زیست‌شناسی محاسباتی

زیست‌شناسی محاسباتی (انگلیسی: Computational biology) شامل توسعه و کاربرد روش‌های داده-تحلیلی و نظری، مدل سازی ریاضی و تکنیک‌های شبیه‌سازی محاسباتی برای مطالعه سیستم‌های بیولوژیکی، رفتاری و اجتماعی است.
این زمینه به‌طور گسترده تعریف شده و شامل مبانی در زیست‌شناسی، ریاضیات کاربردی، آمار، بیوشیمی، شیمی، بیوفیزیک، زیست‌شناسی مولکولی، ژنتیک، ژنومیک، علوم رایانه و تکامل است.
زیست‌شناسی محاسباتی متفاوت از محاسبات بیولوژیکی است که یک زیر شاخه از علوم رایانه و مهندسی کامپیوتر با استفاده از مهندسی زیست‌شناسی و زیست‌شناسی برای ساختن کامپیوتر است، اما شبیه به بیوانفورماتیک است، که علم بین رشته‌ای است که از رایانه برای ذخیره و پردازش داده‌های بیولوژیکی استفاده می‌کند.

مقدمه و معرفی

زیست‌شناسی محاسباتی که جنبه‌های گوناگون بیوانفورماتیک را شامل می‌شود، علمِ استفاده از داده‌های زیستی برای توسعه‌ی الگوریتم‌ها یا مدل‌ها برای فهم سیستم‌ها و روابط زیستی است. تا چندی پیش، زیست‌شناسان به داده‌هایی با حجم زیاد دسترسی نداشتند. حالا این نوع داده، به خصوص در زیست‌شناسی مولکولی و ژنومیک متداول شده است. محققان قادر بودند روش‌های آنالیزی برای تفسیر داده‌های زیستی توسعه دهند، ولی فادر نبودند آن‌ها را به سرعت میان همکاران خود به اشتراک بگذارند. 
بیوانفورماتیک در اوایل دهه‌ی 1970 شروع به توسعه کرد. بیوانفورماتیک علم تجزیه و تحلیل فرایندهای اطلاعاتی سیستم‌های گوناگون زیست‌شناسی است. در آن زمان، تحقیق در زمینه‌ی هوش مصنوعی با استفاده از مدل‌های شبکه‌ی مغز انسان به منظور تولید الگوریتم های جدید انجام گرفت. این استفاده از داده‌های زیستی برای توسعه‌ی سایر زمینه‌ها، محققان زیستی را وادار به بازنگری ایده‌ی استفاده از رایانه‌ها برای ارزیابی و مقایسه مجموعه‌هایی با داده‌های بزرگ کرد. تا قبل از سال 1982، اطلاعات با استفاده از کارت‌های پانچ میان محققین به اشتراک گذاشته می‌شد. مقدار داده‌های به اشتراک گذاشته شده در اواخر دهه‌ی 1980 شروع به رشد نمایی کرد. نیاز به توسعه‌ی روش‌های محاسباتی جدید بود تا به سرعت، تجزیه و تحلیل و تفسیر اطلاعات مرتبط انجام شود.
از اواخر دهه‌ی 1990، زیست شناسی محاسباتی تبدیل به بخش مهمی از توسعه‌ی فناوری‌های در حال ظهور در زمینه‌ی زیست شناسی شده است. زیست شناسی محاسباتی و محاسبات تکاملی اسامی مشابهی دارند، اما نباید یکی در نظر گرفته شوند. بر خلاف زیست شناسی محاسباتی، محاسبات تکاملی مربوط به مدل سازی و تجزیه و تحلیل داده‌های زیستی نیست، بلکه به جای آن الگوریتم‌های مبتنی بر ایده‌های تکامل در میان گونه ها را ایجاد می کند. گاهی از آن به عنوان الگوریتم ژنتیک یاد می‌شود و می‌تواند در زیست‌شناسی محاسباتی به کار گرفته شود. در حالی که محاسبات تکاملی ذاتاً بخشی از زیست‌شناسی محاسباتی نیست، زیست شناسی تکاملی محاسباتی یک زیرمجموعه از آن است.
زیست شناسی محاسباتی برای کمک به پیدا کردن توالی ژنوم انسان، ایجاد مدل دقیق مغز انسان و کمک به مدل سازی سیستم‌های زیستی استفاده شده است.

آناتومی محاسباتی

آناتومی محاسباتی، رشته‌ای است که بر مطالعه‌ی شکل و شکل آناتومیک در مقیاس ریخت‌شناسی آناتومیکی قابل مشاهده یا ناشناخته‌ی 50 تا 100 میکرومتری تمرکز دارد که شامل توسعه و کاربرد روش‌های محاسباتی، ریاضی و داده‌های تحلیلی برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی ساختارهای زیستی است. تمرکز آن بیشتر روی ساختارهای تشریحی در حال تصویربرداری است و نه دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی. با توجه به در دسترس بودن اندازه‌گیری‌های متراکم سه بعدی از طریق فناوری هایی مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی، آناتومی محاسباتی به عنوان یک زیرمجموعه‌ی تصویربرداری پزشکی و مهندسی زیست پزشکی برای استخراج سیستم‌های مختصات آناتومیک در مقیاس مورفوم به صورت سه بعدی شکل گرفته است.
فرمول‌بندی اصلی آناتومی محاسباتی به عنوان یک مدل مولد شکل و فرم از نمونه‌هایی است که از طریق تحولات عمل می کنند. گروه هموارریختی برای مطالعه‌ی سیستم‌های مختصات مختلف به شیوه‌ی تبدیل مختصات استفاده می‌شود که از طریق سرعت لاگرانژی و اویلری جریان از یک پیکر آناتومیک در  به دیگری تولید می شود. آناتومی محاسباتی با آمار شکل و مورفومتریک مرتبط است با این تمایز که از هموارریختی برای تبدیل سیستم مختصات استفاده می‌شود.

مدل‌سازی سیستم‌های زیستی

مدل‌سازی سیستم‌های زیستی رشته‌ای است برای ساخت مدل های کامپیوتری برای سیستم‌های زیستی. هدف مدل‌سازی سیستم‌های زیستی، توسعه و استفاده از شبیه سازی‌های بصری برای ارزیابی پیچیدگی سیستم‌های زیستی است. این کار از طریق استفاده از الگوریتم های تخصصی و نرم‌افزار تجسم انجام می شود. این مدل ها امکان پیش بینی نحوه واکنش سیستم ها در محیط های مختلف را می دهد. این کار از طریق استفاده از الگوریتم‌های مخصوص و نرم‌افزار تصویرسازی انجام می‌گیرد.  این مدل‌ها به ما امکان پیش‌بینی نحوه‌ی واکنش سیستم‌ها در محیط‌های مختلف را می‌دهد. این کار برای تعیین اینکه آیا یک سیستم خوش‌بُنیه است یا نه، مفید است. تعریف یک سیستم زیستی خوش‌بنیه این است که "حالت و عملکرد خود را در مقابل اختلالات خارجی و داخلی حفظ کند" که برای بقای سیستم زیستی ضروری است. مدل‌سازی سیستم‌های زیستی یک آرشیو بزرگ از چنین داده‌ها را تولید می‌کند، که امکان تجزیه و تحلیل از چندین کاربر را فراهم می‌کند. در حالی‌که تکنیک‌های فعلی روی سیستم های زیسیتی کوچک تمرکز می‌کنند، محققان بر روی رویکردهایی که شبکه‌های بزرگتری را تجزیه و تحلیل و مدل سازی می‌کنند، کار می‌کنند. اکثریت محققان معتقدند که این امر در توسعه روشهای پزشکی مدرن برای ایجاد داروهای جدید و ژن درمانی ضروری خواهد بود.  یک رویکرد مدل سازی مفید، استفاده از شبکه‌های پتری با استفاده از ابزارهایی مانند esyN است.

ژنومیک محاسباتی(ژنتیک محاسباتی)

ژنومیک محاسباتی یک رشته در ژنومیک است که ژنوم سلولها و موجودات را مطالعه می‌کند. گاهی اوقات از آن به عنوان ژنتیک محاسباتی و آماری یاد می‌شود و بسیاری از بیوانفورماتیک را شامل می‌شود. پروژه‌ی ژنوم انسان نمونه ای از ژنومیک محاسباتی است. هدف این پروژه یافتن توالی ژنوم انسان و پیوند دادن آن به مجموعه‌ای از اطلاعات است. هنگامی که به طور کامل اجرا شود، می تواند به پزشکان اجازه دهد ژنوم یک بیمار را تجزیه و تحلیل کنند. همچنین امکان پزشکی شخصی‌سازی‌شده را از طریق تجویز درمان بر اساس الگوهای ژنتیکی موجود در فرد، فراهم می کند. این پروژه باعث ایجاد بسیاری از پروژه‌های مشابه شده است. محققان به دنبال ژنوم حیوانات، گیاهان، باکتری‌ها و سایر انواع زندگی هستند. 
یکی از روش‌های اصلی مقایسه‌ی ژنوم‌ها هماهنگی توالی‌ها است. همولوژی مطالعه‌ی ساختارهای زیستی و توالی نوکلئوتیدی در ارگانیزم‌های مختلفی است که دارای اجداد مشترک هستند. تحقیقات نشان می دهد که بین 80 تا 90 درصد ژن‌ها در ژنوم‌های پروکاریوتی تازه تثبیت شده، می‌توانند به این طریق شناسایی شوند.
این رشته هنوز در حال توسعه است. یک موضوع بررسی نشده در توسعه‌ی ژنومیک محاسباتی، تجزیه و تحلیل مناطق میان‎ژنی است. مطالعات نشان می دهد که تقریباً 97٪ ژنوم انسان از این مناطق تشکیل شده است.  محققان در ژنومیک محاسباتی روی فهم مناطق غیر کدگذاری و کارکرد آن‌ها کار می‌کنند.

داروشناسی محاسباتی

داروشناسی محاسباتی (از منظر زیست شناسی محاسباتی) "بررسی اثر داده‌های ژنومیک برای یافتن پیوندهای بین ژنوتیپ‌های خاص و بیماری‌ها و سپس بررسی داروپژوهی" است. صنعت داروسازی نیازمند تغییر روش‌ها برای تجزیه و تحلیل داده‌های مواد دارویی است. داروشناسان قبلاً از مایکروسافت اکسل برای مقایسه‌ی اطلاعات شیمیایی و ژنومی مرتبط با اثربخشی دارو استفاده می‌کردند که الان به عنوان مانع اکسل یاد می‌شود که دلیل آن تعداد محدود خانه‌های موجود در هر صفحه است. این توسعه منجر به داروشناسی محاسباتی شد. دانشمندان و محققان روش‌های محاسباتی را برای تجزیه و تحلیل این نوع داده‌های عظیم، توسعه می دهند. این کار این اجازه را به ما می‌دهد تا مقایسه‌ی موثر بین داده‌ها داشته باشیم و داروهای دقیقتری توسعه بیابند. 
تحلیلگران بر این باورند که اگر داروهای اصلی به دلیل ثبت اختراعات شکست بخورند، زیست شناسی محاسباتی برای جایگزینی داروهای موجود در بازار ضروری خواهد بود. دانشجویان دکترا در زیست شناسی محاسباتی تشویق می‌شوند که به جای پست دکترا به دنبال کار حرفه‌ای در صنعت باشند. این یک نتیجه‌ی مستقیم از شرکت‌های بزرگ دارویی است که نیاز به تحلیلگران خبره مجموعه داده‌های بزرگ برای تولید داروهای جدید دارد.

زیست‌شناسی محاسباتی سرطان

زیست‌شناسی محاسباتی سرطان یک رشته است که هدف آن تعیین جهش های ممکن در سرطان از طریق روش‌های الگوریتمی برای تحلیل داده‌ها است. تحقیقات در این زمینه منجر به بهره‌گیری از اندازه‌گیری‌ها با حجم بالا شده است. اندازه گیری با حجم بالا اجازه‌ی جمع آوری میلیون‌ها نقطه داده با استفاده از رباتیک و دیگر دستگاه‌های حسگر را می‌دهد. این داده ها از DNA ،RNA و دیگر ساختارهای زیستی جمع‌آوری می‌شود. محدوده‌ی تمرکز شامل تعیین ویژگی‌های تومور، تجزیه و تحلیل مولکول‌هایی که در ایجاد سرطان دخیل هستند و درک اینکه چگونه ژنوم انسان مربوط به تومور و سرطان است، است.

روانپزشکی محاسباتی

روانپزشکی محاسباتی زمینه‌ای در حال ظهور است که از مدل‌سازی‌های ریاضی و کامپیوتری برای مدل کردن مکانیزم‌های مغز درگیر در اختلالات روانی استفاده می‌کند. قبلاً نشان داده شده است که مدل‌های محساباتی نقش مهمی در درک مدارهای مغزی که کارکردها و اختلالات روانی را ایجاد می‌کنند، ایفا می‌کنند.

ابزار و نرم‌افزارها

محققان زیست‌شناسی محساباتی از طیف گسترده‌ای از نرم‌افزارها استفاده می کنند. از برنامه‌های خط فرمان گرفته تا برنامه‌های گرافیکی و مبتنی بر وب.

مجلات

مجلات متعددی وجود دارند که به زیست شناسی محاسباتی اختصاص یافته اند. برخی از نمونه‌های قابل توجه مجله‌ی زیست‌شناسی محاسباتی و PLOS است. مجله‌ی زیست‌شناسی محاسباتی PLOS یک مجله‌ی بررسی شونده است که دارای بسیاری از پروژه‌های تحقیق قابل توجه در زمینه‌ی خود است. آن‌ها بازیبینی نرم‌افزارها و آموزشهای نرم‌افزارهای متن باز را فراهم می‌کنند و همچنین اطلاعات کنفرانس‌های پیش رو در این زمینه را منتشر می‌کنند. PLOS یک ژورنال دسترسی آزاد است. همه می‌توانند از مطالب آن استفاده کنند به شرط آن که به نویسنده اشاره شود . به تازگی یک مجله‌ی دسترسی آزاد زیست‌شناسی مولکولی محاسباتی راه اندازی شده است.