Thursday, August 19, 2010

Highlight

ชีววิทยาระบบ (Systems Biology)

วรรณวิภา วงศ์แสงนาค


ชีววิทยาระบบ (systems biology) คือ ศาสตร์ที่อาศัยความรู้หลากหลายด้าน ยกตัวอย่างเช่น ความรู้ทางด้านชีววิทยา คณิตศาสตร์ชั้นสูง วิทยาการคอมพิวเตอร์ ชีวเคมี รวมถึง ชีวสารสนเทศศาสตร์ (bioinformatics) เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างส่วนประกอบแยกย่อยของสิ่งมีชีวิตในภาพรวม (holistic view) แทนการศึกษาส่วนประกอบย่อยๆ ทีละส่วน การแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกันทั้งนี้เพื่อให้สามารถเข้าใจการทำงานโดยตลอดตั้งแต่ระดับ molecular level จนถึงระดับ organism level (ตั้งแต่ระดับ DNA จนถึงระดับเซลล์) ดังรูป 1 ซึ่งส่วนใหญ่การศึกษาด้านชีววิทยาระบบนี้เราจะเน้นการสร้างแบบจำลอง (model) เพื่อศึกษาปราฏการณ์ภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตบนคอมพิวเตอร์ โดยอาศัยข้อมูลจำนวนมากและการคำนวณเป็นพื้นฐาน ซึ่งส่วนใหญ่ข้อมูลจำนวนมากที่มีความสำคัญจะได้มาจาก เทคโนโลยีขั้นสูง (high throughput technology) ในยุคหลังจีโนม ดังนั้นศาสตร์ด้านนี้จึงมีประโยชน์มากที่ช่วยให้นักชีววิทยาสามารถศึกษาส่วนประกอบย่อยๆ หลายๆ ส่วนได้อย่างพร้อมๆกัน


การวิจัยของห้องปฏิบัติการชีววิทยาระบบมีหลายวิธี แต่วิธีหนึ่งที่น่าสนใจ จะเน้นการวิเคราะห์เชิงระบบของวิศวกรรมเมตาโบลิค (metabolic engineering) ของสิ่งมีชีวิตต่างๆ อาทิเช่น ยีสต์ (Saccharomyces cerevisiae) และ รา (Aspergillus sp.) เพื่อเข้าใจชีววิทยาเชิงระบบของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ ซึ่งจะนำไปสู่การปรับปรุงสายพันธุ์ เพื่อนำไปใช้ในด้านอุตสาหกรรมต่างๆ กลุ่มวิจัยมีการพัฒนา แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ (mathematical modeling) โดยใช้เครื่องมือและโปรแกรมด้านชีวสารสนเทศ (bioinformatics tools) ฐานข้อมูลด้านชีววิทยาต่างๆ โดยเฉพาะข้อมูลจีโนม (genome sequence) ข้อมูลยีน ข้อมูลเอนไซม์ ข้อมูลเมตาโบไลท์ ข้อมูลโปรตีน พร้อมกับการศึกษาด้านชีวเคมี (biochemistry) และการหมัก (fermentation) ในห้องปฏิบัติการ จากที่กล่าวมาเบื้องต้น ห้องปฏิบัติการชีววิทยาระบบ (systems biology) สามารถพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ และจำลองพฤติกรรมของเซลล์ภายใต้การเปลี่ยนแปลงสภาวะแวดล้อมการเลี้ยงเซลล์ไม่ว่าจะเป็นอาหารเลี้ยงเชื้อต่างๆ (แหล่งคาร์บอนหรือไนโตรเจน) นอกจากนี้เรายังสามารถสร้างแบบจำลองพฤติกรรมของเซลล์ภายใต้การเปลี่ยนแปลงด้านยีนบนคอมพิวเตอร์ ควบคู่กับการเปรียบเทียบผลการทดลองควบคู่กับการเปรียบเทียบผลการทดลองในห้องปฏิบัติการ ดังรูป 2


เทคนิคการทำ model simulation


มีหลายวิธีในการทำ genome-scale metabolic model Simulation วิธีการที่นิยมใช้ คือ flux balance analysis (FBA) เพื่อความเข้าใจในกระบวนการเมตาบอลิซึมของเซลล์ภายใต้การเปลี่ยนแปลงสภาวะแวดล้อมต่างๆ FBA เป็นวิธีการทางคณิตศาสตร์เพื่อวิเคราะห์การเผาผลาญ ไม่ต้องการความเข้มข้นของสาร (metabolite concentration) หรือรายละเอียดของจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์ของระบบ ภายใต้สมมติฐานที่ว่าระบบที่เราศึกษาเป็น homeostatic และเทคนิคนั้นมีวัตถุประสงค์เพื่อตอบคำถาม เช่น อัตราการเติบโตของเซลล์ อัตราการใช้พลังงานของเซลล์ อัตราการผลิตสาร product หรือแม้แต่ by-product


เทคนิคการวิเคราะห์ข้อมูลหลายระดับและการวิเคราะห์ข้อมูลโครงข่าย


ในการที่เราจะเข้าใจในชีววิทยาของสิ่งมีชีวิต อย่างที่ได้กล่าวมาในตอนต้น ชีววิทยาระบบเป็นศาสตร์ที่เป็นหัวใจสำคัญ แบบจำลองที่ถูกสร้างขึ้นเป็นเหมือนจุดเริ่มต้น (scaffold) เพื่อให้เราเข้าใจกระบวนการพื้นฐานของเซลล์ กระบวนการเมตาบอลิซึม ไปจนถึงกระบวนการเจริญเติบโตของเซลล์และการผลิต product แต่อย่างไรก็ตามแบบจำลองก็ยังไม่เพียงพอที่จะทำให้เราเข้าใจทั้งระบบของเซลล์ โดยเฉพาะในโครงข่ายที่ควบคุมโครงข่ายเมตาบอลิซึม (metabolic network) ซึ่งเราเรียกว่า regulatory network ดังนั้นเทคนิคการวิคราะห์ข้อมูลหลายระดับ ไม่ว่าจะเป็นด้าน transcriptome ด้าน proteome หรือด้าน metabolome และการวิคราะห์ข้อมูลโครงข่ายเป็นหัวใจสำคัญเช่นกัน ดูรูปที่ 3 หน้าถัดไป


มุมมองในทิศทางของชีววิทยาระบบ


เนื่องจากจำนวนที่เพิ่มมากขึ้นของข้อมูลที่ได้จากเทคโนโลยีขั้นสูง แบบจำลองที่ถูกพัฒนาขึ้นรวมทั้งนักวิทยาศาสตร์ในด้านของจีโนม ด้านเทคโนโลยีขั้นสูง (ome technology) และด้านของชีวสารสนเทศ ดังนั้นก็เป็นไปได้ว่า ศาสตร์ด้านชีววิทยาระบบจะมีความก้าวหน้ามากขึ้นในประเทศไทยเพื่อสามารถประยุกต์ใช้ในหลายๆ ด้าน เช่น ด้านอุตสาหกรรม ด้านการแพทย์ ด้านการการเกษตร ด้านสิ่งแวดล้อม และ ด้านพลังงาน

1 comment:

  1. สวัสดีครับ
    สำหรัับ PDF version นะครับ สามารถเข้าไป download ได้ที่

    http://thaibioinfo-vol12.4shared.com

    สำหรับท่านที่ต้องการ download magazine ในฉบับก่อนหน้านี้ก็สามารถเปลี่ยนตัวเลข vol ใน url ข้างบนได้เลยครับ เช่น อยาก download ฉบับที่ 7 ก็เปลี่ยนเป็น

    http://thaibioinfo-vol07.4shared.com

    แบบนี้เลยครับ

    ReplyDelete