محاكاة حاسوبية

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

غابة من التغصنات الهرمية الاصطناعية تم إنشاؤها باستخدام قوانين كاخال لتفرع الخلايا العصبية.

في علم الأحياء والعلوم التجريبية الأخرى، تُعرف التجربة الحاسوبية بأنها تجربة تُجرى على جهاز حاسوب أو باستخدام برامج محاكاة حاسوبية . هذه العبارة مشتقة من اللاتينية الزائفة وتعني "في السيليكون" ( اللاتينية الصحيحة : in silicio )، في إشارة إلى السيليكون المستخدم في رقائق الحاسوب. وقد صِيغ هذا المصطلح عام ١٩٨٧ كتلميح إلى العبارات اللاتينية in vivo و in vitro و in situ ، وهي عبارات شائعة الاستخدام في علم الأحياء (وخاصة بيولوجيا الأنظمة ). وتشير هذه العبارات الأخيرة، على التوالي، إلى التجارب التي تُجرى على الكائنات الحية، وخارجها، وفي بيئتها الطبيعية.

تاريخ

أول استخدام معروف لعبارة "in silico" كان من قِبل كريستوفر لانغتون لوصف الحياة الاصطناعية ، وذلك في إعلانه عن ورشة عمل حول هذا الموضوع في مركز الدراسات غير الخطية بمختبر لوس ألاموس الوطني عام 1987. [ 1 ] [ 2 ] استُخدم مصطلح " in silico" لأول مرة لوصف التجارب البيولوجية التي أُجريت بالكامل على الحاسوب عام 1989، في ورشة عمل "الأتمتة الخلوية: النظرية والتطبيقات" في لوس ألاموس، نيو مكسيكو ، من قِبل بيدرو ميرامونتيس، عالم الرياضيات من الجامعة الوطنية المستقلة في المكسيك (UNAM)، الذي قدّم تقريرًا بعنوان " القيود الفيزيائية والكيميائية للحمض النووي DNA و RNA ، والأتمتة الخلوية، والتطور الجزيئي". وقدّم ميرامونتيس هذا العمل لاحقًا كأطروحة دكتوراه . [ 3 ]

استُخدمت تقنية المحاكاة الحاسوبية (in silico) في أوراق بحثية كُتبت لدعم إنشاء برامج الجينوم البكتيري من قِبل المفوضية الأوروبية. أول ورقة بحثية موثقة ورد فيها مصطلح " المحاكاة الحاسوبية" كانت من تأليف فريق فرنسي عام 1991. [ 4 ] أما أول فصل في كتاب موثق ورد فيه هذا المصطلح، فكان من تأليف هانز ب. سيبرغ عام 1990، وقُدِّم خلال دورة صيفية حول الأنظمة المعقدة في معهد سانتا فيه . [ 5 ]

كان مصطلح "in silico" في الأصل ينطبق فقط على عمليات المحاكاة الحاسوبية التي تحاكي العمليات الطبيعية أو المختبرية (في جميع العلوم الطبيعية)، ولم يكن يشير إلى الحسابات التي يتم إجراؤها بواسطة الكمبيوتر بشكل عام.

اكتشاف الأدوية باستخدام الفحص الافتراضي

يُعتقد أن الدراسات الحاسوبية في الطب لديها القدرة على تسريع وتيرة الاكتشاف مع تقليل الحاجة إلى العمل المخبري المكلف والتجارب السريرية. إحدى طرق تحقيق ذلك هي إنتاج وفحص المرشحين الدوائيين بشكل أكثر فعالية. ففي عام 2010، على سبيل المثال، باستخدام خوارزمية إرساء البروتين EADock (انظر إرساء البروتين-الرابط )، وجد الباحثون مثبطات محتملة لإنزيم مرتبط بنشاط السرطان حاسوبيًا . وقد تبين لاحقًا أن 50% من الجزيئات مثبطات فعالة في المختبر . [ 6 ] [ 7 ] يختلف هذا النهج عن استخدام مختبرات الفحص الآلي عالية الإنتاجية (HTS) المكلفة لاختبار آلاف المركبات المتنوعة يوميًا، غالبًا بمعدل نجاح متوقع يبلغ 1% أو أقل، مع توقع أن يكون عدد أقل منها مركبات رائدة حقيقية بعد إجراء المزيد من الاختبارات (انظر اكتشاف الأدوية ).

على سبيل المثال، تم استخدام هذه التقنية في دراسة لإعادة استخدام الأدوية بهدف البحث عن علاجات محتملة لمرض كوفيد-19 (سارس-كوف-2). [ 8 ]

نموذج الخلية

بُذلت جهودٌ لإنشاء نماذج حاسوبية لسلوك الخلايا. فعلى سبيل المثال، طوّر باحثون في عام ٢٠٠٧ نموذجًا حاسوبيًا لمرض السل للمساعدة في اكتشاف الأدوية، وتتمثل ميزته الرئيسية في سرعته الفائقة مقارنةً بمعدلات النمو المحاكاة في الوقت الفعلي، مما يسمح بملاحظة الظواهر المهمة في غضون دقائق بدلًا من أشهر. [ ٩ ] ويمكن الاطلاع على المزيد من الدراسات التي تركز على نمذجة عملية خلوية محددة، مثل دورة نمو بكتيريا كولوباكتر كريسينتوس . [ ١٠ ]

لا ترقى هذه الجهود إلى مستوى نموذج حاسوبي دقيق وشامل لسلوك الخلية بأكمله. فالقيود المفروضة على فهم الديناميكيات الجزيئية وبيولوجيا الخلية ، بالإضافة إلى نقص القدرة الحاسوبية المتاحة، تفرض افتراضات تبسيطية واسعة النطاق تحد من جدوى نماذج الخلايا الحاسوبية الحالية.

علم الوراثة

يمكن تخزين التسلسلات الجينية الرقمية التي تم الحصول عليها من تسلسل الحمض النووي في قواعد بيانات التسلسل ، وتحليلها (انظر تحليل التسلسل )، وتعديلها رقميًا أو استخدامها كقوالب لإنشاء حمض نووي فعلي جديد باستخدام تركيب الجينات الاصطناعي .

أمثلة أخرى

كما تم تطبيق تقنيات النمذجة الحاسوبية في:

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "مجموعات جوجل" . groups.google.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2020-01-05 .
  2. ↑ هاميروف، إس آر (11 أبريل 2014). الحوسبة المطلقة: الوعي الجزيئي الحيوي وتقنية النانو . إلسيفير. ISBN 978-0-444-60009-7.
  3. ^ Miramontes P. (1992) نموذج آلي خلوي لتطور الأحماض النووية [نموذج آلي خلوي لتطور الأحماض النووية]. رسالة دكتوراه. UNAM.
  4. ^ دانشين، أ؛ ميديجو، سي؛ جاسكويل، أو. سولدانو، ح؛ Hénaut, A (1991)، “من بنوك البيانات إلى قواعد البيانات”، بحث في علم الأحياء الدقيقة ، 142 ( 7– 8): 913–6 ، CiteSeerX 10.1.1.637.3244 ، دوى : 10.1016 / 0923-2508(91)90073-J ، PMID 1784830  
  5. ↑ سيبرغ، إتش بي ( 1990)، "دراسات فسيولوجية في المحاكاة الحاسوبية "، دراسات في علوم التعقيد ، 12 : 321-342
  6. ^ روهريج ، يوت ف. عوض، لؤي؛ غروسديدير، أوريلين؛ لاريو، بيير. ستروبانت، فنسنت؛ كولاو، ديدييه؛ سيروندولو، فينسينزو؛ سيمبسون، أندرو جي جي. وآخرون . (2010)، “التصميم العقلاني لمثبطات الإندولامين 2،3-ديوكسيجيناز”، مجلة الكيمياء الطبية ، 53 (3): 1172–89 ، دوى : 10.1021/jm9014718 ، PMID 20055453  
  7. ↑ معهد لودفيج لأبحاث السرطان (4 فبراير 2010). أداة حسابية جديدة لعلاج السرطان . ساينس ديلي . تم الاطلاع عليه في 12 فبراير 2010.
  8. ^ لي ، فاناجان سانجيران. تشونغ، وي ليم. سوكوماران، سري ديفي؛ نيمانبيبوج، بيفارات؛ ليتشومانان، فنجاديش؛ جوه، باي هينج؛ لي، تعلم هان؛ محمد زين، شريف الدين؛ عبد الرحمن، نورسعدة (2020). “الفحص الحسابي وتحديد التفاعل الملزم للأدوية المضادة للفيروسات والمضادة للملاريا: نحو العلاج المحتمل لـ SARS-CoV-2” . التقدم في اكتشاف الأدوية والعلوم الطبية الحيوية . 3 . دوى : 10.36877/pddbs.a0000065 .
  9. ↑ جامعة سري. 25 يونيو 2007. خلية محاكاة حاسوبية لاكتشاف دواء السل . ساينس ديلي . تم الاطلاع عليه في 12 فبراير 2010.
  10. ↑ لي، س؛ برازنيك، ب؛ سوبرال، ب؛ تايسون، ج. ج. (2009). "الضوابط الزمنية لدورة انقسام الخلايا غير المتماثلة في بكتيريا كولوباكتر كريسينتوس" . مجلة PLOS للحوسبة البيولوجية . 5 (8) e1000463. رمز Bibcode : 2009PLSCB...5E0463L . doi : 10.1371/journal.pcbi.1000463 . PMC 2714070. PMID 19680425 .  
  11. ^ لي ، فاناجان سانجيران. تشونغ، وي ليم. سوكوماران، سري ديفي؛ نيمانبيبوج، بيفارات؛ ليتشومانان، فنجاديش؛ جوه، باي هينج؛ لي، تعلم هان؛ محمد زين، شريف الدين؛ عبد الرحمن، نورسعدة (2020). “الفحص الحسابي وتحديد التفاعل الملزم للأدوية المضادة للفيروسات والمضادة للملاريا: نحو العلاج المحتمل لـ SARS-CoV-2” . التقدم في اكتشاف الأدوية والعلوم الطبية الحيوية . 3 . دوى : 10.36877/pddbs.a0000065 .
  12. ↑ أثانايلياس، ثيودوروس؛ وآخرون (2011). "استغلال تقنيات الشبكات لمحاكاة التجارب السريرية: نموذج العلاج الإشعاعي الحاسوبي للأورام". المحاكاة: معاملات الجمعية الدولية للنمذجة والمحاكاة . 87 (10): 893-910 . doi : 10.1177/0037549710375437 . S2CID 206429690 .  
  13. ↑ تشوا، فيسيليا واي إس؛ كرامبتون-بلات، أليكس؛ لامرز، يوري؛ ألسوس، إنجر جي؛ بوسينكول، سان؛ بومان، كريستين (2021). "علم الجينوم البيئي: أداة فعّالة لإعادة بناء النظام الغذائي للحيوانات العاشبة" . موارد علم البيئة الجزيئية . 21 (7): 2249-2263 . doi : 10.1111/1755-0998.13425 . PMC 8518049. PMID 33971086 .  
  14. ↑ ليو، واي؛ كولمان، بي (يوليو 2006)، "خادم RosettaDesign لتصميم البروتين"، أبحاث الأحماض النووية ، 34 (عدد خادم الويب): W235–8، doi : 10.1093/nar/gkl163 ، PMC 1538902 ، PMID 16845000  
  15. ↑ دانتاس، غوتام؛ كولمان، برايان؛ كاليندر، ديفيد؛ وونغ، ميشيل؛ بيكر، ديفيد (2003)، "اختبار واسع النطاق لتصميم البروتين الحاسوبي: طي واستقرار تسعة بروتينات كروية أعيد تصميمها بالكامل"، مجلة البيولوجيا الجزيئية ، 332 (2): 449-60 ، CiteSeerX 10.1.1.66.8110 ، doi : 10.1016/S0022-2836(03)00888-X ، PMID 12948494 .  
  16. ↑ Dobson, N; Dantas, G; Baker, D; Varani, G (2006), "التحقق الهيكلي عالي الدقة من إعادة التصميم الحاسوبي لبروتين U1A البشري"، Structure ، 14 (5): 847-56 ، doi : 10.1016/j.str.2006.02.011 ، PMID 16698546 . 
  17. ↑ دانتاس، جي؛ كورينت، سي؛ رايشو، إس؛ هافرانيك، جي؛ إليتر، زد؛ إيسيرن، إن؛ كولمان، بي؛ فاراني، جي؛ وآخرون (2007)، "تحليل هيكلي وديناميكي حراري عالي الدقة للاستقرار الشديد لبروكاربوكسيببتيداز البشري عن طريق تصميم البروتين الحاسوبي"، مجلة البيولوجيا الجزيئية ، 366 (4): 1209-21 ، doi : 10.1016/j.jmb.2006.11.080 ، PMC 3764424 ، PMID 17196978 .