Modelling biological systems
حیاتیاتی نظاموں کی نمونہ سازی نظام حیاتیات اور ریاضیاتی حیاتیات کا ایک اہم کام ہے۔ کمپیوٹیشنل سسٹمز بائیولوجی کا مقصد حیاتیاتی نظاموں کے کمپیوٹر ماڈلنگ کے مقصد کے ساتھ موثر الگورتھم، ڈیٹا ڈھانچے، تصور اور مواصلاتی ٹولز کو تیار کرنا اور استعمال کرنا ہے۔ اس میں حیاتیاتی نظاموں کے کمپیوٹر سمیلیشنز کا استعمال شامل ہے، بشمول سیلولر ذیلی نظام (جیسے میٹابولائٹس اور انزائمز کے نیٹ ورک جو میٹابولزم، سگنل ٹرانسڈکشن راستے اور جین ریگولیٹری نیٹ ورک پر مشتمل ہیں)، ان سیلولر عمل کے پیچیدہ رابطوں کا تجزیہ اور تصور دونوں کے لیے۔ کسی پیچیدہ نظام کی غیر متوقع ابھرتی ہوئی خاصیت آسان، مربوط حصوں کے درمیان وجہ اور اثر کے باہمی عمل کا نتیجہ ہو سکتی ہے (حیاتیاتی تنظیم دیکھیں)۔ حیاتیاتی نظام اجزاء کے پیچیدہ تعامل میں ابھرتی ہوئی خصوصیات کی بہت سی اہم مثالیں ظاہر کرتے ہیں۔ حیاتیاتی نظاموں کے روایتی مطالعہ کے لیے تخفیف کے طریقوں کی ضرورت ہوتی ہے جس میں اعداد و شمار کی مقدار زمرہ کے لحاظ سے جمع کی جاتی ہے، جیسے کہ کسی خاص محرک کے جواب میں وقت کے ساتھ ارتکاز۔ کمپیوٹر ان اعداد و شمار کے تجزیے اور ماڈلنگ کے لیے اہم ہیں۔ مقصد ماحولیاتی اور اندرونی محرکات پر نظام کے ردعمل کے درست ریئل ٹائم ماڈل بنانا ہے، جیسے کہ کینسر سیل کا ماڈل تاکہ اس کے سگنلنگ راستوں میں کمزوریوں کو تلاش کیا جا سکے، یا کارڈیومیوسائٹس پر اثرات کو دیکھنے کے لیے آئن چینل اتپریورتنوں کی ماڈلنگ اور اس کے نتیجے میں، دھڑکتے دل کی تقریب۔ اس میدان میں ماڈلز کو ذخیرہ کرنے اور ان کے تبادلے کے لیے اب تک سب سے زیادہ وسیع پیمانے پر قبول شدہ معیاری شکل سسٹمز بائیولوجی مارک اپ لینگویج (ایس بی ایم ایل) ہے۔ SBML.org ویب سائٹ میں کمپیوٹیشنل سسٹمز بائیولوجی میں استعمال ہونے والے بہت سے اہم سافٹ ویئر پیکجوں کے لیے ایک گائیڈ شامل ہے۔ ایس بی ایم ایل میں انکوڈ شدہ ماڈلز کی ایک بڑی تعداد بائیو ماڈلز سے حاصل کی جا سکتی ہے۔ مختلف زور دینے والی دیگر مارک اپ زبانوں میں بائیو پیکس اور سیل ایم ایل شامل ہیں۔ سیلولر ماڈل بنانا نظام حیاتیات اور ریاضیاتی حیاتیات کا خاص طور پر ایک مشکل کام رہا ہے۔ اس میں بہت سے سیلولر ذیلی نظاموں کے کمپیوٹر سیمولیشن کا استعمال شامل ہے جیسے میٹابولائٹس کے نیٹ ورک، انزائم جو میٹابولزم اور ٹرانسکرپشن، ترجمہ، ریگولیشن اور جین ریگولیٹری نیٹ ورک کو شامل کرتے ہیں۔ بائیو کیمیکل رد عمل/نقل و حمل کے عمل کا پیچیدہ نیٹ ورک اور ان کی مقامی تنظیم 21 ویں صدی کے لیے ایک زندہ خلیے کے پیش گوئی کرنے والے ماڈل کی ترقی کو ایک بڑا چیلنج بناتی ہے، جسے 2006 میں نیشنل سائنس فاؤنڈیشن (این ایس ایف) نے درج کیا تھا۔ بیکٹیریم مائیکوپلاسما جینیٹیلیم کے لیے ایک مکمل سیل کمپیوٹیشنل ماڈل، جس میں اس کے تمام 525 جینز، جین پروڈکٹس، اور ان کے تعاملات شامل ہیں، کو اسٹینفورڈ یونیورسٹی اور جے کریگ وینٹر انسٹی ٹیوٹ کے سائنسدانوں نے بنایا تھا اور اسے 20 جولائی 2012 کو سیل میں شائع کیا گیا تھا۔ انٹرا سیلولر سگنلنگ کا ایک متحرک کمپیوٹر ماڈل میریمیک فارماسیوٹیکلز کے لیے ان کی کینسر کی دوا ایم ایم-111 کا ہدف دریافت کرنے کی بنیاد تھا۔ میمبرین کمپیوٹنگ خاص طور پر سیل میمبرین کی ماڈلنگ کا کام ہے۔ ملٹی سیلولر آرگنزم تخروپن سیلولر سطح پر سی ایلیگنز کا ایک اوپن سورس تخروپن اوپن ورم کمیونٹی کے ذریعے کیا جا رہا ہے۔ اب تک فزکس انجن گیپیٹو بنایا گیا ہے اور نیورل کنیکٹوم اور پٹھوں کے خلیے کے ماڈل نیورو ایم ایل فارمیٹ میں بنائے گئے ہیں۔ پروٹین کے فولڈنگ پروٹین کی ساخت کی پیشین گوئی اس کے امینو ایسڈ کی ترتیب سے پروٹین کی سہ جہتی ساخت کی پیشین گوئی ہے-یعنی اس کی بنیادی ساخت سے پروٹین کی ترتیری ساخت کی پیشین گوئی۔ یہ بائیو انفارمیٹکس اور نظریاتی کیمسٹری کے سب سے اہم اہداف میں سے ایک ہے۔ پروٹین کی ساخت کی پیش گوئی طب میں (مثال کے طور پر، منشیات کے ڈیزائن میں) اور بائیوٹیکنالوجی (مثال کے طور پر، نئے انزائموں کے ڈیزائن میں) بہت اہمیت کی حامل ہے۔ ہر دو سال بعد، موجودہ طریقوں کی کارکردگی کا اندازہ سی اے ایس پی تجربے میں کیا جاتا ہے۔ انسانی حیاتیاتی نظام کا برین ماڈل بلیو برین پروجیکٹ ممالیہ کے دماغ کو سالماتی سطح تک ریورس انجینئرنگ کے ذریعے مصنوعی دماغ بنانے کی ایک کوشش ہے۔ اس منصوبے کا مقصد، جو مئی 2005 میں سوئٹزرلینڈ کے لوزان میں ایکول پولی ٹیکنک کے برین اینڈ مائنڈ انسٹی ٹیوٹ کے ذریعہ قائم کیا گیا تھا، دماغ کے تعمیراتی اور فعال اصولوں کا مطالعہ کرنا ہے۔ اس پروجیکٹ کی سربراہی انسٹی ٹیوٹ کے ڈائریکٹر ہنری مارکرم کر رہے ہیں۔ مائیکل ہائنز کے نیورون سافٹ ویئر کو چلانے والے بلیو جین سپر کمپیوٹر کا استعمال کرتے ہوئے، تخروپن محض ایک مصنوعی عصبی نیٹ ورک پر مشتمل نہیں ہوتا ہے، بلکہ اس میں نیوران کا جزوی طور پر حیاتیاتی طور پر حقیقت پسندانہ ماڈل شامل ہوتا ہے۔ اس کے حامیوں کو امید ہے کہ یہ بالآخر شعور کی نوعیت پر روشنی ڈالے گا۔ بہت سے ذیلی منصوبے ہیں، جن میں کیجل بلیو برین شامل ہے، جو میڈرڈ کے سپر کمپیوٹنگ اینڈ ویژوئلائزیشن سینٹر (سی ای ایس وی آئی ایم اے) کے ذریعے مربوط ہے، اور دیگر برطانیہ، امریکہ اور اسرائیل میں یونیورسٹیوں اور آزاد لیبارٹریوں کے ذریعے چلائے جاتے ہیں۔ ہیومن برین پروجیکٹ بلیو برین پروجیکٹ کے کام پر مبنی ہے۔ یہ یورپی کمیشن کے فیوچر ایمرجنگ ٹیکنالوجیز ریسرچ پروگرام کے چھ پائلٹ منصوبوں میں سے ایک ہے، جو ایک ارب یورو کی فنڈنگ کے لیے مقابلہ کر رہا ہے۔ مدافعتی نظام کا نمونہ پچھلی دہائی میں مدافعتی نظام کے تخروپن کی بڑھتی ہوئی تعداد کا ظہور دیکھا گیا ہے۔ ورچوئل لیور پروجیکٹ ایک 43 ملین یورو کا تحقیقی پروگرام ہے جس کی مالی اعانت جرمن حکومت کرتی ہے، جو جرمنی بھر میں تقسیم کردہ ستر تحقیقی گروپ پر مشتمل ہے۔ مقصد ایک ورچوئل جگر تیار کرنا ہے، جو ایک متحرک ریاضیاتی نمونہ ہے جو انسانی جگر کی فزیولوجی، مورفولوجی اور فنکشن کی نمائندگی کرتا ہے۔ ٹری ماڈل الیکٹرانک ٹری (ای-ٹری) عام طور پر نمو کی تقلید کے لیے ایل-سسٹم کا استعمال کرتے ہیں۔ پیچیدگی سائنس اور اے-لائف کے میدان میں ایل-سسٹمز بہت اہم ہیں۔ سیلولر یا ماڈیولر سطح پر پودوں کی مورفولوجی میں ہونے والی تبدیلیوں کو بیان کرنے کے لیے ایک عالمی طور پر قبول شدہ نظام ابھی وضع کیا جانا باقی ہے۔ درخت پیدا کرنے والے سب سے زیادہ وسیع پیمانے پر نافذ کردہ الگورتھم کو "حقیقت پسندانہ درختوں کی تخلیق اور رینڈرنگ" اور ریئل ٹائم ٹری رینڈرنگ کے کاغذات میں بیان کیا گیا ہے۔ ماحولیاتی نمونے ماحولیاتی نظام کے نمونے ماحولیاتی نظام کی ریاضیاتی نمائندگی ہیں۔ عام طور پر وہ پیچیدہ فوڈ ویب کو اپنے بڑے اجزاء یا ٹرافک سطحوں تک آسان بناتے ہیں، اور ان کی مقدار یا تو حیاتیات کی تعداد، بائیو ماس یا کسی متعلقہ کیمیائی عنصر کی انوینٹری/ارتکاز (مثال کے طور پر، کاربن یا غذائیت کی نوع جیسے نائٹروجن یا فاسفورس) کے طور پر کرتے ہیں۔ ایکوٹوکسکولوجی میں ماڈل ایکوٹوکسکولوجی میں ماڈلز کا مقصد ماحول میں زہریلے مادوں کی وجہ سے ہونے والے اثرات کی تفہیم، تخروپن اور پیش گوئی ہے۔ زیادہ تر موجودہ ماڈل حیاتیاتی تنظیم کی بہت سی مختلف سطحوں میں سے کسی ایک پر اثرات بیان کرتے ہیں (مثال کے طور پر۔ حیاتیات یا آبادی)۔ ایک چیلنج ایسے ماڈلز کی ترقی ہے جو حیاتیاتی پیمانے پر اثرات کی پیش گوئی کرتے ہیں۔ ایکوٹوکسکولوجی اور ماڈل کچھ قسم کے ایکوٹوکسکولوجیکل ماڈلز پر تبادلہ خیال کرتے ہیں اور بہت سے دوسرے لوگوں کو لنک فراہم کرتے ہیں۔ متعدی بیماری کی ماڈلنگ کسی وبا کے ممکنہ نتائج کو دریافت کرنے یا ویکسینیشن کے ذریعے ان کا انتظام کرنے میں مدد کرنے کے لیے زیادہ تر متعدی بیماریوں کی پیشرفت کو ریاضیاتی طور پر ماڈل کرنا ممکن ہے۔ یہ فیلڈ مختلف متعدی بیماریوں کے پیرامیٹرز تلاش کرنے اور بڑے پیمانے پر ویکسینیشن پروگرام کے اثرات کے بارے میں مفید حساب کتاب کرنے کے لیے ان پیرامیٹرز کو استعمال کرنے کی کوشش کرتا ہے۔ بائیولوجیکل ڈیٹا ویژوئلائزیشن بائیوسیمولیشن گلیسپی الگورتھم مالیکیولر ماڈلنگ سافٹ ویئر سٹوچسٹک سیمولیشن نوٹسز ریفرنسز سورس این انٹروڈکشن ٹو انفیکٹو ڈیزیز ماڈلنگ بذریعہ ایمیلیا وینیکی اور رچرڈ جی وائٹ بھی دیکھیں۔ متعدی بیماری کے ماڈلنگ اور اس کے استعمال پر ایک تعارفی کتاب۔ مزید پڑھنے کے بیرونی روابط سینٹر فار ماڈلنگ امیونٹی ٹو اینٹرک پیتھوجینز (ایم آئی ای پی) بائیو انفارمیٹکس بائیوسیمولیشن کمپیوٹیشنل سائنس ریاضیاتی اور نظریاتی حیاتیات ریاضیاتی ماڈلنگ سسٹمز سسٹم تھیوری