اوميكس

به زبان ساده اومیکس شاخه ای از زیست شناسی است که به مطالعه همه محتویات یک سیستم می پردازد. این پسوند  در زبان یونانی به معنای (همه) می باشد و اومیکس مشتق شده از این پسوند است. به عنوان مثال همه محتویات ژنتیکی یک سیستم (ژنوم) نامیده می شود و به مطالعه آن ژنومیکس می گویند.پس از آن این پسوند در کلمه های (پروتئوم) و ( پروتئومیکس ) هم بکار رفت اما ژنومیکس و پروتئومیکس پرکاربردترین کلمات از این دست محسوب می شوند. اطلاعات زیستی در مقیاس بزرگ و سیستمیک در اومیکس بررسی و برهمکنش اجزای مختلف یک سیستم زنده ( مانند پروتئینها، مسیرهای متابولیسمی و...) مورد مطالعه قرار می گیرد که در نهایت مدل قابل فهمی از یک سیستم زنده ترسیم می شود. با تکمیل پروژه ژنوم انسان در سال 2003 تمرکز اکثر پژوهش های زیستی فراتر از ژنوم رفته و بر روی موضوع بسیار مهم یعنی نقش ژنها متمرکز شده است.

از اﻳــﻦ رو ﭘــﺲ از واژه ى "ژﻧﻮﻣﻴــﻚ"، ﺗﻌــﺪادى از ﻛﻠﻤــــﺎت ﺑــــﺎ ﭘﺴــــﻮﻧﺪ "-ome" و "-omics" ﻣﺎﻧﻨــــﺪ:

ﺗﺮاﻧﺴـــﻜﺮﻳﭙﺘﻮﻣﻴﻜﺲ

ﭘﺮوﺗﺌـــﻮﻣﻴﻜﺲ

ﻣﺘـــﺎﺑﻮﻟﻮﻣﻴﻜﺲ

ﮔﻠﻴﻜﻮﻣﻴﻜﺲ

ﻟﻴﭙﻴﺪوﻣﻴﻜﺲ

در  دﻫـﻪ های اخیر اﻳﺠـﺎد ﺷﺪه اﻧﺪ.

ليپيدوميكس

شاخه جدیدی از علم اومیکس که اخیرا مورد توجه قرار گرفته لیپیدومیکس است. مشارکت در ساختار غشایی و ساختمانی سلول، انتقال و تنظیم پیام­رسانی سلولی و حفظ و ذخیره انرژی زیستی، همه مثال­هایی از اهمیت چربی­ها در سلول­های زنده هستند که توسعه علم لیپیدومیکس به شناخت و کنترل عوامل مؤثر بر آنها کمک می­کند. ابزارها و روش­های مختلف شناسایی و پردازش چربی­ها شامل روش­های مبتنی بر اسپکترومتری جرمی، طیف­سنجی و کروماتوگرافی، روش­های شیمیایی و تصویربرداری در گسترش بیشتر لیپیدومیکس سهم بسزایی داشته­اند تسلط بر حوزه­های متنوع علم لیپیدومیکس به صورت معنی­داری به توسعه پژوهش­های کاربردی در زمینه بیماری­های مرتبط با چربی و شناسایی مسیرهای مختلف متابولیسم چربی و آنزیم­های درگیر در آنها کمک کرده است.

طيف سنجي جرمي و شناسايي ملكول هاي زيستي

طیف سنجی جرمی تحول بزرگی در شناسایی مولکول های زیستی به وجود آورده است و از تکنیکهای بسیار قوی برای شناسایی مواد است با  این روش مولکولهایی مانند پروتئینها، اسیدهای نوکلئیک و لیپیدها که بیوپلیمرهای(پلیمر های زیستی) اصلی موجودات زنده هستند، شناسایی و آنالیز شده اند. دو مزیت مهم طیف سنج جرمی یعنی دقت و حساسیت بالای آن باعث کاربرد این تکنیک در زیست شناسی مولکولی و تحقیقات درزمینه پرتئومیکس، متابولومیکس و  ژنومیکس شده است. این روش با شناسایی پروتئین ها و پپتیدها و نیز تعیین کمپلکسهای مولکولی، نقش مؤثری در شناخت مکانیسمهای عملکردی و مولکولی سلول دارد. به طور کلی استفاده از روش طیف سنجی جرمی در اومیکس به دو صورت نشان دار نشده (تعیین میزان نسبی در دو یا چند نمونه بیولوژیکی و در آن از ایزوتوپ پایدار در ترکیب مورد بررسی استفاده نمی شود) و نشاندار شده (تعیین میزان دقیق میزان نمونه بیولوژیکی است و در آن از ایزوتوپ پایدار بعنوان استاندارد داخلی و ردیاب استفاده می شود) به کار می رود.

كاربرد ايزوتوپ هاي پايدار در اوميكس

ایزوتوپ هایی که در فناوری اومیکس مورد استفاده قرار می گیرد از نوع  پایدار و  بیشتر شامل ایزتوپ های کربن،هیدروژن اکسیژن  نیتروژن  و سولفور می باشند به طور کلی کابرد ایزوتوپ پایدار در علوم اومیکس و زیست شناسی بر دو اصل کلی استوار است:

استفاده از ایزوتوپ های پایدار برای بهبود کمیت توسط استاندارد سازی داخلی

استفاده از ایزوتوپ های پایدار بعنوان ردیاب

ایزوتوپ های پایدار دارای خواص فیزیکی متفاوت و خواص شیمیایی یکسان می باشند . بنابراین ، مولکولهای با برچسب ایزوتوپ پایدار دارای خصوصیات بیوشیمیایی یکسان هستند. پیشرفت های اخیر در طیف سنجی جرمی (MS) و تکنیک رزونانس طیف سنجی مغناطیسی هسته ای (NMR)  باعث شده است که تجزیه و تحلیل متابولیت  تا حد زیادی بهبود یابد .انجام این گونه آنالیز ها  با یک چالش قابل توجه مواجه است و آن تفسیر داده های انالیزی می باشد. استفاده از ایزوتوپ های پایدارمی تواند راهکاری درجهت رفع این محدودیت باشد به عنوان مثال ، یکی از موانع این است که بسیاری از سیگنالهای شناسایی شده توسط طیف سنجی جرمی  منحصر به فرد بوده و با توجه به اینکه متابولیت ها از یک ماده خاص مشتق می شوند از ایزوتوپ های پایدار برای نشان دار کردن این ترکیب استفاده می شود تا از ان برای شناسایی ترکیبات بیولوژیکی مشتق شده استفاده شود.به عبارت دیگر از ترکیبات نشاندار شده با ایزوتوپ های پایدار به عنوان استاندارد داخلی برای شناسایی و تعیین غلظت داده های طیف سنجی جرمی استفاده می شود.

با وجود مزایای بیان شده برای ترکیبات نشان دار شده جهت استفاده بعنوان استانداردهای داخلی ، دستیابی کامل به ایزوتوپ های سنگین در بیومولکول ها به دلیل محدودیت زمان و هزینه ، به ویژه برای ارگانیسم های پیچیده تر مانند پستانداران ، چالش برانگیز است. از این رو تحقیقات برای بهبود این سیستم و یا ابداع روش های جدید رو به افزایش است.

ردیاب ایزوتوپی مولکولی است که از نظر شیمیایی و عملکردی با مولکول مورد بررسی یکسان است و با دنبال کردن ردیاب اطلاعاتی در مورد متابولیسم و مولکول مورد توجه بدست می آید به عنوان مثال هنگامی که سوخت و ساز بدن بدون ردیاب ایزوتوپی پایدار انجام شود ، فقط غلظت متابولیت قابل تعیین است ولی هنگامی که سوخت و ساز بدن با ردیاب ایزوتوپی پایدار انجام می شود ، هم غلظت متابولیت و هم فعالیت های مسیر (به عنوان مثال ، سوخت وساز متابولیک) قابل ارزیابی است. مورد دوم درک بسیار بیشتری از متابولیسم ارائه می دهد.

با استفاده از تکنیکهایی مانند طیف سنجی جرمی یا رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) می توان ردیاب ها را شناسایی نمود. مولکول ردیاب می تواند یک ترکیب نشاندار شده توسط ایزوتوپ های پایدار باشد مانند گلوکوز یا آب سنگین که در بیشتر تحقیقات استفاده می شوند ردیاب ایزوتوپ پایدار برای یک مسیر کاربرد دارد  یعنی ، اسیدهای آمینه نشان دار شده اطلاعات مربوط به متابولیسم اسید آمینه و پروتئین را ارائه می دهند ، اسیدهای چرب نشان دار شده از سوخت و ساز چربی اطلاع می دهند ، در حالی که ردیاب گلوکز متابولیسم و ذخیره کربوهیدرات را منعکس می کند. بنابراین بسته به مسیر متابولیکی مورد انتظار ملکول ردیاب را انتخاب می کنیم.

استفاده از D2O به عنوان ردیاب در مطالعات اومیکس ( لیپیدومیکس و ..)

آب سنگین بعنوان ردیاب برای تحقیقات متابولیک اولین بار در سال 1932 توسط ( Harold Urey) استفاده شد. این تحقیق باعث شکل گیری پژوهش های مشابه گردید ، یکی از آن ها استفاده از آب سنگین در بدن انسان می باشد که باعث ترکیب شدن با آب بدن می شود و توسط واکنش هایی در بدن انسان که آب در آن نقش دارد وارد متابولیک بدن شده و مورد بررسی قرار می گیرد .مهمترین مزایای این روش این است که قابلیت پیش بینی و تکرارپذیری دارد. آب سنگین به دلایل زیر برای نشان دار کردن ترکیبات متابولیک مورد استفاده می باشد:

1- تبادل ایزوتوپی با آب سنگین 

دوتریوم (D) را می توان از طریق آب سنگین (D2O) به پیوندهای C − H در زنجیره اصلی تری گلیسیرید (TG) در حین گلیکولیزاسیون انتقال داد. علاوه بر این ، سایر مولکولهای زیستی از جمله اسیدهای نوکلئیک ، کربوهیدراتها و اسیدهای آمینه را می توان در حضور D2O از طریق انواع واکنشهای آنزیمی مانند مسیر فسفات پنتوز ، گلوکونوژنز و واکنشهای انتقال دهنده دوتره کرد. بر اساس این ویژگی است که می توان ازاین روش برای سایر مطالعات کمی اومیکس استفاده کرد.

2- دسترسی راحت و ارزان قیمت

در مقایسه با سایر روش های نشان دار کردن متابولیک ، غنی سازی ایزوتوپ در مولکول های هدف مقرون به صرفه تر است. علاوه بر این ، سهولت در مصرف و هزینه کم D2O ، آن را برای تجزیه و تحلیل کمی طولانی مدت در طیف وسیع تری از سیستم های بیولوژیکی شامل گیاهان و پستانداران مناسب می کند.

سنتز پیش ماده های دوتره توسط مقدار مناسبی از آب سنگین و ترکیب بعدی آنها در پلیمرها مانند آلانین دوتره به پروتئین ، گلوکز به گلیکوژن ، اسیدهای چرب به تری گلیسیریدها و قسمتهای ریبوز به اسیدهای نوکلئیک (RNA / DNA) این اجازه را به ما می دهد که طیف وسیعی از فرآیند های متابولیکی را بررسی و اندازه گیری کنیم. سرعت محو شدن آب سنگین از آب بدن پاین می باشد و می توان مقدار غنی سازی آب بدن را بوسیله نمونه گیری از بزاق یا ادرار بصورت منظم بررسی و کنترل کرد بنابراین غنی سازی بصورت  پایدار و منظم می تواند طی چندین روز حفظ شود و این پتانسیل بی نظیری برای اندازه گیری متابولیسم در طی ساعت ها ، روزها ، هفته ها یا حتی ماه ها بعد را فراهم می کند و بسیاری از محدودیت ها را رفع میکند.

این خصوصیات منحصر به فرد D2O و پیشرفت ها ی وسیع در زمینه تجزیه و تحلیل داده های بیوشیمی مثل طیف سنجی جرمی باعث شده است که محبوبیت کاربرد آب سنگین در مطالعات اومیکس، به ویژه در تحقیقات انسانی ، طی سالهای اخیر به صورت تصاعدی افزایش یابد.

نتیجه گیری

ایزوتوپ دوتریوم در زمینه های فراوانی مثل داروسازی،الکترونیک، اومیکس و سایر فن آوری های پیشرفته مورد استفاده قرار گرفته و در طول دهه های گذشته ، علاوه بر کاربرد آن در شناسایی مکانیسم های واکنش های بیولوژیکی و فیزیکی ، توجه عمده ای بر کاربردهای D2O در پزشکی و صنعت معطوف شده است. استفاده از آب سنگین در مطالعات اومیکس  بسیاری از مشکلات مربوط به سلامتی انسان را حل می کند ، خصوصاً در تجزیه و تحلیل بیوشیمیایی و فیزیولوژیکی ، سنتز ترکیبات نشان دار شده با دوتریوم، درمان بیماری ها و مطالعه داروها ، تغذیه ، آزمایش های رقیق سازی ایزوتوپ در بدن موجودات زنده، ردیابی ایزوتوپی متابولیک و... .

"ایزوتوپ پایدار" ,"ایزوتوپ" , "آب سنگین" , "اومیکس" , "لیپیدومیکس " , "ایزوتوپ های پایدار " , "D2O" , "omics"