जीव विज्ञान और जैव सूचना विज्ञान के बारे में थोड़ा सा

परिचय

मुझे लगता है कि हैबर के सभी उपयोगकर्ता माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के क्षेत्र में मानव जाति की सफलताओं से परिचित हैं, विशाल बहुमत अंतरिक्ष अन्वेषण है, एक काफी हिस्सा भौतिकी है। लेकिन लगभग कोई नहीं जानता है कि अभी जीव विज्ञान में एक क्रांति है जो अगले कुछ दशकों में हमारे जीवन को बदल देगी कंप्यूटर के प्रसार से कम नहीं है। इसके अलावा, यह क्रांति सीधे शक्तिशाली कंप्यूटिंग सिस्टम के निर्माण में सफलता से संबंधित है। बेशक, कुछ "पानी पर हलकों" का विचलन होता है। लेकिन हर कोई मीडिया में हिस्टीरिया की तुलना जीएमओ, इंटरफेरॉन या इंसुलिन के साथ शीशी पर "पुनः संयोजक" शब्द और रूस में एक निश्चित 23andme के बारे में अफवाहों से नहीं कर सकता है। वास्तव में, ये सभी घटनाएं एक धागे से जुड़ी हुई हैं। और इस धागे को खोलना शुरू से ही बेहतर है।

मेंडल और जीन

शायद यह उस समय के अज्ञात भिक्षु मेंडल (XIX सदी) के शोध से शुरू होने लायक है (यह अब केवल हर स्कूल में बात की जा रही है)। उन्होंने मटर के पौधों द्वारा फूलों के रंग की विरासत में अजीब पैटर्न देखा। इस आशय की व्याख्या करने के लिए, उन्होंने जीन की अवधारणा को बाहरी पात्रों (फेनोटाइप) के एक सेट में वंशानुगत जानकारी की एक इकाई के रूप में पेश किया। सभी जीन जोड़े (एलील) में विरासत में मिले हैं; जोड़ी में एक विशेष गुण के दो अलग-अलग रूपों को कूटने वाले जीन हो सकते हैं; क्या विशिष्ट भिन्नता जीवन में आएगी यह जीन की विशेषताओं से ही निर्धारित होता है। इस सिद्धांत ने विरासत की देखी गई विशेषताओं को बहुत अच्छी तरह से समझाया। यह इतना अच्छा है कि किसी को भी शारीरिक तंत्र की खोज करना आश्चर्य नहीं था जो विरासत के ऐसे कानूनों का सटीक निर्धारण करता है।

डीएनए

अगला मील का पत्थर 1953 में जेम्स वाटसन और फ्रांसिस क्रिक द्वारा डीएनए संरचना की खोज है। नहीं, निश्चित रूप से, और उनसे पहले यह कोशिका नाभिक में केंद्रित एक निश्चित पदार्थ की उपस्थिति और क्रोमेटिन (विशेष धुंधला हो जाने के बाद एक प्रकाश माइक्रोस्कोप में दिखाई देने वाले पेचीदा फिलामेंट) के बारे में जाना जाता था, और कोशिका विभाजन के दौरान गुणसूत्र (बहुत ध्यान देने योग्य धुरी के आकार की संरचनाएं बहुत बेहतर होती हैं)। लेकिन यह वाटसन और क्रिक था जिन्होंने दिखाया कि यह किस तरह का पदार्थ है और इसकी संरचना क्या है। यह एक छोटे से विषयांतर करने के लायक है और याद दिलाता है कि डीएनए, प्रोटीन और आरएनए क्या हैं। डीएनए - एक कार्बनिक बहुलक - एक पदार्थ जो काफी सरल "ईंटों" की एक बड़ी संख्या से बना है। डीएनए के मामले में, ये न्यूक्लियोटाइड्स थाइमिन, एडेनिन, गुआनिन और साइटोसिन हैं, आमतौर पर क्रमशः टी, ए, जी, सी, अक्षरों द्वारा एन्कोड किया जाता है। सेल में डीएनए एक डबल हेलिक्स है ( आंकड़ा देखें), पूरक न्यूक्लियोटाइड की दो श्रृंखलाओं से मिलकर बनता है: तथ्य यह है कि न्यूक्लियोटाइड जोड़ीदार रूप बांड (टीए, जीसी)। पूरक संपत्ति बनाता है एकल डीएनए किस्में समाधान में तैरते हुए अपने "जोड़े" को ढूंढती हैं और उनके साथ जोड़ती हैं। इस तरह के स्व-संगठन आम तौर पर जैव रासायनिक प्रक्रियाओं की अत्यधिक विशेषता है। आरएनए डीएनए के समान है, लेकिन एक दोहरी श्रृंखला नहीं बनाता है, यही कारण है कि यह कम स्थिर है, लेकिन अधिक मोबाइल और रासायनिक रूप से सक्रिय है। प्रोटीन अमीनो एसिड के पॉलिमर हैं। आमतौर पर वे एक आरएनए मैट्रिक्स पर निर्मित होते हैं, जो बदले में, डीएनए पर बनाया जाता है।

जेनेटिक इंजीनियरिंग

डीएनए संरचना की खोज के बाद, आगे की खोजों को आने में ज्यादा समय नहीं लगा। "जेनेटिक इंजीनियर का एक सेट" धीरे-धीरे बनाया गया था - प्रोटीन मुख्य रूप से बैक्टीरिया और वायरस में पाया जाता है और विभिन्न डीएनए संचालन की अनुमति देता है:

• प्रतिबंध एंजाइम जो ठीक परिभाषित स्थानों में डीएनए काटते हैं;
• ligases, "gluing" डीएनए वापस;
• ट्रांसक्रिपटेस जो आपको डीएनए से आरएनए और इसके विपरीत जानकारी का अनुवाद करने की अनुमति देते हैं;
• और कई अन्य प्रोटीन।

इस तरह के एक सेट और कभी-कभी सुधार करने वाले उपकरणों की उपस्थिति ने जीवविज्ञानी को जीवन की संरचना को समझने का अवसर दिया है, जितना कि यह कभी संभव था। वास्तव में, रसायन विज्ञान (जिसे हम इन विट्रो में अध्ययन कर सकते हैं) और जीव विज्ञान (जो जीवों का अध्ययन करते हैं) के बीच की खाई सदियों से संकुचित है। इस संपर्क का पहला संकेत कोशिकाओं में प्रोटीन संश्लेषण की प्रक्रियाओं की एक स्पष्ट समझ थी, जिसने हमें ट्रांसजेनिक बैक्टीरिया और पौधों को बनाने की अनुमति दी, जिनकी कोशिकाएं प्रोटीन को संश्लेषित करती हैं जो हमें अपने अस्तित्व के लिए आवश्यक हैं। यहां तक ​​कि इसके बजाय मानवता के लिए प्रस्तुत कच्चे संशोधन:

• इंसुलिन और इंटरफेरॉन। पहले, इन प्रोटीनों को प्राप्त करने के लिए, टन सूअर की हिम्मत का उपयोग करना आवश्यक था; अब बैक्टीरिया उन्हें ग्लूकोज समाधान जैसे सरलतम अवयवों से शाब्दिक रूप से उत्पन्न करते हैं।
• ग्लाइफोसेट (उर्फ राउंडअप)। अन्य जड़ी-बूटियों की तुलना में, ग्लाइफोसेट व्यावहारिक रूप से जानवरों के लिए हानिरहित है (एक वयस्क के लिए घातक खुराक सैकड़ों ग्राम में मापा जाता है), जबकि कृत्रिम रूप से आनुवंशिक रूप से संशोधित लोगों को छोड़कर सभी पौधों को घातक - दूसरे शब्दों में, यह पूरी तरह से खरपतवार की समस्या को हल करता है, बिना खेती की फसल के विकास में हस्तक्षेप किए बिना। वास्तव में, "आनुवंशिक रूप से संशोधित सोयाबीन" लगभग हमेशा मतलब है कि सोयाबीन राउंडअप के लिए प्रतिरोधी हो। ^{इसके प्रकाश में, जीएमओ के प्रतिद्वंद्वी विशेष रूप से मज़ेदार दिखते हैं, वास्तव में, ऐसे जड़ी-बूटियों के उपयोग के लिए कॉल करना जो वास्तव में लोगों के लिए खतरनाक हैं - कोई विकल्प नहीं है, आप सभी 6.5 बिलियन को बिना जड़ी-बूटियों के फ़ीड नहीं कर सकते।}

जैव सूचना विज्ञान

जैविक औजारों के सुधार ने नई समस्याएं ला दी हैं: एक जीवित कोशिका में होने वाली प्रक्रियाओं की पारमार्थिक जटिलता और जानकारी की विशाल मात्रा जिसे कोई भी मैन्युअल रूप से विश्लेषण करने में सक्षम नहीं है। लेकिन इस समय तक, कंप्यूटर पहले से ही व्यापक थे जो जटिलता नियंत्रण के सवाल का एक स्पष्ट जवाब बन गया था। तो जैव सूचना विज्ञान का जन्म हुआ - एक विज्ञान जिसे डेटा की बड़ी मात्रा के साथ सामना करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जो आंतरिक निर्भरता और गैर-स्पष्ट पैटर्न के साथ जुड़ा हुआ था, जो मानव जाति के लिए पहले से ज्ञात किसी भी चीज़ से अधिक था। जो समस्याएं हल करती हैं, वे मानवता के लिए बेहद नई, जटिल और प्रासंगिक हैं, और यह ज्ञान का यह क्षेत्र है जो अब दुनिया के सबसे शक्तिशाली एल्गोरिदमवादियों के मन को आकर्षित कर रहा है। उनमें से लगभग सभी उत्पन्न कंप्यूटिंग शक्ति के कई आदेशों के अंतराल से उत्पन्न होते हैं जो सेल में होने वाली प्रक्रियाओं के प्रत्यक्ष मॉडलिंग के लिए आवश्यक हैं। अधिक से अधिक शक्तिशाली सुपर कंप्यूटरों के निर्माण के बारे में बड़ी मात्रा में समाचार यह धारणा दे सकते हैं कि अब कंप्यूटिंग शक्ति के साथ कोई समस्या नहीं है और आधुनिक आईटी का सबसे कठिन काम एक लाख लोगों के लिए एक दोष-सहिष्णु चैट रूम का निर्माण करना है - और इसलिए, ऐसा नहीं है :) जैव सूचना विज्ञान क्या करता है ?

• अनुक्रम की सभा। अब न्यूक्लियोटाइड या अमीनो एसिड के अनुक्रम का निर्माण करके अपने घटक भागों में एक प्रोटीन या डीएनए को "पार्स" करने का अवसर है जहां से इसे बनाया गया है (इस प्रक्रिया को अनुक्रमण कहा जाता है)। दुर्भाग्य से, तकनीकी सीमाओं के कारण, सबसे बड़े खंड का आकार, "एक समय में", मानव जीनोम के पूरे आकार की तुलना में सैकड़ों गुना छोटा है, जबकि खंडों के छोरों को सही ढंग से तय नहीं किया गया है, और स्वयं खंडों को दोहराया जा सकता है। यह छोटे वर्गों से जीनोम को इकट्ठा करने की आवश्यकता को जन्म देता है, अनुमानों की मदद से अनुमान लगाने की कोशिश करता है कि इन वर्गों के "पूंछ" कैसे ओवरलैप होते हैं और उन्हें किस क्रम में व्यवस्थित किया जाना चाहिए। कार्य की कम्प्यूटेशनल जटिलता की बेहतर समझ के लिए, यह स्पष्ट करना आवश्यक है कि एक स्ट्रिंग के रूप में लिखा गया पूरा मानव जीनोम, लगभग 3 जीबी लेता है, जबकि वर्गों की कुल लंबाई दसियों बार अंतिम अनुक्रम की लंबाई से अधिक हो सकती है।
• क्रमों की तुलना और तुलना। बीस साल पहले, यहां तक ​​कि दो अनुक्रमों का रस निकालना एक समस्या हो सकती है; अब, कंप्यूटर और विकसित एल्गोरिदम की बढ़ती शक्ति के लिए धन्यवाद, यह अब मुश्किल काम नहीं है। फिर भी, कई अनुक्रम तुलना की समस्या अत्यंत जरूरी हो गई है; उदाहरण के लिए, मेटागेनोमिक्स तुलना के लिए विशेष रूप से उच्च आवश्यकताओं को प्रस्तुत करता है: बैक्टीरिया के वर्गीकरण के लिए एक विधि (एक माइक्रोस्कोप के तहत कई प्रजातियां अप्रभेद्य हैं), बैक्टीरिया के द्रव्यमान से डीएनए के छोटे वर्गों से मिश्रण को अलग करने, उन्हें अनुक्रमण करने और विशेष रूप से परिणामी "सूप" की तुलना करने पर आधारित है। पहले से ही ज्ञात जीवाणु जीन के साथ विभिन्न बैक्टीरिया के यादृच्छिक डीएनए टुकड़े।
• तह। प्रोटीन की कार्यक्षमता (जो मानव जाति के लिए सबसे अच्छे उत्प्रेरक हैं, जो लगभग किसी भी प्रतिक्रिया का संचालन करने में सक्षम हैं) उनकी त्रि-आयामी संरचना द्वारा निर्धारित किया जाता है। त्रि-आयामी संरचना प्रोटीन में अमीनो एसिड के अनुक्रम और कुछ कार्यों द्वारा निर्धारित की जाती है जो कोशिका अपने संश्लेषण के बाद प्रोटीन पर प्रदर्शन करती है। स्वाभाविक रूप से, वांछित गुणों वाले प्रोटीन के निर्माण के लिए, अमीनो एसिड के रैखिक अनुक्रम से तीन आयामी संरचना की भविष्यवाणी करने में सक्षम होना मौलिक रूप से महत्वपूर्ण है। आणविक गतिशीलता विधियाँ (परमाणुओं का प्रत्यक्ष मॉडलिंग जो अणु बनाते हैं) प्रोटीन की विशेषता वाले परमाणुओं की संख्या (दसियों हजारों) पर गुजरती हैं। प्रोटीन की संरचना की जटिलता का एक उदाहरण हो सकता है, उदाहरण के लिए, तथाकथित प्रोटीन ऑटोसप्लाइसिंग, जब एक प्रोटीन पहले से ही अपनी संरचना के कारण विशेष रूप से संश्लेषित करता है, तो इसके अनुक्रम के एक हिस्से को काट देता है और चीरा "glues" करता है, जिससे दो अलग-अलग प्रोटीन बनते हैं।
• डॉकिंग। जाहिर है, बहुत सारे प्रोटीन होते हैं और वे एक-दूसरे के साथ बातचीत करते हैं। डॉकिंग एक दूसरे के साथ और सरल अणुओं के साथ प्रोटीन के संपर्क की प्रक्रिया है। इस सहभागिता की गणना में अभिन्न अंग के रूप में तह शामिल है, लेकिन यह सीमित नहीं है।

यह सब क्यों? बेशक, यह समझने के लिए कि जीवन कैसे संरचित है। जीव विज्ञान ने पहले ही चरण को पार कर लिया है जब जीवन की अभिव्यक्ति में कुछ रहस्य और रहस्यवाद था; एक अंधेरे कमरे में काली बिल्ली की तलाश नहीं। चोटियों के साथ केवल एक विशाल पर्वत श्रृंखला है, जो विज्ञान दांत पीसने के साथ चढ़ रहा है - बस और भी प्रभावशाली चोटियों को देखने के लिए। लेकिन उनमें कोई रहस्य नहीं है - कोशिकाओं में होने वाली सभी प्रक्रियाएं इन विट्रो में बस आगे बढ़ती हैं।

जीव विज्ञान हमें किस शिखर तक ले जाता है?

जैसा कि मैंने पहले ही परिचय में उल्लेख किया है, अगले दो दशकों में हमारा जीवन बदल नहीं सकता है। इस ज्ञान के लिए बंजर बने रहने के बारे में हमने बहुत कुछ सीखा है। इसलिए, उदाहरण के लिए, पिछले साल एक घटना हुई जो चंद्रमा पर उतरने की तुलना में थी, लेकिन बहुत कम ध्यान आकर्षित किया - पहला कृत्रिम जीव का निर्माण। हे विश्व संप्रदाय! हम इंसानों ने ज़िंदगी बनाई है! इसके लिए, भगवान की जरूरत नहीं है! आगे क्या है?

• कैंसर और एड्स के लिए दवाएं। आपको यह समझने की आवश्यकता है कि प्रयोगशालाओं और बाजार में दवा की उपस्थिति के बीच, परीक्षण और प्रमाणन पास के लगभग 5-10 वर्ष हैं। प्रयोगशालाओं में अब ऐसी दवाएं हैं जो एक इंजेक्शन ( प्रकाशन ) के साथ कुछ प्रकार के कैंसर का इलाज कर सकती हैं। कोई कीमोथेरेपी, बालों के झड़ने, विकिरण, सर्जरी और वजन घटाने। एकमात्र इंजेक्शन। क्या हम कम से कम 10 साल पहले आशा कर सकते थे?
• वास्तविक जैव प्रौद्योगिकी। पौधे जिन्हें जड़ी-बूटियों और कीटनाशकों की आवश्यकता नहीं होती है; टुंड्रा में पकने वाले केले; ताकत में डामर के साथ प्रतिस्पर्धा करने में सक्षम घास। यह सब संभव है और हमारी आंखों के सामने वास्तविकता बन जाता है।
• वास्तविक आनुवंशिक निदान। पहले से ही, एक स्टार्टअप (हालांकि कंपनी को सर्गेई ब्रिन की पत्नी को एक स्टार्ट-अप कहा जाना संभव है; :)) 23andme.com $ 200 के लिए दर्जनों वंशानुगत बीमारियों और भविष्यवाणियों (जो "50 साल पहले" शूट कर सकता है) का निदान करता है। और यह सिर्फ शुरुआत है।
• उम्र बढ़ने के साथ धीमा होना। नए ज्ञान से लैस, बड़ी संख्या में वैज्ञानिक उम्र बढ़ने की प्रक्रिया पर शोध कर रहे हैं। पिछले 10-20 वर्षों में जीव विज्ञान की विस्फोटक वृद्धि को देखते हुए - हम में से कई के पास अगले 100 वर्षों में मरने का एक अच्छा मौका है :)

निष्कर्ष

मुझे उम्मीद है कि आधुनिक जीव विज्ञान में यह लघु भ्रमण दिलचस्प था। अगर किसी को किसी चीज में दिलचस्पी है, तो मैं रुचि के विषयों पर एक निरंतरता लिखने की कोशिश कर सकता हूं। निष्कर्ष में, मैं एक छोटा नैतिक बना सकता हूं: विश्वास मत करो कि चार्लटन्स जो दावा करते हैं कि वे बेहतर जानते हैं कि कोई व्यक्ति कैसे काम करता है और जो सभी प्रकार की "गैर-निश्चित ऊर्जा" के बारे में बात करता है, " आत्मा ”और इतने पर। आधुनिक जीवविज्ञान ने जीवन में लगभग पूरी तरह से अंधेरे स्थानों को नहीं छोड़ा है, और किसी भी प्रभाव को स्पष्ट करने के लिए भौतिकी के लिए अज्ञात किसी प्रकार की संभावना की संभावना गायब हो जाती है। जीवित चीजें बेहद कठिन हैं, लेकिन यह जटिलता इसकी नींव में सरल है और प्रतिक्रियाओं पर निर्भर करती है कि कोई भी महंगा अभिकर्मकों और उपकरणों के बिना इन विट्रो में दोहरा सकता है। मैं vahahhi और SPBAU में अद्भुत जैव सूचना विज्ञान पाठ्यक्रम बनाने वाले सभी लोगों के लिए विशेष धन्यवाद कहना चाहूंगा । तुम बहुत मस्त हो।