Resources

GENOMICS By: Mostafa Ronaghi, Ph.D

The first book of life is being completed. It describes the human genome consisting of 3.2 billion alphabets and its alphabets are of four kinds: A, C, G, T. These alphabets are repeated over and over in varying order across a one-meter-long DNA strand which exists in each cell in an organism. For biologists, though, this code is a runaway best-seller. This book is sparking the revolution in biology.

Biotechnology - technology employing biological molecules - is not a new science. Humans have used it for thousands of years. There is no exact history of how long humans have been able to make bread and yogurt, but there is evidence that people in Iran were able to make wine 8000 years ago and made beer 2300 years ago. What makes biotechnology so hot now? It is Genomics, a science that determines the interaction of genes. Genomic technologies have allowed us to crack the genetic codes, which has given an insight into biology. We are now going through a revolution, a revolution in life sciences.

Genomics is the science about genome, about how genes interact with each other. The genome consists mainly of two almost identical one-meter-long DNA in each cell on which about 30,000 genes reside. In the spring of 2003, the first complete genome of one human will be published, a book with a thickness of 200 phone catalogs. While this book will be similar by more than 99.9% for all six billion humans on earth, its variation will make each individual unique. A global library will in future be made consisting of all six billion books clustered by each population and sub-population. The differences, which is less than 0.1%, in these books will tell us why we are prone to different diseases, why we respond differently to each drug, why we like some specific smells, why we behave differently, and why we look different. In some cases, even one simple variation, a G, say, in one of your gene sequences, where your neighbor has a C can spell trouble. National Institute of Health (NIH) is now granting 100 million dollars to researchers to determine genetic variations in a few hundred people from different populations. This will tremendously help scientists to find the genes associated with different diseases. While progress is being made on the genomic level, other sciences are now looking for opportunities to expand in this field. These include computer science, mathematics, electrical engineering, and as such to provide new tools to address the questions and needs in medicine, ecology and environmental engineering.

Is biology the ultimate core of science convergence?
Humans care mostly about their health, at least when they find that they maybe suffering from a disease they pay any price to find a cure. Probably this is why economy is finding this field attractive and in the coming decades we will see convergence of other sciences into biology. Biology and electronics, for instance, have long existed in separate universes. Biological molecules, like DNA and protein, are roughly a few nanometers in size, and because physicists and chemists are now learning how to make electronic devices on exactly the same size scale, these universes are colliding. The result is a new class of devices that combine the ability of biological molecules to selectively bind with other molecules with the ability of nano-electronics to instantly detect the slight electrical changes caused by such binding. What is really interesting is that biological molecules are inorganic in nature meaning that they can be combined with the inorganic components that would normally be nestled inside an electrical chip. You may have heard about DNA and protein chips. These chips are silicon or glass chips with DNA on them. Semiconductor based chips with fancy electronics for detection and signal processing can serve for sensitive DNA detection or sequencing. Nano-electrical devices will be made during the coming decade enabling single molecule detection in blood or saliva. As these molecules are charged, sophisticated labeling and optics may be omitted, making direct sensitive detection of biological molecules amenable. Shrinking down such ultra-sensitive devices so that they can be put on chips could have numerous applications in diagnostics. For instance, such chips can be inserted in to communication devices, (such as cell phones) allowing someone to do direct testing of dangerous bacteria, viruses or specific genetic components. Also it will be possible to look at the genetic variation and give an accurate prediction whether a drug will have a positive effect on an individual. Furthermore, it may be possible to predict how long and at what dosage a drug should be used, a concept that is now termed as personalized medicine. In 20 years, you probably would not need to go to primary doctors and you will go directly to fewer specialist as these devices guide you to your problem.

Beyond Genomics
Genomics is a forerunner of other. We are now hearing emergence of other fields such as Proteomics (the science of protein), Metabolomics (the science of metabolites), Transcriptomics (the science of transcriptom), Systeomics (the science of system biology) and slang terms like Bibleomics, which means reading the literature. These sciences help us to understand what is encoded in the genome. Some of them will rise as a sustainable field in the industry and others may contribute to a better understanding of the genome and may disappear after a while. Metabolomics will probably be the most emerging field as it provides the ultimate answer of what is going on in an organism and nanoelectronics may allow single molecule measurement.

A Perspective of the Genomics Industry
Currently, the pharmaceutical market is about $400 billion industry. The Genomics Industry, which serves mainly the pharmaceutical market, is now a $6-7 billion market. However, this market is predicted to grow to 180 billion dollars in less than 20 years. Now that all 3.2 billion genetic code that make up the human genome have been deciphered, genomics industry is emerging to capitalize on when and where those genes are active and on identifying and determining the properties of the proteins the genes encode. For instance, genomics can give predictions about toxicity of a drug and can find better drug targets. The cost of developing a drug from the start to marketing is about $800 million. It is expected that genomics will shorten the drug development time and also decrease the cost to about $200 million. As the cost decreases, population-specific drugs will be cost effective to develop. These drugs will have less side effects as they will be specific for a population or even tailored for an individual and we will see dramatic decrease in the number of deaths caused by the side-effects of drugs (currently side-effects of drugs is ranked number four in causing deaths in the United States). It is expected that number of drugs will increase from hundreds to tens of thousands in a few decades.

Fast and inexpensive microelectronics revolutionized the world of computing and information technology. Whether nanoelectronics can revolutionize biology remains uncertain. But the gap between electronics and biology is fast closing specially when the dot-com world has crashed and scientists in other fields are looking into biotechnology. Multi-disciplinary sciences with focus on biology will be a hot investment for the next decade.

آشنایی با ژنومیک: دکتر مصطفی رونقی

ترجمه : حسین پژم

اولين کتاب حيات کامل شد! کتابی که بيان می کند ژنوم انسان از 3.2 ميليارد حرف تشکيل شده است و الفبای آن 4 نوع است : A,C,G,T . اين حروف با نظم در طول رشته يک متری DNA، که درون هر يک از سلول های يک جاندار وجود دارد، بارها و بارها تکرار شده اند. برای زيست شناسان، اين کد(برای دسترسی) آسان و پرفروش است. اين کتاب انقلابی در زيست شناسی بر می انگيزد.

بيو تکنولوژی، شيوه ای که مولکولهای زيستی را به کار بندد، علمی تازه و نو نيست. بلکه انسان ها از هزاران سال گذشته آن را به کار بستند. تاريخ دقيقي برای مشخص کردن زمانی که انسان ها قادر به ساختن نان و ماست بودند وجود ندارد، اما امروزه چه چيز بيو- تکنولوژی را مهم و هيجان انگيز ساخته است؟ Genomics! علمی که بر هم کنش بين ژنها را مشخص می کند. تکنولوژيهای ژنوميک به ما توانايي رمزگشايي کدهای ژنتيکی را داده اند، توانی که ما را به درکی جديد در زيست شناسی می رساند. ما اکنون در درون يک انقلاب هستيم، انقلابی در علوم زيستي!

Genomics علمی است در مورد ژنوم، درباره اين که ژنها چگونه بر يکديگر اثر می گذارند. ژنوم از رشته های همانند يک متری DNA که در هر يک از سلول ها وجود دارد، از تقريبا 30000 ژن که بر روی آن قرار دارد، تشکيل شده است. در بهار سال 2003، اولين ژنوم کامل يک انسان منتشر شد، کتابی با ضخامت 200 دفتر راهنمای تلفن! اين کتاب، برای همه 6 ميليارد انسان روی زمين در %99.9 موارد مشابه خواهد بود، ولی تفاوتهای اندک آن باعث ايجاد تفاوتهای فردی منحصر به فرد آن خواهد شد. در آينده کتابخانه ای جهانی ساخته خواهد شدکه در بردارنده ی همه ی 6 ميليارد کتاب جمع آوري شده از هر گروه و زير گروهی خواهد بود. تفاوتها در اين کتاب که کمتر از 0.1% است به ما خواهد گفت چرا مستعد بيماري های فراوانی هستيم، چرا رفتاری متفاوت و گونه گون داريم و چرا متفاوت به نظر می رسيم؟ در بعضی موارد يک تفاوت کوچک در حرف G يک ژن خاص، که در همسايه ما C است می تواند آثار کاملا متفاوتی داشته باشد. موسسه سلامتی ملی (NIH)، 100 ميليون دلار برای تحقيقاتی که گوناگونی های ژنتيکی صدها نفر از مردم جمعيت های مختلف را مشخص می کند، اعطا کرده است. اين کمک هنگفت به دانشمندان در پيدا کردن ژنهای مرتبط با بيماريهای مختلف کمک شايانی خواهد کرد. وقتی تمام تلاشها به سمت مراحل ژنوميک است، علوم ديگر نيز اکنون به فرصت هايي برای توسعه يافتن در اين زمينه مي انديشند. اين امر در بردارنده ی علوم کامپيوتر، رياضيات، مهندسی الکترونيک و ... به منظور توليد ابزارهای جديد برای پاسخ دادن به پرسشها و نيازهای پزشکی اکولوژی و مهندسی محيط زيست است.

آيا بيولوژی هسته نهايي يکپارچگی علوم است؟

توجه انسان ها بيشتر در مورد سلامتی خودشان است که در نهايت وقتی پي می برند که شايد از يک بيماری رنج می برند، هر قيمتی برای سلامتی می پردازند. احتمالا به خاطر همين امر است که اقتصاد اين زمينه را بسيار فعال دانسته و در دهه های آينده، همگرايي علوم ديگر بر مسئله زيست شناسی را خواهيم ديد. به عنوان مثال زيست شناسی و الکترونيک در دانشگاه های متعدد حضوری طولانی دارند.

مولکولهای زيستی (مانند DNA و Protein ) تقريبا اندازه چندين نانومتری دارند و بخاطر اينکه فيزيکدانها و شيميدانها اکنون آموخته اند که چگونه وسيله های الکترونيکی کاملا در مقياس اين مولکولها بسازند، اين دانشگاهها

. در نتیجه آن وسايل دیگری، است که توانايي مولکولهاي زيستی برای ترکيب انتخاب با ديگر مولکول ها را با توانايي نانو الکترونيک تلفيق می کنند تا فورا تغييرات کوچک الکتريکي را که با هر جفت شدن ايجاد می شود، شناسايي کنند. آنچه واقعا جالب است اين می باشد که اين مولکولهای زيستی در طبيعت غيرزيستی محسوب می شود يعنی می توانند از اتصال اجزای غير زيستی تشکيل شده باشند که می تواند درون يک چيپ الکترونيکی جايگذاری شود. شما احتمالا در مورد چيپ های DNA و Protein چيزهايي شنيده ايد. اين چيپ ها از سيليکون يا شيشه و DNA روی آنها ساخته شده اند. چيپ های پايه نيم رسانا، با روشهای گران قيمت الکترونيکی برای مشخص کردن و Signal processing می توانند کشف و توالی يابی حساس DNA را انجام دهند. در دهه آينده دستگاههای نانو الکترونيکی در دهه آينده ساخته خواهند شد که شناسايي يک مولکول درون خون يا بزاق را امکان پذير خواهندکرد. چون اين مولکولها دارای بار الکتريکی هستند لزومی برکاربرد روشهای پيچيده نشانه گذاری يا نوری برای تشخيص نيست و بررسی مستقيم مولکول های زيستي کافی خواهد بود. انتظار می رود که با کوچک کردن اين کونه روشهای فوق حساس که قابل اسقرار بر روی تراشه ها هستند کاربرد وسيعی در تشخيص فراهم آيد. به طور مثال با قرار دادن اين تراشه ها بر روی تجهيزات مخابراتی يا تلفن های همراه مستقيما باکتری های خطرناک، ويروسها و اجزای خاصی از ژنها را شناسايي کرد. همچنين می توان جهت دريافت تاثير يک دارو، تنوع ژنتيکی انسانی را بررسی کرد و در تنظيم مقدار يک دارو و مدت استفاده آن از اين روش بهره گرفت، در حال حاضر اين عمل تنها در حيطه اختيارات پزشکان است. پيش بينی می شود که طی بيست سال آينده نيازی به مراجعه به دکتر عمومی نداشته باشيم و تنها تخصصهای اندکی برای معالجه بيماريها به کار خواهند آمد.

ماورای علم ژنومیک

ژنوميک پيش آهنگ ديگر مباحث بیوتکنولوژی است، ما اکنون شاهد پيدايش زمينه های ديگری مانند Proteomics (علم پروتئين) Meta Bolemics (علم متابوليت ها) Transcriptomics (علم ترجمه) Systemics (علم سيستم زيستی) و اصطلاح هایی مانند Bibleamics که يعنی خواندن آثار ادبی، هستيم. اين علوم به ما کمک می کند که بفهميم چه چيز در ژنوم به رمز در آمده است. بعضی از آنها سرچشمه ای قابل پيگيری در زمينه صنعت خواهند بود و ديگران شايد به شناخت بهتر ژنوم کمک می کنند و شايد بعد از مدتی ناپديد شوند. Metabolo احتمالا در زمينه های بيشتری پديدار خواهد شد زيرا جواب نهايي در مورد اينکه چه چيز در ارگانيسم صورت می گيرد، عرضه می کند و Nano electronics نيز مولکولهای مجزا را اندازه گيري می کند.

چشم اندازی از صنعت ژنوميک

اينک، بازار صنعت داروسازی در حدود 400 ميليارد دلار است. صنعت ژنوميک که خريد و فروش دارويي را عرضه می کند، اکنون در حدود 7-6 ميليارد دلار است. در هر صورت اين بازار ملزم به رشد تا 180 ميليارد دلار در 20 سال آينده است. اکنون همه آن 3.2 ميليارد کد ژنوميکی که ژنوم انسان را ساخته رمز گشايي شده است، صنعت ژنوميک به وجود آمده است تا بر اينکه کی و کجا اين ژن ها فعالند و مشخص کردن توانايي پروتئينهايي که اين ژن ها به رمز در آورده اند، سرمايه گذاری کند. برای مثال ژنوميک می تواند پيش بينی هايي در مورد رسميت داده ها کرده و هدف های بهتری برای داروها پيدا کند. هزينه فرآوری يک دارو از آغاز تا ارائه به بازار در حدود 800 ميليون دلار است. پيش بينی می شود که ژنوميک زمان عمل آوری دارو و همچنين هزينه آن را تا حدود 200 ميليون دلار کاهش خواهد داد. وقتی اين هزينه کاهش پيدا می کند، داروهای خاص، برای توليد قابل توجيه اقتصادی خواهند بود. دارو وقتی برای يک جمعيت يا هر شخص سازگار شده باشد عوارض جانبی کمتری خواهد داشت و کاهش شگرفی در تعداد مرگهايي که به علت اثرات جانبی داروهاصورت می گیرد، خواهيم داشت. (اينک اثر جانبی داروها رتبه 4 دلايل مرگ در آمريکا به حساب می آيد). همچنين انتظار می رود که تعداد داروها از صدها به ده ها هزار در چند دهه ی آينده افزايش پيدا می کند.

Microelectronics سريع و ارزان دنيای محاسبات و فناوری اطلاعات را دگرگون خواهد کرد. شايد Nano electronic بتواند تحولی در زيست شناسی ايجاد کند ولی شکاف بين الکترونيک و زيست شناسی در حال بسته شدن است، و به خصوص پس از شکست .comها دانشمندان ديگر علوم به بیوتکنولوژی می نگرند و علوم چند رشته ای با تمرکز بر زيست، در دهه ی آينده سرمايه گذاری پر شوری خواهد داشت.

SEGMENTS OF BIOTECHNOLOGY

Modern biotechnology means all innovative methods, processes or products which mainly involve the use of living organisms or their cellular and sub-cellular components and which make use of research results in the fields of biochemistry, molecular biology, immunology, cell biology, agriculture or environmental technology and process engineering. This therefore also includes innovative products and systems that do not work with methods of gene technology, such as natural product libraries, immunoassays and those that are not classified as "bio" technology in the narrower sense, but which have close links with biotechnology and therefore are components in the added value chain of the Life Sciences Industry, such as genomics, proteomics, gene therapy, bio-informatics, biosensor technology, combinatorial chemistry, high-throughput screening, biomaterial research, patient sample collection and pharmaceutical development.

Entries to the competition can be made from various segments of biotechnology. Each year emphasis will be made on a few specific areas. This year the emphasis will be put on patient sample collection, biomaterial and bio-informatics. Although, provision is made, in principle, for the mentioned segments but they are only to be used as a guideline. Ideas, which are not represented by the following examples, are also welcome.

1. Genomics: is an area of biotechnology that is exploding with promises to furnish a significant number of therapeutic and diagnostic products for the future. Estimates for world-wide sales of these markets reach as high as 180 billion dollars. Revolutionizing markets emerging from genomics are tools for sequence-based analyses such as biochips and DNA sequencing.

2. Bio-informatics: is the use of information technology tools to make use of biological data. The data produced by using genomic and proteomic tools provides enormous amount of information. To process these data for different applications bioinformatic tools need to be developed. These tools include new software for analyzing the biological data, development of databases, etc.

3. Biotechnology applications of medicine and veterinary medicine. These include the relevant products (gene therapy, therapeutics, vaccines, diagnostics, etc.) and the relevant platform technologies (enabling technologies) that can only be applied to these segments. The combination of human and animal health has been chosen because the products and technologies of both segments are frequently based on the same foundations, call for similar processes and facilitate bilateral applications.

4. Plant biotechnology comprises transgenic plants involving herbicide resistance, enhanced crop yield and consumption features as well as climate tolerance, biological pest control, etc. The use of biotechnology in the food industry also includes other areas such as food refining, nutraceuticals (e.g. functional foods), etc. A relatively new field of plant biotechnology is the production of fine chemicals and therapeutics with the aid of transgenic plants.

5. Production of recombinant enzymes and protein for the field of medicine, agriculture, research laboratories, detergents, and paper industry.

6. Production of biomaterials: materials such as biodegradable plastics e.g. polyhydroxybutyric acid and plastic wares for laboratories.

7. Instrumentation: this means instruments and equipment, which support and facilitate biotechnology research, though they are clearly delimited from medical engineering.