قلل من حجم العملية وسهل بشكل كبير التوليف المتوازي لأعداد كبيرة من الببتيدات. عزز تعديل آخر لهذه التقنية القدرة على إنشاء مجموعة متنوعة من متواليات الببتيد من خلال دمج نهج اندماجي. 43 في هذه الحالة ، تم وضع راتنج المرحلة الصلبة الذي يحمل الببتيد الصناعي الناشئ في شبكة ، أو كيس ldquotea. & rdquo مثل الطريقة القائمة على الدبوس ، سهلت عملية كيس الشاي العديد من خطوات الغسيل والتجفيف المطلوبة لتخليق الببتيد و وهكذا سمح بالتوليف المتوازي للعديد من الببتيدات المختلفة ، كل منها في كيس الشاي الخاص به. ومع ذلك ، من خلال خلط الراتينج من أكياس الشاي المختلفة بعد كل إضافة تدريجية فردية لبقايا الأحماض الأمينية ، يمكن إنشاء مكتبات ببتيد اندماجية تشتمل على تنوع كبير من تسلسلات الأحماض الأمينية بسهولة ، حيث تحمل كل حبة راتنج ببتيد فرديًا مع أميني فريد. تسلسل الحمض. 44

بعد توليف المركبات وإنشاء مكتبة ، يلزم اختيار استراتيجية أو فحص لتحديد المركبات الفريدة التي تهم العلوم البيولوجية. تتضمن الطريقة الأكثر وضوحًا عزل التقارب للببتيد المعني على جزيء مستهدف ثابت ، متبوعًا بإطلاق الببتيد والتحليل باستخدام مجموعات من كروماتوغرافيا الطور الغازي ، والكروماتوجرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) ، وقياس الطيف الكتلي ، والرنين المغناطيسي النووي (الرنين المغناطيسي النووي). من الممكن أيضًا تحديد بنية المركبات

مرتبط بالراتنج ، باستخدام تقنيات تحليلية مثل تحليل الأشعة تحت الحمراء ، و NMR لمرحلة الهلام ، وقياس الطيف الكتلي لوقت الطيران بمساعدة المصفوفة ، وقياس الطيف الكتلي بالرش الكهربائي ، وكشف النيتروجين بالتوهج الكيميائي HPLC. 45

في حين أن التحديد المباشر للهيكل ، كما هو موضح في الفقرة السابقة ، يعمل جيدًا للمكتبات الصغيرة ، إلا أن هذه الأساليب لا تنطبق عمومًا على المكتبات الكبيرة القائمة على خليط. بالنسبة للمكتبات ، تم تطوير استراتيجيات مختلفة تحكم تسلسل التفاعل عن طريق إرفاق مادة كيميائية قابلة للقراءة و ldquotag & rdquo بالخرز أثناء تصنيع الجزيء. استخدمت واحدة من أولى طرق وضع العلامات استخدام قليل النوكليوتيدات. 46 في هذا النهج ، لكل حمض أميني يضاف إلى سلسلة الببتيد ، تمت إضافة مجموعة محددة من قليل النيوكليوتيدات إلى سلسلة منفصلة تم ربطها بنفس الحبة. ثم تم استخدام تقنيات تسلسل PCR و DNA لفك تشفير بنية الببتيد. تم تطوير العديد من تقنيات ووكلاء وضع العلامات الإضافية منذ ذلك الحين. 47

الحالة الحالية للفنون

أصبح التوليف الموازي لمرحلة الحل هو تقنية الكيمياء التوافقية المختارة في صناعة المستحضرات الصيدلانية ، مدفوعة بشكل أساسي بالتقدم في أتمتة المختبرات ، والأجهزة ، والمعلوماتية. يمكن تصنيع المركبات إما كمركبات منفصلة فردية لكل وعاء تفاعل أو كمخاليط من المركبات في وعاء تفاعل واحد ، لذا فإن العديد من نفس المبادئ الموصوفة أعلاه لمبادئ المرحلة الصلبة (المرتبطة بالراتنج) قابلة للتطبيق هنا أيضًا. تكمن الميزة الأساسية للكيمياء التوافقية في طور المحلول في زيادة عدد التفاعلات / التحولات الكيميائية التي يمكن الوصول إليها ، وبالتالي زيادة نطاق الأنماط الكيميائية (السقالات الكيميائية) التي يمكن إنشاؤها بشكل كبير.

تضمنت التقارير المبكرة لتقنيات الكيمياء التوافقية لمرحلة المحلول استخدام تفاعل مشترك متعدد المكونات ، يُطلق عليه تفاعل Ugi ، حيث يتم دمج أيزوسيانيد ، وألدهيد ، وأمين ، وحمض كربوكسيلي في وعاء أحادي التفاعل لإنشاء مركب واحد. منتج رئيسي. باستخدام هذا النهج التركيبي المقترن بتقنيات تحليل البيانات المتقدمة ، تمكن العلماء من تحديد المركبات ذات التأثير البيولوجي المطلوب بعد تصنيع مجموعة فرعية مكونة من 400 مركب فقط من 160000 منتج ممكن. يمثل هذا زيادة بمقدار 400 ضعف في كفاءة الاكتشاف مقارنة بالطرق التقليدية.

يميل الاتجاه الحالي في كيمياء طور المحلول المتوازي نحو تطوير مصفوفات أصغر (12 إلى 96 مركبًا) من التركيبات الكيميائية البسيطة إلى المتوسطة المعقدة. نظرًا لأن الروبوتات والأجهزة المختبرية اللازمة للتوليف المتوازي أصبحت أكثر بعدًا

يتم نقل التكنولوجيا إلى مختبرات كيمياء طبية أساسية ويمكن الوصول إليها بسهولة ، وتصبح مفيدة في تحسين مركبات الرصاص (أي المركبات التي تظهر إمكانية تطويرها إلى أدوية). يتم تنفيذ هذه الجهود بشكل مثالي مع معرفة بنية الجزيء المستهدف ، والتي يتم اكتسابها عادةً عن طريق تطبيق تقنيات علم البلورات بالأشعة السينية أو تقنيات الرنين المغناطيسي النووي. يتم تحديد العلاقات بين الهيكل والنشاط كمركبات الرصاص ، التي تم تحديدها في البداية من خلال فحص مكتبات كبيرة من المركبات ، ويتم تعديلها في مواقع محددة ، ويتم تحديد تأثير التعديل الكيميائي على الخصائص البيولوجية المرغوبة للمركب.

كان نقاء وهوية المركبات المنتجة اندماجيًا مصدرًا للنقاش الكبير الأخير والتقدم التكنولوجي لأنه ، من أجل إنتاج أي بيانات ذات مغزى من اختبار بيولوجي ، يجب أن يكون نقاء المركب محل الاهتمام على أعلى مستوى ممكن. 48 يجب أيضًا تأكيد نشاط المركب عن طريق إعادة تركيب الجزيء المحدد وتكرار الاختبارات للنشاط البيولوجي.

التطبيقات المستقبلية

تقنيات الكيمياء التوافقية ليست مفيدة فقط لاكتشاف الأدوية وتطويرها ، بل يتم استخدامها في البحث عن موصلات فائقة أفضل ، وفوسفور أفضل للاستخدام في شاشات الفيديو (الفوسفور عبارة عن مواد ينبعث منها الضوء) ، ومواد أفضل لاستخدامها في مغناطيسية الكمبيوتر والتخزين الأخرى أجهزة وأجهزة استشعار بيولوجية أفضل للكشف عن الجزيئات المهمة طبياً والسموم البيئية. تم استخدام الأساليب التجميعية لتطوير مستشعر & ldquonose chip & rdquo قادر على اكتشاف والتمييز بين سبعة مذيبات شائعة (التولوين ، والكلوروفورم ، ورباعي الهيدروفلوران ، والأسيتون ، وخلات الإيثيل ، والإيثانول ، والميثانول). 49

باستخدام أساليب اندماجية وعالية الإنتاجية ، تقوم صناعة الأدوية بتوليف وفحص عدة ملايين من الروابط المحتملة الجديدة سنويًا. على الرغم من أن معظم الشركات لديها القليل من الاستخدام لعشرات الآلاف من هذه المركبات التي تم تحديدها سنويًا على أنها سامة ، فقد يكون لبعضها إمكانات كأسلحة كيميائية حيوية (الفصل 1). 50 على الرغم من أن معظم المعلومات المستمدة من التكنولوجيا التجميعية وعالية الإنتاجية محفوظة في قواعد بيانات خاصة ، فإن قاعدة البيانات العامة الجديدة التي تم اقتراحها مؤخرًا كجزء من خارطة طريق المعاهد الوطنية للصحة (NIH) تثير مخاوف بشأن وصول الجمهور إلى المعلومات ذات الاستخدام المزدوج (الفصل 1 ، صندوق 1-1). إن جهود اكتشاف خارطة الطريق للمعاهد الوطنية للصحة مثيرة للقلق بشكل خاص في هذا الصدد ، بسبب الخطط لتحسين مركبات الرصاص التي ثبت أنها قادرة على استهداف بروتينات خلوية معينة. الهدف ليس تطوير عوامل علاجية بل توفير سلسلة من الكواشف لتسهيل الأمر

مزيد من الاستكشاف لوظيفة البروتين وبيولوجيا الأنظمة. 51 قد تكون هذه المركبات سموم قوية نسبيًا.

في حين أن التقنيات المطبقة في الكيمياء التوافقية ليست معقدة للغاية ، إلا أن هناك حاجة إلى مجموعة متنوعة من أتمتة المختبرات والأجهزة لتنظيم حملة كيمياء اندماجية فعالة.

فحص عالي الإنتاجية 52
وصف

يشير الفحص عالي الإنتاجية (HTS) إلى عملية فحص أعداد كبيرة من المركبات الجزيئية الحيوية أو الكيميائية المتنوعة بطريقة سريعة وفعالة للخصائص ذات الأهمية. هذه التقنيات ضرورية لتحقيق أي فائدة من إنشاء مكتبات كبيرة ومتنوعة من المركبات ، حيث يتم استخدامها لاختيار مركب معين له الخصائص المطلوبة. قد تشمل هذه الخصائص الأنشطة البيوكيميائية أو الأنزيمية المرغوبة لعامل علاجي محتمل أو سمية في مثل هذا العامل الذي قد يرغب المرء في ظل الظروف المعتادة في تجنبه. ساهم التقدم في تقنيات الفحص المصغرة والمعلوماتية الحيوية والروبوتات ومجموعة متنوعة من التقنيات الأخرى في تحسين كفاءة الفحص البيولوجي التي تميز HTS. على عكس هذا النموذج ، حيث يتم اختبار مكتبة كبيرة من المركبات (مثل العينات) لنشاط معين أو مجموعة من الأنشطة ، يتضمن الاختلاف في موضوع HTS اختبار عينة بيولوجية واحدة لمجموعة متنوعة من الأنشطة. أفضل مثال على ذلك هو استخدام المصفوفات الدقيقة للحمض النووي أو المصفوفات الدقيقة قليلة النوكليوتيد و mdashal المعروف أيضًا باسم رقائق الحمض النووي. تُستخدم هذه بشكل روتيني في كل من الأبحاث الأساسية والتطبيقية لتسهيل الفحص على نطاق واسع ورصد مستويات التعبير الجيني ، ووظيفة الجينات ، والتنوع الجيني في العينات البيولوجية ، ولتحديد أهداف الأدوية الجديدة.

تتميز عملية فحص أعداد كبيرة من المركبات ضد الأهداف المحتملة للأمراض بمجموعة من التقنيات التي تسعى جاهدة لزيادة كفاءة الفحص البيولوجي من خلال تطبيق تنسيقات الفحص المصغرة ومعالجة السوائل المتقدمة ، واكتشاف الإشارات ، والروبوتات ، والمعلوماتية ، ومجموعة متنوعة أخرى التقنيات. على مدى السنوات العديدة الماضية ، شهدت الصناعة تطورًا في قدرات الفحص ، مما أدى إلى قدرة المستخدم على فحص أكثر من 100000 مركب يوميًا بحثًا عن نشاط بيولوجي محتمل. أصبح تقييم ما يزيد عن مليون مركب لخصائص بيولوجية (أو خصائص أخرى مختلفة) في حملة الفرز أمرًا شائعًا الآن في صناعة المستحضرات الصيدلانية.

الحالة الحالية للفنون

تعتمد HTS الفعالة على فحوصات قوية يمكنها الكشف عن الأنشطة البيولوجية أو الأنشطة الأخرى ثم ترجمتها إلى تنسيق يمكن تفسيره بسهولة. هناك مجموعة متنوعة من المقايسات قيد الاستخدام حاليًا ، بما في ذلك:

فحوصات اللونية الخالية من الخلايا أو اللمعان الكيميائي

فحوصات نقل طاقة الرنين الخالي من الخلايا

المقايسات الجينية للمراسل المستندة إلى الخلية ، وعادة ما تكون بقراءة إنزيمية

فحوصات التصوير الفلورية المستندة إلى الخلية

فحوصات الرنين المغناطيسي النووي ، والتي تتضمن تحديد روابط جزيئية صغيرة لأهداف مستقبلات جزيئية

فحوصات كروماتوغرافيا التقارب

المصفوفات الدقيقة للحمض النووي (الترتيبات عالية الكثافة لاستنساخ الحمض النووي المزدوج الشريطة (cDNA) أو قليل النوكليوتيدات التي تعمل كمجسات متطابقة أو تكميلية ، على التوالي ، لجينات أو نصوص أو تسلسل جينوم معين) و

أنواع أخرى من المصفوفات الدقيقة ، بما في ذلك الترتيبات عالية الكثافة للأجسام المضادة ، والحمض النووي أو الأبتاميرات الببتيدية ، والمستضدات (البروتين أو الدهون) ، ومجمعات مستضدات MHC 53 الببتيدية ، والخلايا السليمة.

الاتجاهات المستقبلية

التطورات المستقبلية في HTS و mdashs مثل تطوير المقايسات من خطوة واحدة وزيادة التصغير و mdashwill تستمر في زيادة الإنتاجية وتقليل تكلفة فحوصات HTS وقد تسمح في النهاية بالمراقبة المتزامنة لنقاط النهاية المتعددة (على سبيل المثال ، البيولوجية والسمية) عبر مجموعة واسعة من الأهداف . يكشف تحليل المشهد التكنولوجي الحالي HTS عما يلي كفرص محتملة وتوجهات مستقبلية:

مزيد من التطوير للمقايسات من خطوة واحدة (متجانسة)

تطوير أجهزة فحص أولية محسنة

التصغير كوسيلة لزيادة الإنتاجية وخفض التكلفة

تحسينات في قدرات وكفاءة الأنظمة الروبوتية في علوم الحياة

تطبيق HTS لقيادة التحسين المركب و ،

طرق جديدة لتحديد الأهداف ذات الصلة بيولوجيا.

باختصار ، سوف تتخلل فحوصات وتقنيات HTS قطاعات جديدة في علوم الحياة ، مما يؤثر على الإنتاجية وسرعة التقدم والاكتشافات في هذه القطاعات المتنوعة. ستتحسن فعالية تكلفة فحوصات وتقنيات HTS ، بحيث تصبح المهام التي كان يُعتقد سابقًا أنها غير عملية قابلة للتنفيذ تمامًا. إلى جانب طرق إنشاء تسلسل محسّن وتنوع هيكلي يتجاوز ما هو ظاهر في الطبيعة ، ستسمح هذه الاختبارات والتقنيات بتحديد واختيار جزيئات جديدة ذات وظائف بيولوجية مهمة ، مع تداعيات على جميع علوم الحياة.

2. التصميم الموجه

هناك تقنيات أخرى ، إلى جانب تلك الموصوفة في فئة التقنيات السابقة ، تسعى إلى توليد أنواع جديدة من التنوع الجيني أو الجزيئي. ومع ذلك ، على عكس التقنيات في الفئة الأولى ، فإن أساليب التصميم هذه & ldquodirected & rdquo أكثر تعمقًا وتعتمد على المعرفة الموجودة مسبقًا فيما يتعلق بما يجب إنشاؤه.

تصميم الأدوية العقلاني
وصف

الطرق الموضحة أعلاه ، حيث يتم فحص مكتبة كبيرة من المركبات الكيميائية المتنوعة باستخدام طرق HTS لتحديد عدد أقل من مركبات الرصاص المحتملة ذات الأنشطة المرغوبة ، يتم تعزيزها تدريجياً من خلال مناهج أقل تجريبية تستند إلى فهم أكبر للأنظمة البيولوجية ( على سبيل المثال ، الهدف: تفاعلات الترابط (ligand)) ، وتحديد الجزيئات المستهدفة المحددة ، وتحديد بنية الجزيء المستهدف الذي ثبت أن نشاطه مهم لإنتاج مرض معين أو للحفاظ على الصحة. نمت هذه المعرفة الهيكلية بسرعة خلال العقد الماضي بسبب التقدم في علم البلورات بالأشعة السينية ، وتقنيات الرنين المغناطيسي النووي ، والتقنيات الحسابية المرتبطة بها التي تسمح الآن بالتحديد السريع لهيكل البروتينات الكبيرة أو جزيئات الحمض النووي بدقة على المستوى الذري. يكشف مسح سريع لبنك بيانات البروتين (PDB) ، 54 المورد العالمي لجميع الهياكل البيولوجية الجزيئية المتاحة للجمهور ، أن عدد الهياكل المودعة على أساس سنوي شهد زيادة بنحو 10 أضعاف بين 1994 (3091) و 2004 ( 28992) انظر الشكل 3-2. مع هذه المعرفة الهيكلية للأهداف في متناول اليد ، يمكن للكيميائيين متابعة تصميم مركبات كيميائية جديدة بشكل عقلاني والتي إما ترتبط بمواقع محددة على سطح هذه الجزيئات المستهدفة أو تحاكي بنية الجزيء المستهدف وبالتالي التنافس على الارتباط بجزيء المستقبل .

الشكل 3-2 نمو عدد الهياكل المودعة سنويًا (باللون الرمادي) وإجمالي حيازات PDB (أسود) من وقت تأسيس البنك.

المصدر: أعيد طبعه من Dutta، S. and H.M. برمان. 2005. مجمعات جزيئية كبيرة في بنك بيانات البروتين: تقرير حالة. بنية 13 (3): 382 بإذن من إلسفير.

يوجد مثال ممتاز على التقارب التكنولوجي مع مجال في السيليكو، أو الفحص الافتراضي. تستفيد هذه المنهجية من التطورات الموضحة أعلاه فيما يتعلق بتحديد الهياكل للجزيئات المستهدفة بالإضافة إلى التطورات في أجهزة الكمبيوتر وخوارزميات المعلومات الكيميائية المتخصصة ، ما يسمى ببرامج الالتحام والتسجيل. يمكن تقييم عدة آلاف من المركبات الافتراضية بسرعة وفعالية للتكامل الجزيئي المستهدف المحتمل ، 55 كشرط أساسي للنشاط البيولوجي ، قبل إجراء أي كيمياء فعلية أو إجراء فحوصات بيولوجية. وبالتالي ، فإن نتاج هذا الجهد الحسابي هو جزيء مصمم بشكل منطقي يمكن ، بمجرد تصنيعه ، أن يعمل كمركب رئيسي في عملية اكتشاف الدواء.

الحالة الحالية للفنون

على الرغم من أن التصميم العقلاني للعقاقير قد حظي باهتمام كبير من صناعة المستحضرات الصيدلانية ومعترف به على أنه يمتلك إمكانات كبيرة للمستقبل ، فإن معظم الجهود التي تبذلها صناعة اكتشاف الأدوية اليوم تعكس مزيجًا من التصميم العقلاني المدعوم بالهيكل للمركبات وفحص HTS للمركبات. مكتبات المركبات المتنوعة. وبالتالي ، فإن استخدام الهيكل ، عند معرفته بهدف جزيئي معين ، قد يدخل حيز التنفيذ بمجرد تحديد مركب رئيسي من خلال عملية HTS ويتم بذل الجهود لتحسين هذا الرصاص وتحسين النشاط البيولوجي أو الخصائص الدوائية للمركب. المجال اليوم هو أن غياب المعرفة ببنية الجزيء المستهدف يُنظر إليه على أنه عائق حاسم أمام تطوير دواء جديد.

على النقيض من التصميم العقلاني للعلاجات الجزيئية الصغيرة ، فإن التصميم العقلاني للمركبات العلاجية القائمة على الحمض النووي أسهل بكثير حيث يتم تصنيع هذه المركبات لتكون مكملة لتسلسل الحمض النووي المستهدف. في حين أن علاجات الأحماض النووية القائمة على أليغنوكليوتيدات أو ريبوزيمات مضادة للحساسية ، فإن الحمض النووي الريبي النشط إنزيميًا الذي يشق متواليات محددة من الحمض النووي الريبي ، قد تم متابعتها لأكثر من عقد ، إلا أن وعدها لم يتحقق بعد بسبب الصعوبات في توصيل مركبات مستقرة إلى المواقع المرغوبة. تحدث تطورات كبيرة الآن ، على الرغم من ذلك ، في توفير الخصائص الدوائية المرغوبة للمركبات القائمة على سيرنا وأوليغنوكليوتيدات مورفولينو المضادة للحساسية.

التطبيقات المستقبلية

حيث يتم تحديد هيكل أعداد أكبر من الجزيئات المستهدفة المحتملة في المستقبل وكلاهما في السيليكو طرق الفرز والتوليف الكيميائي تستمر في التقدم ، يبدو من الواضح أن الاعتماد أكبر

من المحتمل أن تتطور على هذه الأنواع من الأساليب. من المرجح أن يؤدي التطبيق الأكبر لأساليب التصميم المنطقية القائمة على الهيكل إلى تسريع عملية الاكتشاف بشكل كبير.في حين أن هناك آثارًا مزدوجة الاستخدام لمثل هذه التقنيات ، كما هو الحال بالنسبة لأي تكنولوجيا متقدمة في علوم الحياة تقريبًا ، فمن المرجح أن تقصر البنية التحتية المطلوبة لمتابعة مثل هذا التصميم القائم على الهيكل للمركبات النشطة بيولوجيًا الجديدة استخدامها على الصناعة الصيدلانية المشروعة من أجل عدد السنوات. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أنه مثل قواعد بيانات تسلسل النيوكليوتيدات المفتوحة للجمهور ، يتم وضع أعداد متزايدة بسرعة من هياكل البروتين في المجال العام. من المرجح أن يستمر هذا الاتجاه بل ويتسارع ، وبما أن متطلبات أجهزة الكمبيوتر والبرمجيات لعرض وتفسير مثل هذه الهياكل تصبح بسيطة بشكل متزايد ، فإن هذه الأساليب ستصبح متاحة بشكل متزايد للعلماء خارج صناعة المستحضرات الصيدلانية.

علم الأحياء الاصطناعية
وصف

مجال البيولوجيا التركيبية و mdash الوليد البالغ من العمر 5 سنوات والذي يجذب المهندسين وعلماء الأحياء على قدم المساواة ويعني أشياء مختلفة للباحثين المختلفين. ينظر إليه المهندسون في المقام الأول على أنه طريقة لتصنيع ميكروبات مفيدة للقيام بما لا يمكن أن تفعله أي تقنية حالية (أي أنهم ينظرون إليها على أنها تخصص هندسي). يرى علماء الأحياء أنها طريقة جديدة قوية للتعرف على المبادئ الأساسية للوظيفة الخلوية.

على عكس علماء بيولوجيا الأنظمة (انظر الوصف لاحقًا في هذا الفصل) ، الذين يتبنون نهج الصورة الكبيرة للبيولوجيا من خلال تحليل مجموعة من البيانات حول النشاط المتزامن لآلاف الجينات والبروتينات ، يختزل علماء الأحياء التركيبية الأنظمة نفسها إلى أبسط مكوناتها. إنهم ينشئون نماذج للدوائر الجينية ، ويبنون الدوائر ، ويرون ما إذا كانت تعمل ، ويعدلونها إذا لم يفعلوا ، ويتعلمون المبادئ الأساسية للبيولوجيا في هذه العملية. من خلال فحص الأنماط البسيطة للتعبير الجيني ومعالجة قطع الحمض النووي كوحدات ، والتي ، مثل Legos & trade ، يمكن تقسيمها معًا ، ينشئ علماء الأحياء التركيبية لوحات منطقية كيميائية حيوية تتحكم في كل من النشاط داخل وخارج الخلية.

نظرًا لأن الطبيعة الجزيئية للعديد من التفاعلات الخلوية مفهومة جزئيًا فقط ، فإن معظم الدوائر الوراثية الاصطناعية تتطلب قدرًا أكبر من الصقل التجريبي بعد العمل الحسابي الأولي. يستخدم بعض العلماء خلط الحمض النووي لتبسيط العملية التجريبية. بعد إدخال دارات DNA المتحولة في الخلايا واختيار تلك الخلايا (والدوائر الموجودة فيها) التي تحقق أفضل أداء ، يمكن للباحثين تطوير منتج فعال في بضعة أجيال فقط. 56

الحالة الحالية للفنون

أحد أهداف هذا المجال هو تحويل البكتيريا إلى أجهزة كمبيوتر صغيرة قابلة للبرمجة. مثل أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية ، ستستخدم الدوائر البكتيرية الحية كلاً من الدوائر المنطقية التناظرية والرقمية لإجراء عمليات حسابية بسيطة. على سبيل المثال ، يعمل الباحثون على تطوير وحدات معيارية ، مثل أجهزة الاستشعار والمحركات وأجهزة الإدخال والإخراج والدوائر الجينية للتحكم في الخلايا والهيكل الميكروبي لتجميع هذه القطع. إذا كانت ناجحة ، فإن & ldquoregistry من الأجزاء البيولوجية & rdquo سيسمح للباحثين بالذهاب إلى الفريزر ، والحصول على جزء منه ، وربطه. من المحتمل ألا تنافس القوة الحاسوبية للخلايا القابلة للبرمجة أبدًا نظيراتها الإلكترونية. بدلاً من ذلك ، يكمن جمال البيولوجيا التركيبية في ما يمكن أن تفعله الخلايا الحية.

في عام 2000 ، تم إنشاء دائرة وراثية ldquocircuit & rdquo في بكتريا قولونية الذي جعل الخلايا تومض مثل المنارة. 58 الدائرة التي كانت تسمى & ldquothe repressilator & rdquo تتألف من ثلاثة جينات مثبطة ، أحدها يعمل على جين للبروتين الفلوري الأخضر (GFP) ، والذي ، عند تنشيطه ، ينبعث منه وهج أخضر. بعد ثلاث سنوات ، قامت مجموعة بحثية أخرى بإنشاء دائرة وراثية عن طريق صياغة مفتاح & ldquotoggle & rdquo الذي يمكنه تأرجح الدائرة وتغيير نمطها اعتمادًا على ظروف النمو. 59 باستخدام هذه التقنية ، طور الباحثون بعد ذلك إجراءً لإعادة هندسة بروتين بكتيري يرتبط بـ TNT (مادة متفجرة) والذي ، عند ربطه ، ينشط دائرة جينية تنتج GFP. 60 هذا يوضح جهدًا أوليًا لهندسة الكائنات الحية التي تعمل كحراس بيولوجيين ، أو تحديد المتفجرات أو الكشف عن وجود أسلحة بيولوجية.

في عام 2004 ، صمم باحثون في إسرائيل نموذجًا أوليًا و ldquoDNA computer & rdquo له القدرة على التحليل المنطقي لمؤشرات مرض الرنا المرسال في المختبر (أي ، في هذه الحالة ، العلامات المبكرة لسرطان البروستاتا والرئة) والتحكم في إدارة جزيئات ssDNA النشطة بيولوجيًا ، بما في ذلك الأدوية. 61 الإجراء غير ضار نسبيًا ، حيث يتطلب حقن كمية صغيرة جدًا من السوائل التي تحتوي على مليارات من الجسيمات النانوية ، كل منها يعمل كجهاز كمبيوتر صغير عن طريق استجواب الخلية بشكل فعال واكتشاف وجود علامات الحمض النووي التشخيصية (على سبيل المثال ، متواليات mRNA المتحولة أو مرنا ناقص التعبير أو مفرط التعبير). إذا كانت العلامات موجودة ، فإن الجسيم النانوي يرسل حمض نووي قصير علاجي يمكن أن يؤثر على مستوى التعبير الجيني.

التطبيقات المستقبلية

تمتلك تقنية البيولوجيا التركيبية العديد من التطبيقات المحتملة ، بما في ذلك تصميم البكتيريا التي يمكنها اكتشاف توقيعات العوامل الكيميائية أو البيولوجية ، وهندسة البكتيريا التي يمكنها تنظيف الملوثات البيئية ، وهندسة الكائنات أو المركبات التي يمكنها تشخيص الأمراض أو إصلاح الجينات المعيبة. على الرغم من أن الجهود الأولية تتركز على الخلايا الميكروبية ، إلا أن بعض علماء الأحياء الاصطناعية يتخيلون يومًا سيكونون فيه قادرين على توفير

غرام من الخلايا الجذعية البالغة لأغراض علاجية (على سبيل المثال ، لترميم القلب التالف).

عالم أخلاقيات الهندسة Aarne Vesilind (جامعة Bucknell) هو واحد من العديد من العلماء الذين يروجون لفكرة أن علماء الأحياء الاصطناعية وعلماء الأخلاق يعقدون مؤتمرًا شبيهًا بـ Asilomar حول البيولوجيا التركيبية و mdashm إلى حد كبير الذي عقد في فجر أبحاث الهندسة الوراثية في منتصف السبعينيات و mdashto يحدد المهندسين الأحيائيون & rsquo & ldquoresponsquo؛ هل يجب أن تعيش هذه الكائنات المهندسة خارج المختبر لتسبب ضررًا لصحة الإنسان أو البيئة. 62 تم التخطيط الآن لعدة جهود لفحص الآثار المترتبة على هذا النوع من العمل ، بما في ذلك دراسة ممولة من مؤسسة واحدة تضم ثلاث مؤسسات ، تلعب اثنتان منها دورًا رئيسيًا في أبحاث الجينوم التركيبي. 63 بالإضافة إلى ذلك ، حدد المجلس الاستشاري العلمي الوطني للأمن البيولوجي علم الجينوم التركيبي باعتباره مجال اهتمام رئيسي. تطرح الهندسة الوراثية للفيروسات العديد من نفس القضايا.

الهندسة الوراثية للفيروسات
وصف

كما هو موضح أعلاه ، فإن تطوير تقنية الحمض النووي المؤتلف والقدرة على معالجة تسلسل الحمض النووي في الأنواع البكتيرية مثل بكتريا قولونية أدى بمرور الوقت إلى القدرة على إدخال أي جين مرغوب فيه تقريبًا في أي نوع من الخلايا بدائية النواة أو حقيقية النواة. يسمح وضع الحمض النووي المُدخَل تحت ضوابط نسخية مناسبة ، والبروتين المشفر بواسطته تحت تحكم ترجمة مناسب ، لهذا الجين بتوجيه التعبير عن أي نوع من البروتين تقريبًا: علامة فلورية (كما في GloFish الموصوفة في الفصل 1) ، إنزيم قد تعمل كمراسل ، أو علامة مقاومة للمضادات الحيوية ، أو حتى كسم. باستخدام تقنيات متشابهة جدًا ، يمكن إدخال الجينات ذات الأهمية (الخاضعة لقيود الحجم) في جينومات العديد من أنواع فيروسات الحمض النووي المختلفة ، بدءًا من الفيروسات الغدية إلى فيروسات الهربس. تثير هذه القدرات مخاوف واضحة ومقنعة بشأن الاستخدام المزدوج.

يقدم إدخال تسلسل الجينات غير المتجانسة في جينومات فيروسات RNA ، أو أنواع أخرى من التعديلات على جينومات RNA لهذه الفيروسات ، مجموعة خاصة من الصعوبات التقنية بسبب حقيقة أن المادة الوراثية هي RNA ، وهي أقل استقرارًا من DNA. وليست قابلة لتقنيات الربط الجيني التي جعلت تقنية الحمض النووي المؤتلف متعددة الاستخدامات. ومع ذلك ، فقد تم تحقيق ذلك لعدد متزايد من أنواع مختلفة من فيروسات الحمض النووي الريبي. علاوة على ذلك ، نظرًا لصغر حجم جينومات الحمض النووي الريبي هذه ، فقد ثبت أنه من الممكن تخليق جميع المواد الجينية اللازمة تمامًا لاستعادة جزيئات الفيروس المعدية تمامًا مع قابلية العدوى من النوع البري والفوعة والتكاثر.

تأتي فيروسات RNA في عدة أنواع ، اعتمادًا على عدد خيوط RNA في كل جزيء من جينومها (أي جزيئات RNA أحادية الشريطة أو مزدوجة الشريطة) وعدد الأجزاء الجينومية (واحد أو أكثر). أثبتت الهندسة الوراثية لفيروسات الحمض النووي الريبي أحادية السلسلة التي يكون فيها الحمض النووي الريبي قطبية موجبة (أي نفس معنى الحمض النووي الريبي المرسال الذي يشفر البروتينات الفيروسية) أكثر وضوحًا. من المعروف منذ سنوات عديدة أن الحمض النووي الريبي الجينومي المعزول من فيروسات الحمض النووي الريبي الموجبة ، مثل فيروس شلل الأطفال ، معدي جوهريًا. عند نقل العدوى (أي إدخالها) إلى خلية متساهلة في حالة عدم وجود أي بروتينات مصاحبة ، سيؤدي هذا الحمض النووي الريبي مباشرة إلى تخليق البروتينات الفيروسية ، والتي ستبدأ بعد ذلك في تجميع الآلية التكاثرية اللازمة لعمل نسخ إضافية من الحمض النووي الريبي. بالإضافة إلى المزيد من البروتين الفيروسي ، مما يؤدي في النهاية إلى تجميع و & ldquorescue & rdquo للفيروس المعدي بالكامل ، والذي يتم بعد ذلك إطلاقه بشكل عام من الخلية.

للتلاعب بجينوم الحمض النووي الريبي الفيروسي ، طور العلماء في عصر البيولوجيا الجزيئية طرقًا أنزيمية فعالة لإنشاء نسخ تكميلية من الحمض النووي الريبي (cDNA) من الحمض النووي الريبي الجيني الفيروسي باستخدام إنزيمات النسخ العكسي المشفرة بواسطة الفيروسات القهقرية. يمكن تصميم هذا (كدنا) بحيث يكون له نهايات & ldquosticky & rdquo ، مما يسمح بعد ذلك باستنساخه جزيئيًا بكتريا قولونية، حيث يمكن التلاعب بها بجميع الأساليب الحديثة المتاحة. يمكن أن يشمل ذلك حذف تسلسلات تشفير البروتين ، أو إنشاء حذف أو طفرات نقطية ، أو حتى إدخال تسلسلات جديدة تمامًا لترميز البروتين. يمكن بعد ذلك وضع (كدنا) المعدل في اتجاه مجرى تسلسل محفز مناسب لبوليميراز الحمض النووي الريبي المعتمد على الحمض النووي الريبي (DNA) وجينوم الحمض النووي الريبي الفيروسي الجديد المصمم جزيئيًا والذي تم نسخه بكفاءة في تفاعل النسخ في المختبر. يمكن بعد ذلك نقل الحمض النووي الريبي المنسوخ مرة أخرى إلى خلية متساهلة ، وإذا كانت الطفرات المدخلة متوافقة مع استمرار بقاء الفيروس ، فسوف تؤدي إلى ظهور فيروسات معدية جديدة.

تُعرف العملية التي يستخدم بها علماء الفيروسات هذه الطريقة ، والتي تتضمن تحويل التسلسل الجيني للفيروس من الحمض النووي الريبي إلى الحمض النووي والعودة إلى الحمض النووي الريبي ، بشكل عام من أجل تقييم تأثير الطفرات على دورة الحياة الفيروسية أو الخصائص المسببة للأمراض ، باسم & ldquoreverse الهندسة الوراثية. & rdquo يستخدم هذا النهج على نطاق واسع من قبل علماء الفيروسات الجزيئي الموجب. أجريت لأول مرة في عام 1980 مع فيروس شلل الأطفال ، وقد تم الآن إنشاء 64 نسخة معدية من cDNA لأعضاء العديد من عائلات فيروسات الحمض النووي الريبي إيجابية تقطعت بهم السبل ، بما في ذلك فيروس موزاييك البروم ، وفيروس الحمى الصفراء 65 ، وفيروس 66 Sindbis ، و 67 citrus tristeza virus ، 68 والتهاب الشرايين الخيول الفيروس. 69 في حالة فيروس التهاب الكبد الوبائي سي ، فيروس ذو حبلا موجب في الولايات المتحدة فلافيفيريدي، تطلبت عملية الإنقاذ من الفيروسات بشكل عام حقن الحمض النووي الريبي الاصطناعي مباشرة في كبد الشمبانزي. من ناحية أخرى ، فإن فيروس شلل الأطفال المعدي بالكامل هو أحد أفراد الأسرة Picornaviridae، تم استعادته في تفاعل خالٍ من الخلايا تم إجراؤه في المختبر في نظام استخراج الخلايا الأمثل.

في الماضي ، كان من الصعب إجراء هندسة عكسية لفيروسات كورونا ، التي تحتوي على أكبر جينومات من جميع فيروسات الحمض النووي الريبي الموجبة (يبلغ طولها حوالي 30 كيلو قاعدة) ، بسبب الحجم الهائل وعدم استقرار استنساخ الحمض النووي الريبي كامل الطول في النواقل البكتيرية. 70 ومع ذلك ، فإن التطورات التكنولوجية الحديثة جعلت من الممكن عكس هندسة حتى هذه أكبر فيروسات الحمض النووي الريبي المعروفة ، 71 بما في ذلك العامل المسبب لمتلازمة الجهاز التنفسي الحادة الوخيمة (سارس) ، وهو فيروس كورونا غير موصوف سابقًا. 72

وبالمثل ، فقد ثبت أن الهندسة الوراثية العكسية لفيروسات الحمض النووي الريبي السالبة 73 أكثر صعوبة ، نظرًا لحقيقة أن جينومات RNA لهذه الفيروسات لا تعمل بشكل مباشر كرنا مرسال ، وبالتالي لا تؤدي إلى ظهور سلالات فيروسات معدية بعد إدخالها في الخلايا المتساهلة. تتطلب هذه الحمض النووي الريبي التعبير عن بروتينات فيروسية معينة ، من أجل صنع نسخ موجبة من جينوم الحمض النووي الريبي السالب الذي تقطعت به السبل وبدء الدورة التكاثرية. تم تطوير التكنولوجيا لتحقيق ذلك لأول مرة لفيروس الأنفلونزا أ في أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينيات. مثل الجهود السابقة مع فيروسات الحمض النووي الريبي الإيجابية ، فإن هذه الجهود لم تحسن بشكل كبير فهمنا لكيفية تكاثر هذه الفيروسات فحسب ، بل أوجدت أيضًا وسائل للتلاعب الجيني الفيروسي من أجل توليد فيروسات جديدة لاستخدامها كلقاحات حية موهنة. أو نواقل. 74

في البداية ، تطلبت الهندسة العكسية لفيروس الأنفلونزا استخدام فيروسات مساعدة ، والتي وفرت البروتينات وشرائح الحمض النووي الريبي التي أعيد تشكيلها في RNPs في المختبر (على سبيل المثال ، مجمعات البروتين النووي المعاد تشكيلها المحتوية على الحمض النووي الريبي المنسوخ من cDNA المستنسخة جزيئيًا) اللازمة لتكون معدية بعد تعداء في الخلايا. في وقت لاحق ، تم تطوير طرق بديلة لإدخال الإنفلونزا في الخلايا ، بما في ذلك الإنقاذ الذي يحركه البلازميد بالكامل والذي لا يتطلب مشاركة فيروس مساعد. 75 سمح النظام الأخير القائم على البلازميد بهندسة سهلة للجينومات الفيروسية ذات الطفرات النوعية المتعددة. بحلول عام 2001 ، أنتج مختبر واحد على الأقل فيروس H5N1 الممرض باستخدام الهندسة العكسية. 76

بالإضافة إلى فيروس الأنفلونزا أ ، وكما تم تلخيصه في الورقة التي ظهرت في مجلة علم الفيروسات في عام 1999 ، 77 في عقدها الأول ، تم استخدام التكنولوجيا لعكس هندسة ، أو & ldquorecover & rdquo العديد من فيروسات الحمض النووي الريبي السلبية الأخرى بما في ذلك فيروس داء الكلب ، وفيروس التهاب الفم الحويصلي ، و 79 فيروسًا تنفسيًا مخلويًا ، و 80 فيروس الحصبة ، و 81 فيروس سينداي ، و 82 نظير الإنفلونزا البشرية النوع 3 ، 83 فيروس الطاعون البقري ، 84 فيروس القرد ، 85 الفيروس المخلوي التنفسي البقري ، 86 فيروس مرض نيوكاسل ، 87 وفيروس بونيا. 88

الحالة الحالية للفنون

في الآونة الأخيرة ، كما هو مذكور في الفصل الأول ، تم استخدام الهندسة العكسية لإنتاج فيروسات الإنفلونزا المعدية التي تحتوي على الفيروس

جينات الهيماجلوتينين (HA) والنورامينيداز (NA) من السلالة التي تسببت في جائحة الإنفلونزا المدمر 1918-1919 & ldquo الإسبانية و rdquo. أظهر العلماء أن HA لفيروس عام 1918 يمنح القدرة المرضية المعززة في الفئران للفيروسات البشرية الحديثة غير المسببة للأمراض في مضيف الفئران. HA هو بروتين سطحي رئيسي يحفز إنتاج الأجسام المضادة المعادلة في المضيف ، والتغيرات في قطعة الجينوم التي تشفرها قد تجعل الفيروس مقاومًا للأجسام المضادة المعادلة الموجودة مسبقًا ، وبالتالي زيادة احتمالية الأوبئة أو أوبئة المرض. علاوة على ذلك ، أثارت الفيروسات المهندسة العكسية التي تعبر عن HA الفيروسي عام 1918 أعراضًا مميزة للمرض الناتج خلال الجائحة الأصلية. 89

مع التسلسل الجيني الكامل لفيروس الأنفلونزا H1N1 ، المشار إليه في الفصل الأول ، تساءل البعض عما إذا كان ينبغي نشر هذه الدراسات 90 في الأدبيات المفتوحة نظرًا للمخاوف من أن الإرهابيين يمكنهم ، من الناحية النظرية ، استخدام المعلومات لإعادة بناء إنفلونزا 1918 الفيروس. 91 وتجدر الإشارة إلى أنه بالإضافة إلى مراجعة النظراء العلمية & ldquonormal & rdquo ، فإن محرري علم طلب من المؤلفين إثبات حصولهم على الموافقة لنشر أبحاثهم من مدير مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها ، ومدير المعهد الوطني للحساسية والأمراض المعدية. 92 علاوة على ذلك ، طُلب من المجلس الاستشاري العلمي الوطني للأمن الحيوي (NSABB) النظر في هذه الأوراق قبل النشر وقرر أن الفائدة العلمية للاستخدام المستقبلي لهذا البحث تفوق بكثير المخاطر المحتملة لسوء الاستخدام. 93

التطبيقات المستقبلية

توضح الهندسة العكسية للعامل المسبب لمرض السارس العديد من التطبيقات المفيدة المحتملة للتكنولوجيا. بالإضافة إلى فتح فرص جديدة لاستكشاف مدى تعقيد جينوم SARS-Coronavirus ، يوفر توفر cDNA كامل الطول نموذجًا جينيًا لمعالجة الجينوم بطرق تسمح بالتطوير السريع والعقلاني واختبار اللقاحات المرشحة و المداواة. 94 من خلال تحور العديد من البروتينات الصغيرة التي يبدو أن هذا الفيروس التاجي الفريد يعبر عنها ، سيتعلم العلماء وظيفتها في تكاثر الفيروس و / أو التسبب في المرض ، ويحتمل أن يحددوا أهدافًا مفيدة لجهود اكتشاف الأدوية.

يعتبر نظام الهندسة الوراثية العكسية الإنفلونزا مثالاً ممتازًا لإمكانية استخدام هذه التكنولوجيا بقصد إلحاق الضرر. كما تم تلخيصه في مقال صدر عام 2003 عن الاستخدام المحتمل لفيروس الأنفلونزا كعامل للإرهاب البيولوجي ، فيما يتعلق بالتطورات التي سمحت بإنتاج خالي من الفيروسات المساعدة لفيروس H5N1 الممرض ، كتب عالم الفيروسات روبرت إم. :

هناك كل الأسباب للاعتقاد بأنه يمكن استخدام تقنيات الحمض النووي المؤتلف نفسها لجعل فيروس H5N1 ينتقل من البشر إلى البشر. علاوة على ذلك ، ينبغي أن يكون من الممكن إدخال طفرات في مثل هذا الفيروس المؤتلف بحيث يكون مقاومًا لمضادات فيروسات الأنفلونزا المتوفرة حاليًا (مثبطات M2: مثبطات الأمانتادين والريمانتادين و NA: زاناميفير وأوسيلتاميفير) ، بحيث يمتلك موقع مستضد HA هذا على عكس تلك الموجودة في الفيروسات البشرية المنتشرة مؤخرًا. في الواقع ، يمكن إنشاء عدة فيروسات ذات مواقع مستضدية مختلفة لـ HA. قد يفتقر البشر إلى الحماية المناعية ضد مثل هذه الفيروسات ، ولن توفر الأدوية المضادة للفيروسات الموجودة أي حماية ، ويمكن أن تنتشر هذه الفيروسات ببساطة عن طريق إطلاق رذاذ الهباء الجوي في العديد من المناطق المزدحمة. 95

3. فهم النظم البيولوجية والتلاعب بها

يظهر فهم أكثر شمولية للأنظمة البيولوجية المعقدة (على سبيل المثال ، طريقة عمل خلية سليمة أو كائن متعدد الخلايا أو مجتمع ميكروبي معقد) من خلال مجموعة من التقنيات التي تسمح بجمع مجموعات واسعة وشاملة (شديدة التوازي) من البيانات من أجل أنواع متعددة من العمليات البيولوجية ، وتكامل مجموعات البيانات هذه ، وتحديد المكونات أو المسارات الحرجة. يمكن بعد ذلك أن تكون المكونات الحرجة أهدافًا للتدخل العلاجي والوقائي أو التلاعب ، كما يمكن أن تكون أيضًا أهدافًا للتلاعب الخبيث وكأساس لأنواع جديدة من الهجوم البيولوجي. في الوقت نفسه ، ستعزز التقنيات التي تسهل فهمًا أفضل للتحكم داخل الخلايا والأعضاء والحيوان بالكامل و ldquocircuitry & rdquo من قدرة العلماء على معالجة هذه الأنظمة المعقدة.

تتضمن أمثلة بعض التقنيات التي تؤدي إلى هذا النوع من النظرة الشاملة المجال / الانضباط الناشئ في علم الأحياء & ldquosystems & rdquo 96 والطب الجيني. تتضمن أمثلة الأدوات التي يمكن استخدامها لمعالجة الأنظمة البيولوجية المعقدة إسكات الجينات ، وكواشف الارتباط الجديدة (على سبيل المثال ، الحمض النووي وأبتاميرات الببتيد ، والأجسام المضادة المصممة هندسيًا) ، ومعدلات الجزيئات الصغيرة للأنظمة الفسيولوجية. من نواح كثيرة ، تفتح هذه الفئة من التقنيات جوانب جديدة تمامًا للمناظر الطبيعية للدفاع البيولوجي وعامل التهديد البيولوجي في المستقبل وتغير النموذج الأساسي للمناقشات المستقبلية حول هذا الموضوع.

تدخل الحمض النووي الريبي

تم ملاحظة تداخل RNA و mdashal المعروف أيضًا باسم إسكات RNAi و RNA و mdashwas لأول مرة في النباتات عندما لوحظ أن الجينات الداخلية و & ldquoforeign & rdquo يبدو أنها تحول بعضها البعض عن طريق عملية سميت في البداية

& ldquoco-suppression. & rdquo 97 ما كان يعتقد في البداية أنه خاص بزهور البتونيا وجد لاحقًا في النباتات والحيوانات الأخرى أيضًا. تُعرف هذه الظاهرة الآن باسم تداخل الحمض النووي الريبي ، ومن المعروف أنها آلية دفاع مضاد للفيروسات شائعة في النباتات وظاهرة شائعة في العديد من الكائنات الحية الأخرى ، بما في ذلك الثدييات. من الواضح أيضًا بشكل متزايد أن RNAi يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالتنظيم الواسع للتعبير الجيني بواسطة جزيئات RNA الصغيرة جدًا المعبر عنها داخليًا ، والتي تسمى micro-RNAs (miRNA). ينفجر هذا المجال باكتشافات جديدة بشكل شبه يومي تتعلق بدور الجزيئات المجهرية في تنظيم التعبير الجيني أثناء التطور وبعده. يؤدي تفاعل miRNAs الداخلية مع mRNAs الخلوية التي تشفر بروتينات معينة إلى قمع تعبير البروتين ، إما عن طريق إضعاف استقرار mRNA أو عن طريق قمع ترجمته إلى بروتين. حقيقة أن RNAs الصغيرة ، مزدوجة الشريطة إلى حد كبير من هذا النوع ، والتي يبلغ طولها حوالي 21 نيوكليوتيد ، يمكن أن تلعب مثل هذا الدور الواسع والأساسي على ما يبدو في التنمية والتحكم في التوازن الخلوي ، لم يتم تقديرها على الإطلاق منذ بضع سنوات فقط. التحولات المفاجئة وغير المتوقعة في النموذج والانعطافات الحادة في الطريقة التي يعتقد العلماء أنها ممكنة في تقدم علوم الحياة (الشكل 3-3).

الآلية الجزيئية الأساسية لـ RNAi هي كما يلي. الرناوات الطويلة مزدوجة الشريطة (dsRNAs عادةً & gt200 nucleotides طويلة) تُسكِت التعبير عن الجينات المستهدفة عند دخول مسار خلوي يُشار إليه عادةً بمسار RNAi. أولاً ، في ما يسمى بخطوة البدء ، تتم معالجة dsRNAs إلى 20 إلى 25 نيوكليوتيد صغير من الحمض النووي الريبي المتداخل (siRNAs) بواسطة إنزيم يشبه Rnase III يسمى Dicer. ثم تتجمع siRNAs في مجمعات تحتوي على نوكلياز endoribonuclease تُعرف باسم مجمعات الإسكات التي يسببها الحمض النووي الريبي (RISCs) ، وتفكك في هذه العملية. تقوم خيوط siRNA بعد ذلك بتوجيه RISCs إلى جزيئات RNA التكميلية ، حيث يشق مركب RISC ويدمر RNA المتشابه (أي ، هذه هي خطوة المستجيب). يتم إنشاء miRNAs بطريقة مماثلة من RNAs المعبر عنها داخليًا والتي تحتوي على هياكل قصيرة دبوس الشعر ، باستخدام بروتين شبيه بـ Dicer. إنهم قادرون على إسكات التعبير الجيني بالمثل ، لكن يمكنهم أيضًا توجيه إسكات ما بعد النسخ عن طريق منع ترجمة مرنا مضيف مستهدف. يعتمد هذا التأثير اللاحق عادةً على الارتباط بتسلسل هدف مكمل جزئيًا بالقرب من النهاية 3 & rsquo للـ mRNA.

إن الحمض النووي الريبي محدد للغاية وقوي بشكل ملحوظ (لا يلزم سوى عدد قليل من جزيئات الرنا المزدوج لكل خلية للتداخل الفعال) ، ويمكن أن يحدث نشاط التداخل في الخلايا والأنسجة البعيدة عن موقع الإدخال.

الشكل 3-3 عملية تدخل الحمض النووي الريبي.

المصدر: ستيفن بلوك ، عرض تقديمي للجنة ، أبريل 2004.

الحالة الحالية للفنون

من المتوقع أن تثبت هذه التقنية قيمة خاصة في الحالات التي يشفر فيها الحمض النووي الريبي المستهدف الجينات ومنتجات البروتين التي يتعذر الوصول إليها من قبل الأدوية التقليدية (مثل العلاجات البروتينية والجزيئات الصغيرة والأجسام المضادة أحادية النسيلة). ومع ذلك ، فإن الولادة السريرية تشكل تحديًا كبيرًا ، وكذلك احتمال إسكات الجينات غير المستهدفة غير المرغوب فيه. 98 ومع ذلك ، تشير العديد من التجارب الحديثة إلى أن الباحثين في طريقهم جيدًا للتغلب على هذه التحديات وخلق مخاطر الاستخدام المزدوج الناشئة في شكل مسببات الأمراض القائمة على الهندسة الحيوية RNAi. في عام 2003 ، أعلن فريق بحث ألماني عن ناقل الفيروس البطيء الناجح

تسليم إسكات الجينات في الجسم الحي باستخدام RNAi. 99 أيضًا في عام 2003 ، أعلن الباحثون عن الاستخدام الناجح للحقن الوريدي عالي الضغط والحجم الكبير من سيرنا الاصطناعية. 100 أظهرت دراسات أخرى إمكانية توصيل الحمض النووي الريبي لأعضاء معينة ، مثل العينين و 101 رئة و 102 والجهاز العصبي المركزي. 103 على الرغم من أن التجارب البشرية على RNAi قد بدأت في علاج الضمور البقعي المرتبط بالعمر ، 104 يمكن القول إن طريقة التسليم النظامية لها فائدة إكلينيكية أكبر. يتم إحراز تقدم كبير نحو هذا الهدف ، ومع ذلك ، باستخدام تركيبات الجسيمات النانوية الدهنية والجسيمات النانوية الدهنية من siRNAs المعدلة كيميائيًا ، وبالتالي المستقرة. وصف العلماء في شركة Sirna ، وهي شركة صغيرة للتكنولوجيا الحيوية تعمل لأكثر من عقد من الزمان على العلاجات القائمة على الحمض النووي ، مؤخرًا انخفاضًا بمقدار 1000 مرة في كمية فيروس التهاب الكبد B الموجود في دم الفئران التي تنسخ هذا الفيروس في الكبد ، بعد سلسلة من ثلاثة لقاحات وريدية منفصلة لجزيئات نانوية دهنية مصاغة ومعدلة كيميائياً ، سيرنا.


كمبريدج ، ماساتشوستس ، 25 مارس / آذار 2021 / بي آر نيوزواير / - أعلن معهد برود التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد اليوم إطلاق مركز إريك وويندي شميدت ، وهي مبادرة ممولة بهدية قدرها 150 مليون دولار من شميدت ستحفز مبادرة جديدة الانضباط العلمي عند تقاطع علم الأحياء والتعلم الآلي. سيجمع المركز ، الذي يقع مقره في كامبريدج في معهد برود ، شبكة عالمية وتعاونية عبر الأوساط الأكاديمية والصناعية لتعزيز البحث متعدد التخصصات بين البيانات وعلوم الحياة لتحويل علم الأحياء وتحسين صحة الإنسان في نهاية المطاف. تقديراً لهدية شميدتس ، أعلنت مؤسسة برود عن منحة إضافية بقيمة 150 مليون دولار لمعهد برود. حتى الآن ، تعهدت مؤسسة Broad Foundation بأكثر من مليار دولار لإنشاء معهد Broad وإعطائه.

ألهمت ثورتان أخيرتان إنشاء مركز شميدت: النمو الهائل والتكيف الواسع النطاق لتقنيات البيانات مثل التعلم الآلي والحوسبة السحابية ، والتقدم الهائل في توليد كميات هائلة من البيانات حول الأنظمة الحية من خلال الجيل التالي من تسلسل الحمض النووي ، وخلية واحدة الجينوميات والتصوير الطبي المتقدم.

حتى الآن ، تطورت هذه الحقول إلى حد كبير بالتوازي. سيؤدي التقارب بينهما إلى إنشاء حقبة جديدة من البيولوجيا ، من المتوقع أن تسفر عن فهم عميق للعمليات البيولوجية ، بهدف نهائي هو تحسين صحة الإنسان من خلال الوقاية والتشخيص والعلاج الأكثر فعالية للأمراض. سيتطلب ذلك إنشاء مراكز امتياز يمكنها تحديد المشكلات ذات الأهمية البيولوجية الأساسية ، وترجمتها إلى لغة التعلم الآلي ، ثم دعوة كبار الباحثين من جميع أنحاء العالم لحلها بشكل تعاوني.

يعمل هذا النهج على تطوير عمل إريك وويندي شميدت من خلال Schmidt Futures ، وهي مبادرة خيرية أسساها للمراهنة مبكرًا على أشخاص استثنائيين يجعلون العالم أفضل ، لا سيما من خلال الاختراقات المبتكرة في العلوم والتكنولوجيا. يمثل مركز شميدت أكبر هدية خيرية للمبادرة حتى الآن.

سيشارك في إدارة مركز شميدت كارولين أولر ، أستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر ومعهد البيانات والأنظمة والمجتمع في MIT وعضو مشارك في معهد Broad و أنتوني فيليباكيس ، كبير مسؤولي البيانات في شركة Broad.

أوضح لنا الوباء أن إعطاء الأولوية للعلم والابتكار والبحث هو أحد أعظم الاستثمارات التي يمكننا القيام بها في مستقبلنا ، كما قال إريك شميدت ، عضو مجلس إدارة معهد برود والمؤسس المشارك مع زوجته ويندي من شركة شميت فيوتشرز ، مؤسسة عائلة شميدت ، ومعهد شميدت للمحيطات. ومثلما رأى إيلي وإيدي برود إمكانية إنشاء معهد برود ، أعتقد أن ويندي وهذا المركز لديه وعد بإنشاء مجال علمي جديد يمكن أن يفيد صحة الإنسان بطرق لا يمكننا حتى أن نتخيلها. يعد معهد برود أرضًا خصبة بشكل فريد لإنشاء مركز امتياز في هذا المجال الجديد. بدءًا من أصوله في مشروع الجينوم البشري وامتداده إلى علم الوراثة الإحصائي وعلم الجينوم أحادي الخلية ، برع معهد Broad في ربط أفضل العلماء ومهندسي البرمجيات في العالم وتزويدهم بالأدوات الصحيحة للبحث عن إجابات للأسئلة التي كان يعتقد سابقًا أنها مستحيلة . & مثل

& quotBiology ينتج الآن بيانات بمقاييس لم يكن بالإمكان تصورها سابقًا — لكن قدرتنا على فهم وتفسير تلك البيانات لم تواكب وتيرتها ، كما قال تود جولوب ، مدير معهد برود. & quot ؛ إن تكييف أساليب التعلم الآلي في علم الأحياء سيمنح العلماء فرصة لفهم برامج الحياة ، وسيمكن مركز إريك وويندي شميدت من إقامة شراكات جديدة بين الأوساط الأكاديمية والصناعة يمكن أن تسرع تقدمنا ​​بشكل كبير. & quot

& quot رهان Eli و Edye Broad قبل 15 عامًا ، حيث انضموا إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد لتعزيز وعد الطب الجيني ، & quot؛ قال جيرون رايلي ، رئيس The Broad Foundation وعضو مجلس إدارة معهد Broad. & quot

خلق نظام بيئي تعاوني

سيقوم مركز إريك وويندي شميدت بجذب المواهب من جميع أنحاء المجتمع العريض ، بما في ذلك مستشفيات معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد ومستشفيات هارفارد التعليمية. وسوف تستفيد وتشارك في العمل الرائد الجاري بالفعل في Broad ، مثل النماذج والاستدلال وخوارزميات الأمبير (MIA) مبادرة على نطاق واسع وعبر المؤسسات تعلم الآلة من أجل الصحة (ML4H) مع الهدف المشترك المتمثل في تمكين نظام بيئي عالمي وتعاوني لتحفيز هذا المجال الجديد. يتم تنظيم المركز حول مبادئ الأخلاق والإنصاف ، حيث يركز الباحثون على إشراك الفئات غير الممثلة تمثيلاً ناقصًا ، وتوقع النتائج للفئات الضعيفة ، وتطوير أدوات مفتوحة المصدر من شأنها أن تحقق أقصى فائدة للجميع ، بما في ذلك العرق والجنس والوضع الاجتماعي والاقتصادي وغير ذلك.

& quot؛ من الأهمية بمكان أن نطور شبكة شاملة من الشركاء من مختلف المجتمعات الطبية الحيوية والسريرية ، فضلاً عن الأوساط الأكاديمية والصناعية ، كما قال أوهلر ، المدير التنفيذي المشارك لمركز شميدت. & quot من خلال ربط الأطباء بعلماء التكنولوجيا الحيوية وعلماء البيانات المدربين في مجالات متنوعة - من الرياضيات إلى علوم الكمبيوتر والهندسة الكهربائية والبيولوجيا الحاسوبية - يمكننا البدء في اكتساب رؤى غير مسبوقة في بيولوجيا الخلايا والأنسجة والكائنات الحية. & quot

بالإضافة إلى الاستمرار في العمل عن كثب مع معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد والمستشفيات التابعة لجامعة هارفارد ، وكذلك من خلال الشراكات التكنولوجية الحالية التي أقامتها شركة Broad بالفعل مع Bayer و IBM و Intel و Verily ، فإن مركز إريك وويندي شميدت سيجلب مجموعة جديدة من المتعاونين. يشملوا:

  • Mila (معهد كيبيك للذكاء الاصطناعي) ، بقيادة يوشوا بنجيو
  • المختبر الأوروبي للتعلم والأنظمة الذكية ، توبنغن ، بقيادة برنارد شويلكوبف
  • معهد أكسفورد للبيانات الضخمة ، من إخراج سيسيليا ليندغرين (مديرة واردة)
  • معهد آلان تورينج ، من إخراج السير أدريان سميث
  • الأطباء والباحثون في Mayo Clinic و Geisinger
  • شركات الأدوية الحيوية ، بما في ذلك Genentech (عضو في مجموعة Roche Group) و AstraZeneca و Novartis
  • ركزت شركات التكنولوجيا والأبحاث على البحث العلمي ، بما في ذلك DeepMind و Google Research و Microsoft

& quot؛ سيتطلب تعلم برامج الحياة مناهج جديدة وتعاونية لإنشاء منصات بيانات وأدوات تحليلية وتقنيات حيوية ، كما قال المدير التنفيذي المشارك لمركز شميت فيليباكس ، الذي تدرب كطبيب قلب في مستشفى بريجهام والنساء وكعالم أحياء حسابي. & quot من خلال الجمع بينهما ، يمكننا أن نكوّن الاكتشافات في واجهة علم الأحياء والتعلم الآلي ، والاكتشافات التي قد تغير الطب في نهاية المطاف وتؤثر على حياة العديد من الذين يعانون من الأمراض. & quot

"بما أنني كنت جزءًا من هذا المركز منذ إنشائه ، فأنا ممتن للغاية وشخصيًا لإريك وويندي شميدت على رؤيتهما وكرمهما ،" قال أفيف ريجيف ، رئيس قسم الأبحاث والتطوير المبكر في جينينتيك والرئيس السابق للكلية وأول عضو أساسي تم تعيينه في معهد برود. خلال فترة عملها في معهد برود ، ساعدت ريغيف في إرساء الأساس لما يُعرف الآن بمركز شميدت من خلال توجيه الإستراتيجية العلمية حول واجهة الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي والبيولوجيا ، ومن خلال قيادة المناقشات المبكرة التي أدت إلى تشكيل المركز. يعد التقارب بين علم الأحياء والتعلم الآلي حافزًا قويًا لن يؤثر فقط على كلا المجالين ولكن أيضًا سيغير قدرتنا على تطوير الأدوية للمرضى. يعد تطوير هذا التقارب في طليعة عملنا في مجال البحث والتطوير في Genentech ، ويسعدنا المشاركة في هذه المبادرة متعددة التخصصات وتنمية الشبكات التعاونية عبر هذه المجتمعات. & quot

واجهة علم الأحياء والتعلم الآلي

سيتابع مركز إريك وويندي شميدت الاكتشافات الأساسية في كل من علوم الحياة وعلوم البيانات.

في الوقت الحالي ، يمثل تمثيل البيانات بطريقة توضح المبادئ البيولوجية الأساسية أو الآليات السببية أمرًا صعبًا للغاية. لذلك ، هناك مجالان للتعلم الآلي لهما أهمية خاصة في علم الأحياء هما & quot؛ التعلم بالعرض التقديمي & quot ؛ اللذان يستخرجان البنية الأساسية من مجموعات البيانات ، والاستدلال النسبي & quot ؛ مما يساعد على التنبؤ بكيفية تأثير تغيير متغيرات معينة على مجموعة بيانات كاملة.

& quot في علم الأحياء ، لا نريد فقط عمل تنبؤات ، بل نريد أن نفهم الآليات الكامنة ، & quot؛ قال أولر. & quot من الأشياء المدهشة في علم الأحياء هي قدرتنا على إجراء الاضطرابات على نطاق لا يمكن تصوره في معظم المجالات الأخرى. هذا يفتح الباب لسد الفجوة بين النمذجة التنبؤية والسببية ، مما يمكننا من فهم آليات المرض.

& quot؛ علوم الحياة في خضم ثورة بيانات & quot؛ قال فيليباكس. & quot هذه لحظة فريدة من نوعها في الوقت المناسب ، حيث يمكننا استخدام الأدوات الحديثة للتعلم الآلي للتعامل مع الأسئلة ذات الأهمية الأساسية لعلم الأحياء والطب. & quot

& quot لقد حان الوقت الآن لعلم الأحياء ليس فقط الاستفادة من التطورات في التعلم الآلي ، ولكن أيضًا لدفع الجيل التالي من الرؤى الرياضية التأسيسية. يطرح علم الأحياء والطب أسئلة عميقة ومهمة وينشئان مجموعات بيانات ضخمة. تمثل هذه الركيزة لعصر جديد من الاكتشاف في واجهة علوم الحياة والتعلم الآلي. '' قال يوشوا بنجيو ، المدير العلمي لميلا وحاصل على جائزة ACM A.M Turing لعام 2018 لعمله الرائد في التعلم العميق.

وقال ستيوارت فيلدمان ، كبير العلماء في Schmidt Futures ، وهي مبادرة خيرية شارك في تأسيسها إريك وويندي شميدت ، هذه هي بداية رحلة ستتكشف على مدى عقود عديدة. & quot العلماء قريبون من فهرسة مكونات الحياة - الجينات والبروتينات والخلايا. مهمتنا هنا هي فهم الخلية بأكملها وتحليلها ونمذجتها مع الأخذ بمنظور جديد مستوحى من الرياضيات المنفصلة وعلوم الكمبيوتر ، بالإضافة إلى النماذج الفيزيائية ثلاثية الأبعاد المتغيرة بمرور الوقت. ستؤدي هذه النماذج إلى طرق جديدة للتعامل مع الخلايا وهياكلها ومساراتها الداخلية. & quot

سيتم تقديم هدية مركز شميدت إلى معهد برود من صندوق شواب الخيري ، والذي أصبح ممكنًا بفضل كرم إريك وويندي شميدت بناءً على توصية من شركة Schmidt Futures.

إطلاق شراكات عبر الأوساط الأكاديمية والصناعية

& quot ؛ يعمل التعلم الآلي على تغيير الاكتشاف العلمي ، ويقدم فرصًا هائلة في العلوم البيولوجية ، كما قال دان هوتنلشر ، عميد كلية MIT Schwarzman للحوسبة. & quot هذا المركز الجديد هو رمز للدعم البصري لإريك وويندي شميدت للتقدم العلمي والتكنولوجي لصالح البشرية. نتطلع إلى تعاون ديناميكي جديد مع المركز ونتائج مغيرة للحياة. & quot

& quotMedicine تشهد ثورة في البيانات. الآن ، أكثر من أي وقت مضى ، تتقارب التكنولوجيا والسياسة والثقافة ، مما يمكننا من إطلاق الإمكانات الكاملة لبيانات العالم الحقيقي للابتكار الطبي ، كما قال جون هالامكا ، دكتوراه في الطب ، رئيس منصة Mayo Clinic. & quot نحن متحمسون لتوحيد جهودنا مع مركز إيريك وويندي شميدت لحل بعض المشاكل الطبية الأكثر تعقيدًا. & quot

& quotBroad و Oxford تقليد طويل من التعاون العميق في علم الوراثة البشرية والبحوث الطبية الحيوية ، كما قالت سيسيليا ليندغرين ، المديرة القادمة لمعهد أكسفورد للبيانات الضخمة ، المملكة المتحدة. & quot نحن متحمسون لدخول مرحلة جديدة من شراكتنا ، حيث سنعمل معًا لفهم برامج الحياة من خلال البحث في واجهة علم الأحياء والتعلم الآلي. & quot

قال كريس هولمز ، مدير برنامج الصحة والعلوم الطبية في معهد آلان تورينج ، إنه يسعد تورينج بالعمل بشكل تعاوني مع معهد برود ، جنبًا إلى جنب مع المعاهد البارزة الأخرى ، ونتطلع إلى تبادل المعرفة في المستقبل وأنشطة البحث. & quot معًا ومع شركائنا في Health Data Research UK ، ندرك الإمكانات المذهلة التي تجمع بين التعلم الآلي وعروض علم الأحياء والفرص الكبيرة التي تنتظرنا في تحسين فهم الأنظمة البيولوجية التي تكمن وراء الأمراض التي تؤثر حاليًا على الأشخاص في جميع مناحي المجتمع. & quot

"نحن على أعتاب فترة ثورية ستؤدي فيها رقمنة البيولوجيا البشرية وقوة الحوسبة السحابية والذكاء الاصطناعي إلى اختراقات لم يكن من الممكن تصورها سابقًا في مجال صحة الإنسان ورفاهه" ، كما قال كيفن سكوت ، كبير مسؤولي التكنولوجيا في Microsoft. & quot يسعدنا التعاون مع مركز شميدت ومعهد برود وجلب تقنيات Microsoft والشبكة العالمية التي تضم أكثر من 168000 شريك في علوم الصحة والحياة للمساعدة في دفع هذا التقدم. & quot

"إنه لشرف كبير أن أكون من بين المتعاونين المؤسسين لمركز شميدت ، الذي يدمج أبحاث علوم الحياة مع التعلم الآلي الحديث ويشجع الشراكة بين الصناعة والشركاء الأكاديميين ،" قال ليندسي إدواردز ، نائب الرئيس ورئيس قسم الذكاء الاصطناعي والجهاز التنفسي والمناعة ، AstraZeneca . & quot ؛ ستوفر الأبحاث والابتكارات التي أجريت في مركز شميدت رؤى جديدة في علم الأحياء الأساسي ويمكن أن تساعدنا في تسريع اكتشاف الأدوية التي تغير الحياة. & quot

"لحل التحديات الأكثر إلحاحًا في صحة الإنسان بأكبر قدر ممكن من الكفاءة والإنصاف ، من الضروري أن نبني جسورًا عبر القطاعات والتخصصات ،" كما قال جاي برادنر ، رئيس معاهد نوفارتيس للأبحاث الطبية الحيوية. & quot؛ يمكن أن يكون للاستفادة من القوة الكاملة لعلوم البيانات والذكاء الاصطناعي في علوم الحياة آثار عميقة على الاكتشاف والطب. أثني على Eric و Wendy Schmidt و The Broad Foundation و Broad Institute لالتزامهم الجريء ودعمهم للتعاون الحيوي في هذا الفضاء. & quot

وقال أليكس بلومندال ، الرئيس المشارك لمبادرة النماذج والاستدلال والخوارزميات (MIA) ، إن التعامل مع الواجهة الغنية بين علم الأحياء والتعلم الآلي والانتقال نحو اندماج حقيقي بين التخصصين سيتطلب مجتمعًا بحثيًا وتعلميًا متفاعلًا وثنائي اللغة بالكامل. في معهد برود. & quot ؛ نحن سعداء بإمكانيات مركز شميدت لتسريع هذا التحول وتمكينه ، ونتطلع إلى شراكات جديدة بينما نواصل بناء مجتمعنا معًا ، وأضاف ألكس جويفا ، الرئيس المشارك أيضًا لـ MIA.

وقال غولوب إن تأثير هذا يمكن أن يتجاوز الطب الحيوي ويلهم الجهود في التخصصات العلمية الأخرى. إن الدروس المستفادة من اندماج علم الأحياء مع علم البيانات لديها القدرة على إحداث تأثير هائل ، وإبلاغ مجالات علوم المناخ والكيمياء وعلوم المواد وما وراءها. & quot

حول معهد برود لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وهارفارد

تأسس معهد برود التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد في عام 2003 لتمكين هذا الجيل من العلماء المبدعين لتحويل الطب بمعرفة جديدة قائمة على الجينوم. يسعى معهد برود إلى وصف المكونات الجزيئية للحياة وعلاقاتها ، ويكتشف الأساس الجزيئي للأمراض البشرية الرئيسية ويطور مناهج جديدة فعالة للتشخيص والعلاجات وينشر الاكتشافات والأدوات والأساليب والبيانات بشكل مفتوح للمجتمع العلمي بأكمله.

تأسس معهد برود من قبل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد والمستشفيات التابعة لها وفاعلي الخير في لوس أنجلوس إيلي وإديث إل. مائة مؤسسة خاصة وعامة في أكثر من 40 دولة حول العالم. لمزيد من المعلومات حول معهد Broad ، انتقل إلى www.broadinstitute.org.

حول إريك وويندي شميت

كان إريك وويندي شميدت فاعلي خير نشيطين منذ عام 2006 ، عندما بدأوا مؤسسة عائلة شميدت لمعالجة الأزمة العالمية لتغير المناخ من خلال المنح والاستثمارات المؤثرة في الطاقة المتجددة والزراعة المستدامة وحقوق الإنسان والتكنولوجيا البحرية. منذ ذلك الحين ، أسسوا أيضًا معهد شميت للمحيطات للنهوض بالبحوث الأوقيانوغرافية من خلال دعم التعاون المكثف بين العلماء على منصة مفتوحة المصدر. تدير المؤسسة أول سفينة بحثية خيرية على مدار العام في العالم. في الآونة الأخيرة ، أسس الزوجان العقود الآجلة شميدت، وهي مبادرة خيرية تراهن مبكرًا على الأشخاص الاستثنائيين الذين يجعلون العالم أفضل.

حول مؤسسة برود

لأكثر من 50 عامًا ، استثمرت The Broad Foundation في الأشخاص والمنظمات التي تعزز الصالح العام في التعليم والعلوم والفنون من خلال دعم القادة والبرامج والمنظمات التي توسع فرص التعلم للأطفال في لوس أنجلوس وفي جميع أنحاء البلاد ، وتقدم التخصص. البحث العلمي والطب ومشاركة الفنون المرئية والأداء مع أكبر عدد ممكن من الجمهور.


معلومات الرسوم والتكاليف الإضافية لعلم الأحياء

يُطلب من طلاب السنة الأولى إجراء دورة ميدانية سكنية مدتها أسبوع واحد في الفصل الصيفي. سوف تدرس الكائنات الحية في مجموعة من البيئات ، البرية والبحرية على حد سواء ، ويتم تقييم المحتوى كجزء من امتحانات السنة الأولى. تغطي الجامعة جميع تكاليف هذه الرحلة الإجبارية ، بما في ذلك الطعام والإقامة.

قرب نهاية السنة الثانية ، ستكمل دورة مهارات لمدة أسبوعين. سيتم تقديم مجموعة من الدورات التدريبية وستشمل ثلاث رحلات ميدانية اختيارية بعيدًا عن أكسفورد:

  • تينيريفي: لدراسة النظاميات والتنوع والإيكولوجيا للمجتمعات النباتية المحلية
  • Skomer and Wytham: لدراسة البيئة الميدانية للطيور ، مقسمة بين جزيرة Skomer ومركز الدراسة الميدانية الخاص بنا في أكسفورد
  • بورنيو: لدراسة بيئة الغابات الاستوائية المطيرة لكل من الحيوانات والنباتات

كدليل ، بلغت تكاليف هذه الدورات الاختيارية في عام 2019 625 جنيهًا إسترلينيًا لتينيريفي ، بالإضافة إلى ما ينفقه الطلاب على وجبات الغداء والوجبات المسائية خلال الأسبوع ، و 950 جنيهًا إسترلينيًا لبورنيو ، بالإضافة إلى رحلات العودة إلى كوتا كينابالو ، ماليزيا. رحلة Skomer / Wytham قيد التطوير حاليًا ولكننا نقدر أن التكاليف ستكون في حدود 400-500 جنيه إسترليني.

إذا بقيت للسنة الرابعة ، كجزء من متطلبات الدورة التدريبية الخاصة بك ، فسوف تنفذ مشروعًا. اعتمادًا على اختيارك للموضوع والبحث المطلوب لإكماله ، قد تضطر إلى المساهمة في التكاليف ، ولكن فقط في ظروف استثنائية ، على سبيل المثال ، إذا اخترت إجراء عمل ميداني مكثف في مواقع نائية.

يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول الرحلات الميدانية على موقع علم الأحياء.

معلومات سياقية

توفر بيانات الدورة التدريبية من Discover Uni للمتقدمين إحصاءات حول الحياة الجامعية في أكسفورد. ولكن هناك الكثير لدرجة أن درجة أكسفورد لا تستطيع الأرقام نقلها.

برنامج أكسفورد التعليمي

الدروس الجامعية هي مركزية للتدريس في أكسفورد. عادةً ما يتم إجراؤها في كليتك ويقودها معلمك الأكاديمي (المعلمون) الذين يقومون بالتدريس وكذلك يقومون بأبحاثهم الخاصة. سيتلقى الطلاب أيضًا التدريس بعدة طرق أخرى ، اعتمادًا على الدورة التدريبية. وسيشمل ذلك محاضرات ودروسًا ، وقد يشمل العمل المخبري والعمل الميداني. ومع ذلك ، تقدم البرامج التعليمية مستوى من الاهتمام الشخصي من الخبراء الأكاديميين غير المتوفرين في معظم الجامعات.

خلال الدورات التعليمية (التي تستغرق عادة ساعة) ، سوف يقدم لك مدرسو المواد الدراسية بالكلية ولشريك أو اثنين من شركاء البرنامج التعليمي ملاحظات حول العمل المُعد ويغطي موضوعًا بعمق. سيكون الطالب (الطلاب) الآخرون في الدروس التعليمية في كليتك من مجموعتك السنوية ، ويقومون بنفس الدورة التدريبية التي تقوم بها وعادة ما يكونون في كليتك. هذا النقاش الأكاديمي المنتظم والدقيق يطور ويسهل التعلم بطريقة غير ممكنة من خلال المحاضرات وحدها. تسمح البرامج التعليمية أيضًا بمراقبة التقدم عن كثب حتى يتمكن المعلمون من تقديم دعم إضافي بسرعة إذا لزم الأمر.

الحياة الجامعية

تقع كلياتنا في صميم سمعة أكسفورد كواحدة من أفضل الجامعات في العالم.

  • في أكسفورد ، الجميع عضو في الكلية بالإضافة إلى قسم (أقسام) الموضوع والجامعة. لذلك يتمتع الطلاب بفوائد الانتماء إلى مؤسسة كبيرة ومعروفة ومجتمع أكاديمي صغير وودود. تتكون كل كلية أو قاعة من طاقم أكاديمي وداعم وطلاب. توفر الكليات بيئة آمنة وداعمة تتيح لك حرية التركيز على دراستك والاستمتاع بوقتك مع الأصدقاء والاستفادة إلى أقصى حد من مجموعة الفرص الهائلة.
  • تتمتع كل كلية بطابع فريد ، ولكن مرافقها متشابهة بشكل عام. كل واحدة ، كبيرة كانت أم صغيرة ، سيكون لها المرافق الأساسية التالية:
    • نُزل الحمالين (مدخل واستقبال مزودان بالموظفين)
    • قاعة الطعام
    • مكتبة الإعارة (غالبًا ما تكون مفتوحة على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع)
    • سكن الطلاب
    • غرف التدريس للمعلمين
    • مصلى و / أو غرف موسيقى
    • غسيل ملابس
    • المساحات الخضراء
    • الغرفة المشتركة (المعروفة باسم JCR).


    شاهد الفيديو: ما هي اسماء مواد رياضيات التي يجب دراستها مع البرمجة و هندسة الكمبيوتر و علوم حاسبات (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Wahkan

    رائعة ، هذه عبارة مضحكة

  2. Fenton

    يا لها من جملة جميلة



اكتب رسالة