نانواینفورماتیک

**نانواینفورماتیک،** به‌کارگیری **علم اینفورماتیک (علوم داده و اطلاعات)** در حوزهٔ **فناوری نانو** است. این رشته، که حوزه‌ای میان‌رشته‌ای محسوب می‌شود، متضمن توسعهٔ روش‌ها و ابزارهای نرم‌افزاری برای درک و فهم هرچه بهتر نانومواد، خواص آن‌ها، و تعاملاتشان با موجودیت‌های زیستی است و به کارایی هرچه بیشتر در بهره‌گیری از این اطلاعات کمک شایانی می‌نماید.

تفاوت بنیادین این شاخه با **شیمی‌اینفورماتیک** در این است که نانومواد غالباً شامل مجموعه‌های **غیریکنواختی** از ذرات هستند که دارای توزیعی از خواص فیزیکی می‌باشند و این توزیع می‌بایست به‌دقت تعیین و مشخص گردد. زیرساخت نانواینفورماتیک دربرگیرندهٔ **هستی‌شناسی‌ها**برای نانومواد، قالب‌های ذخیره‌سازی پرونده و مخازن داده‌ای است.

نانواینفورماتیک دارای کاربردهایی در بهبود گردش کار در تحقیقات بنیادی، فرآیندهای ساخت و تولید، و همچنین حوزه‌های **سلامت محیط زیست** است. این امر مجال می‌دهد تا از روش‌های **داده‌محور با توان عملیاتی بالا (High-Throughput Data-Driven Methods)** برای تحلیل مجموعه‌های گسترده‌ای از نتایج تجربی بهره‌گیری شود. کاربردهای این علم در حوزهٔ **نانوپزشکی** شامل تحلیل داروهای مبتنی بر نانوذرات برای درک **روابط ساختار-فعالیت ([[:en:Structure–activity_relationship|Structure–Activity Relationships]])**، به شیوه‌ای مشابه با آنچه در **بیوانفورماتیک** صورت می‌پذیرد، است.

## مقدمه
در حالی که مواد شیمیایی مرسوم صرفاً بر اساس **ترکیب شیمیایی** و **غلظت** آن‌ها تعریف و تعیین می‌شوند، نانوذرات دارای خواص فیزیکی دیگری هستند که برای توصیف کامل آن‌ها باید اندازه‌گیری شوند. از جملهٔ این خواص می‌توان به **اندازه**، **شکل**، **خواص سطحی**، **ساختار بلوری (Crystallinity)** و **حالت پخشایش (Dispersion State)** اشاره کرد.

علاوه بر این، فرآورده‌های نانوذرات اغلب **غیریکنواخت** هستند و دارای توزیعی از این خواص می‌باشند که این توزیع نیز باید مشخص گردد. این خواص در مقیاس مولکولی، بر خواص شیمیایی و فیزیکی **ماکروسکوپی** و همچنین اثرات بیولوژیکی نانوذرات تأثیر می‌گذارند. این ویژگی‌ها هم در **مشخصه‌یابی تجربی نانوذرات** و هم در نمایش آن‌ها در یک سیستم اینفورماتیک از اهمیت بسزایی برخوردارند.
بندانگشتی|'''"زمینهٔ نانواینفورماتیک به عنوان همگرایی علم و عمل، در تقاطع (کانون) ایمنی، سلامت، رفاه و بهره‌وری؛ مدیریت ریسک؛ و فناوری نانوی نوظهور قلمداد می‌گردد."'''
زمینهٔ فعالیت **نانواینفورماتیک** آن است که توسعه و پیاده‌سازی مؤثر کاربردهای بالقوهٔ فناوری نانو، مستلزم مهار (و مدیریت) اطلاعاتی است که در تقاطع **ایمنی، سلامت، رفاه و بهره‌وری**؛ **مدیریت ریسک**؛ و **فناوری نانوی نوظهور** قرار دارند.

یکی از **تعاریف کارآمد** (عملیاتی) برای نانواینفورماتیک، که از طریق **نقشهٔ راه نانواینفورماتیک ۲۰۲۰** مبتنی بر اجتماع توسعه یافته بسط داده شده است، عبارت است از:

* **تعیین این‌که کدام اطلاعات به منظور برآورده ساختن اهداف ایمنی، سلامت، رفاه و بهره‌وری جامعهٔ علمی، مهندسی و فناوری مقیاس نانو، واجد اهمیت و مرتبط هستند.**
* **توسعه و پیاده‌سازی سازوکارهای مؤثر برای جمع‌آوری، اعتبارسنجی، ذخیره‌سازی، اشتراک‌گذاری، تحلیل، مدل‌سازی و به‌کارگیری اطلاعات.**
* **تأیید این امر که تصمیمات مقتضی اتخاذ شده و برآیندهای مطلوب مأموریت، در نتیجهٔ به‌کارگیری اطلاعات مذکور، محقق گشته‌اند.**
* انتقال تجربه به جامعهٔ گسترده‌تر، سهیم شدن در دانش عمومی‌شده، و به‌روزرسانی استانداردها و آموزش‌ها.بندانگشتی|'''"نانواینفورماتیک به عنوان یک فرایند چرخهٔ حیات (Life-cycle process)."'''

## نمایش داده‌ها
اگرچه فناوری نانو در معرض آزمایش‌های گسترده‌ای قرار دارد، اما بخش قابل توجهی از داده‌های آن در قالب‌های استاندارد ذخیره نشده‌اند یا به صورت گسترده قابل دسترسی نیستند. ابتکارات نانواینفورماتیک در پی هماهنگ‌سازی توسعهٔ استانداردسازی داده‌ها و روش‌های اینفورماتیک هستند.

### '''نقش هستی‌شناسی‌ها در علوم اطلاعات'''
**در بستر علوم اطلاعات، یک هستی‌شناسی عبارت است از بازنمایی رسمی دانش در یک حوزهٔ تخصصی، که از سلسله مراتب اصطلاحات شامل تعاریف، صفات (ویژگی‌ها) و روابط میان آن‌ها بهره می‌برد. هستی‌شناسی‌ها، یک واژه‌شناسی مشترک را در چارچوبی قابل خواندن توسط ماشین فراهم می‌آورند که تسهیل‌کنندهٔ اشتراک‌گذاری و اکتشاف داده‌ها است."**

**"وجود یک هستی‌شناسی تثبیت‌شده برای نانوذرات، به دلیل نیاز پژوهشگران به جست‌وجو، دسترسی، و تحلیل حجم وسیعی از داده‌ها، برای حوزهٔ نانوپزشکی سرطان از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است."**
بندانگشتی|هستی‌شناسی اِنانومَپِر، اثر هاستینگز و همکاران، ۲۰۱۵، مجلهٔ معناشناسی زیست‌پزشکی، جلد ۶، صفحهٔ ۱۰، شکل ۲
**هستی‌شناسی نانوذرات (NPO)**، یک هستی‌شناسی است که برای **آماده‌سازی (Preparation)، ترکیب شیمیایی، و مشخصه‌یابی نانومواد** مورد استفاده در تحقیقات سرطان طراحی شده است. این هستی‌شناسی از **چارچوب هستی‌شناسی رسمی پایه (Basic Formal Ontology)** استفاده نموده و در **زبان هستی‌شناسی وب (Web Ontology Language)** پیاده‌سازی شده است. این سیستم توسط **مرکز ملی هستی‌شناسی زیست‌پزشکی** میزبانی می‌شود و نگهداری آن در **گیت‌هاب** صورت می‌پذیرد.**هستی‌شناسی اِنانومَپِر (eNanoMapper Ontology)**، که جدیدتر است، در صورت امکان، هستی‌شناسی‌های حوزه‌ای موجود را **بازاستفاده** می‌کند. به همین دلیل، این سیستم علاوه بر بازاستفاده و بسط **هستی‌شناسی نانوذرات (NPO)**، از **هستی‌شناسی زیست‌سنجی (BioAssay Ontology)**، **هستی‌شناسی عوامل تجربی (Experimental Factor Ontology)**، **هستی‌شناسی واحد (Unit Ontology)**، و **کِمبی ([[:en:ChEBI|ChEBI]])** نیز بهره می‌برد.

### قالب‌های پرونده
**ISA-TAB-Nano** مجموعه‌ای شامل چهار **قالب پروندهٔ مبتنی بر صفحه‌گسترده (Spreadsheet-based file formats)** است که برای نمایش و اشتراک‌گذاری داده‌های نانومواد ،طراحی شده و بر **استاندارد فراداده‌ای ISA-TAB** بنا نهاده شده است. در اروپا، قالب‌های دیگری به تصویب رسیده‌اند که توسط **مؤسسهٔ طب کار** و همچنین **مرکز تحقیقات مشترک** برای **پروژهٔ نانورِگ (NANoREG)** توسعه داده شده‌اند.

## ابزارها
نانواینفورماتیک تنها به گردآوری و اشتراک‌گذاری اطلاعات در مورد فناوری‌های نانو محدود نمی‌شود، بلکه دارای ابزارهای مکمل متعددی است که برخی از آن‌ها از **شیمی‌اینفورماتیک** و **بیوانفورماتیک** نشأت می‌گیرند.

### پایگاه‌های داده و مخازن اطلاعات
**طی دههٔ گذشته، پایگاه‌های داده و مخازن گوناگون نانومواد که به صورت عمومی در دسترس هستند، به منظور پشتیبانی از نانواینفورماتیک و مدل‌سازی سمّیت‌شناسی (توکسیکولوژی) ایجاد شده‌اند.**این پایگاه‌های داده غالباً، داده‌های استانداردشدهٔ فیزیکوشیمیایی، زیستی و سمّیت‌شناختی (توکسیکولوژیک) را دربارهٔ نانومواد مهندسی‌شده ذخیره می‌کنند و مجموعه‌داده‌های آماده برای مدل‌سازی را برای جامعهٔ علمی فراهم می‌آورند تا بازاستفاده از داده‌ها میسر گردد. با توجه به محدودیت دسترسی به داده‌ها در وظایف نانواینفورماتیک، گردآوری (کیوریت کردن) مجموعه‌داده‌های بزرگ و ذخیره‌سازی آن‌ها در مخازن قابل دسترس، به منظور پشتیبانی از مدل‌سازی محاسباتی، ارزیابی مقرراتی و پژوهش‌های داده‌محور، در اولویت قرار دارد.

caNanoLab، که توسط **انستیتوی ملی سرطان ایالات متحده** توسعه یافته است، بر فناوری‌های نانو مرتبط با **زیست‌پزشکی (Biomedicine)** تمرکز دارد.مرجع ثبت نانومواد (NanoMaterials Registry)، که توسط **آر تی آی اینترنشنال ([[:en:RTI_International|RTI International]])** نگهداری می‌شود، یک پایگاه دادهٔ **گردآوری‌شده (Curated)** از نانومواد است و داده‌های **caNanoLab** را نیز در بر می‌گیرد.

پایگاه دادهٔ eNanoMapper، که یکی از پروژه‌های **خوشهٔ ایمنی نانوی اتحادیهٔ اروپا (EU NanoSafety Cluster)** است، استقرار (اجرای عملیاتی) نرم‌افزار پایگاه داده‌ای است که در پروژهٔ eNanoMapper توسعه یافته است.این (پایگاه داده) از آن زمان تاکنون در زمینه‌ها و بسترهای دیگری، مانند **رصدخانهٔ نانومواد اتحادیهٔ اروپا (EUON)** نیز به کار گرفته شده است.

**سایر پایگاه‌های داده شامل مرکز دلالت‌های زیست‌محیطی فناوری نانو (The Center for the Environmental Implications of NanoTechnology) با سامانه‌های نانواینفورماتیک دانش مشترک (NIKC)** **و** **بانک اطلاعات نانو (NanoDatabank)****، پایگاه دادهٔ اطلاعات در معرض‌گذاری و زمینه‌ای نانو (NECID)** **متعلق به پروش (PEROSH)، داده‌ها و دانش نانومواد (DaNa)****، نانوفاروس (NanoPharos)****، و پایگاه دادهٔ نانوی Springer Nature می‌باشند.**

## کاربردها
**نانواینفورماتیک کاربردهایی در بهبود گردش کار (Workflows) در تحقیقات بنیادی، فرآیندهای ساخت و تولید، و همچنین سلامت محیط زیست دارد، و امکان به‌کارگیری روش‌های داده‌محور با توان عملیاتی بالا (High-throughput data-driven methods) را برای تحلیل مجموعه‌های گسترده‌ای از نتایج تجربی فراهم می‌آورد.**

**نانواینفورماتیک به ویژه در تشخیص و درمان سرطان مبتنی بر نانوذرات مفید است. این نانوذرات به دلیل تعداد بالای تغییرات شیمیایی و فیزیکی که می‌توان به صورت ترکیبی (Combinatorially) بر روی آن‌ها اعمال کرد، و این تغییرات می‌توانند دگرگونی‌های شدیدی در خواص عملکردی آن‌ها ایجاد نمایند، ذاتاً بسیار متنوع هستند.این امر به یک پیچیدگی ترکیبیاتی (Combinatorial Complexity) منجر می‌شود که بسیار فراتر از، به عنوان مثال، داده‌های ژنومی است.**نانواینفورماتیک می‌تواند **مدل‌سازی رابطهٔ ساختار-فعالیت (Structure–Activity Relationship)** را برای داروهای مبتنی بر نانوذرات ممکن سازد. نانواینفورماتیک و **نانومدل‌سازی زیست‌مولکولی**، مسیری را برای درمان مؤثر سرطان فراهم می‌آورند. همچنین، نانواینفورماتیک یک رویکرد **داده‌محور** را برای طراحی مواد به منظور برآورده‌سازی نیازهای سلامت و محیط زیست میسر می‌سازد.

### مدل سازی و(NanoQSAR)
**نانواینفورماتیک، که به‌عنوان یک فرایند گردش کار (Workflow Process)** **در نظر گرفته می‌شود، مطالعات تجربی را با استفاده از داده‌ها، فراداده‌ها، واژگان کنترل‌شده و هستی‌شناسی‌ها تجزیه و تحلیل می‌کند تا پایگاه‌های داده را تغذیه نماید؛ بدین ترتیب، روندها، الگوها و نظریه‌ها کشف خواهند شد تا به‌عنوان ابزارهای محاسباتی پیش‌بینی‌کننده به کار روند.**

**مدل‌ها در هر مرحله دخیل هستند؛ برخی مادی (مانند آزمایش‌ها، مواد مرجع و موجودات مدل) و برخی انتزاعی (مانند هستی‌شناسی، فرمول‌های ریاضی) می‌باشند، و هدف همگی، بازنمایی سامانهٔ هدف است. مدل‌ها می‌توانند در طراحی تجربی مورد استفاده قرار گیرند، ممکن است جایگزین آزمایش شوند، یا چگونگی تغییر یک سامانهٔ پیچیده را در طول زمان شبیه‌سازی نمایند.**

**در حال حاضر، نانواینفورماتیک به دلیل فرصت‌های بزرگ فناوری نانو در کاربردهای پزشکی و همچنین اهمیت تأییدیه‌های مقرراتی (رگولاتوری) برای تجاری‌سازی محصولات، بسطی از بیوانفورماتیک محسوب می‌شود. در این موارد، مدل‌های مورد هدف (که اهداف آن‌ها محسوب می‌شوند) ممکن است فیزیکوشیمیایی باشند؛ برای مثال، برآورد یک ویژگی بر اساس ساختار (رابطهٔ کمی ساختار-ویژگی، QSPR)، یا زیستی باشند؛ مانند پیش‌بینی فعالیت زیستی بر اساس ساختار مولکولی (رابطهٔ کمی ساختار-فعالیت، QSAR) یا توسعهٔ یک شبیه‌سازی در طول زمان ([[:en:Physiologically_based_pharmacokinetic_modelling|سم‌شناسی مبتنی بر فارماکوکینتیک فیزیولوژیک]]، PBTK).****هر یک از این مدل‌ها برای توسعهٔ داروهای با مولکول‌های کوچک و با پشتوانهٔ مجموعهٔ عظیمی از متون علمی مورد بررسی قرار گرفته‌اند.**

**ذرات با موجودیت‌های مولکولی متفاوت‌اند، به ویژه از آن رو که دارای سطوحی هستند که سیستم‌های نام‌گذاری و توسعهٔ مدل‌های QSAR/PBTK را با چالش مواجه می‌سازند. به عنوان مثال، ذرات ضریب تقسیم اکتانول-آب را از خود بروز نمی‌دهند؛ این ضریب در مدل‌های QSAR/PBTK به عنوان یک نیروی محرکه عمل می‌کند؛ همچنین، آن‌ها ممکن است درون بدن (in vivo) حل شوند یا دارای نوارهای ممنوعه (Band Gaps)** **باشند. نمونه‌های گویا از مدل‌های QSAR و PBTK کنونی شامل مدل‌های پوزین** **و همکاران و باخلر و همکاران هستند.**

**سازمان همکاری و توسعهٔ اقتصادی (OECD) معیارهای پذیرش مقرراتی را کدگذاری نموده است****، و نقشه‌های راهنمای همراه با کارگاه‌های آموزشی پشتیبان** **برای هماهنگ‌سازی تلاش‌های بین‌المللی وجود دارند.**

## جوامع (علمی)
**جوامع فعال در حوزهٔ نانواینفورماتیک شامل خوشهٔ ایمنی نانوی اتحادیهٔ اروپا****، گروه کاری نانوفناوری برنامهٔ ملی اینفورماتیک سرطان از سوی انستیتوی ملی سرطان ایالات متحده****، و جوامع تحقیقاتی نانوفناوری مشترک ایالات متحده و اتحادیهٔ اروپا می‌باشند.**

**افرادی که در حوزهٔ نانواینفورماتیک مشغول به فعالیت هستند، را می‌توان بر اساس روش‌ها و داده‌های نانواینفورماتیک، در چهار دسته از نقش‌ها و مسئولیت‌ها جای داد:**

* **مشتریانی که هم به روش‌های تولید داده، و هم به خود داده‌ها، یا به هر دوی آن‌ها نیاز دارند؛ و این افراد هستند که کاربردهای علمی و روش‌های مشخصه‌یابی، و همچنین نیازهای داده‌ای را برای اهداف مد نظر خود، مشخص می‌سازند.**
* **خالقانی که روش‌ها و داده‌های مرتبط و قابل اعتماد را برای برآورده ساختن نیازهای مشتریان در جامعهٔ فناوری نانو، توسعه می‌دهند.**بندانگشتی|'''"دیدگاه نانواینفورماتیک نسبت به نقش‌ها، مسئولیت‌ها، و واسط‌های ارتباطی برای متدها و داده‌های مربوط به مشتریان، خالقان، گردآورندگان (کیوریتورها)، و تحلیل‌گران."'''
* **گردآورندگانی (کیوریتورهایی) که کیفیت روش‌ها و داده‌های مرتبط را نگهداری و تضمین می‌نمایند.**
* **تحلیل‌گرانی که روش‌ها و مدل‌هایی را برای تحلیل و تفسیر داده‌ها توسعه داده و به کار می‌گیرند که با کیفیت و کمیت داده‌ها سازگار بوده و نیازهای مشتریان را برآورده سازند.** 

**در برخی موارد، افراد یکسان هر چهار نقش را ایفا می‌کنند. اما غالباً، افراد زیادی باید با یکدیگر تعامل داشته باشند، در حالی که نقش‌ها و مسئولیت‌های آن‌ها در فواصل، سازمان‌ها و زمان‌های قابل توجهی گسترش می‌یابد. ارتباط مؤثر در سراسر هر یک از دوازده پیوند (در هر دو جهت در طول هر شش تعامل دوتایی) که میان مشتریان، خالقان، گردآورندگان و تحلیل‌گران مختلف وجود دارد، حائز اهمیت است.**

## تاریخچه
این جمله نشان می‌دهد که نانواینفورماتیک ابتدا به عنوان یک راهکار برای مدیریت حجم فزایندهٔ داده‌های تولیدشده در حوزهٔ نانوتکنولوژی مطرح شده است.

**یکی از کارگاه‌های آموزشی بین‌المللی اولیه که بحث‌های قابل توجهی در مورد نیاز به اشتراک‌گذاری تمامی انواع اطلاعات دربارهٔ فناوری نانو و نانومواد در آن صورت گرفت، اولین سمپوزیوم بین‌المللی پیامدهای بهداشت شغلی نانومواد بود که در ۱۲ تا ۱۴ اکتبر ۲۰۰۴ در هتل پالاس شهر باکستون، واقع در دربی‌شر بریتانیا** **برگزار شد.** **گزارش آن کارگاه****، شامل ارائه‌ای با عنوان 'مدیریت اطلاعات برای ایمنی و سلامت فناوری نانو' بود که توسعهٔ یک کتابخانهٔ اطلاعات نانوذرات (NIL) را تشریح می‌کرد و خاطرنشان ساخت که تلاش‌ها برای تضمین سلامت و ایمنی** **کارگران و عموم مردم در حوزهٔ فناوری نانو، می‌تواند از طریق یک رویکرد هماهنگ در مدیریت اطلاعات به طور چشمگیری تقویت شود. کتابخانهٔ اطلاعات نانوذرات در پی آن، به عنوان یک نمونه برای اشتراک‌گذاری داده‌های مشخصه‌یابی نانومواد به صورت مبتنی بر وب عمل نمود.**

**انستیتوی ملی سرطان ایالات متحده در سال ۲۰۰۹ یک چشم‌انداز خام (اولیه) از آنچه در آن زمان هنوز اینفورماتیک فناوری نانو نامیده می‌شد، تهیه نمود که ابعاد مختلف آنچه را که نانواینفورماتیک** **می‌بایست در بر بگیرد، ترسیم می‌کرد. این امر متعاقباً با دو نقشهٔ راه (Roadmaps) دنبال شد، که راه‌حل‌های موجود، نیازها و ایده‌هایی را در مورد چگونگی توسعهٔ بیشتر این حوزه تشریح می‌کردند: نقشهٔ راه نانواینفورماتیک ۲۰۲۰ و نقشهٔ راه** **نانواینفورماتیک اتحادیهٔ اروپا و ایالات متحده ۲۰۳۰.**

**یک کارگاه آموزشی در حوزهٔ نانواینفورماتیک در سال ۲۰۱۳، منابع کنونی، نیازهای جامعه و پیشنهاد یک چارچوب مشارکتی برای اشتراک‌گذاری داده‌ها و یکپارچه‌سازی اطلاعات را شرح داد.**

## برای مطالعه بیشتر

* Cheminformatics

* Materials informatics

## منابع

## پیوندهای خارجی
Wikidata

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر