در سال 2013 جایزه نوبل در رشته شیمی به زمینه شیمی محاسباتی تعلق گرفت.
در سال 2013 اتفاقی بزرگ در حوزه محاسبات اتفاق افتاد و این امر نشان داد که علوم محاسباتی بخصوص شیمی محاسباتی )که در واقع بیشتر روی مولکول های زیستی تمرکز دارد،( چقدر در پیشبرد علوم موثر و مفید واقع شده است.
مارتین کارپلاس (Martin Karplus) ، مایکل لوویت (Michael Levitt) و آرییه مارشل (Arieh Warshel) سه دانشمندی بودند که جایزه نوبل را به خاطر توسعه علم شیمی محاسباتی به طور مشترک برنده شدند.
این سه دانشمند موفق به ارائه روش هایی شدند که با آنها می توان رفتار مولکول ها از حالت تک مولکولی تا حالت چند مولکولی می توان مورد مطالعه قرار داد.
این اتفاق راهی را برای شیمیدان ها گشود که با آن بتوانند اتفاقات گوناگون مانند تاخوردگی پروتئین ها، کاتالیز، انتقال الکترون و طراحی دارو. را مورد مطالعه قرار دهند.
"بیایید حوزه محاسبات را بیشتر درک کنیم تا بتوانیم جهان اطرافمان را بهتر مورد تحلیل قرار دهیم."
@computational_science

Martin Karplus
@computational_science

Michael Levitt
@computational_science

Arieh Warshel
@computational_science

لازم به ذکر می باشد که اسم دانشمند سومی آرییه وارشل می باشد که به اشتباه آرییه مارشل ذکر شد.

#نرم_افزار_R_قسمت_اول

نرم افزار R، یک زبان برنامه‌نویسی و محیط نرم‌افزاری برای محاسبات آماری و تحلیل داده است، که بر اساس زبان‌های اس و اسکیم پیاده‌سازی شده است. این نرم‌افزار بازمتن، تحت اجازه‌نامه عمومی همگانی گنو عرضه شده و به رایگان قابل دسترس است.

نرم افزار R ، حاوی محدوده گسترده‌ای از تکنیک‌های آماری (از جمله: مدل‌سازی خطی و غیرخطی، آزمون‌های کلاسیک آماری، تحلیل سری‌های زمانی، رده‌بندی، خوشه‌بندی و غیره) و قابلیت‌های گرافیکی است. در محیط R، کدهای سی، سی++ و فورترن قابلیت اتصال و فراخوانی هنگام اجرای برنامه را دارند و کاربران خبره می‌توانند توسط کدهای سی، مستقیماً اشیا R را تغییر دهند.

گرچه نرم‌افزار R اغلب به منظور انجام محاسبات آماری به کار می‌رود، این نرم‌افزار قابل به کارگیری در محاسبات ماتریسی است و در این زمینه، همپای نرم‌افزارهایی چون اُکتاو و نسخه ی تجاری آن متلب (MATLAB) است.

نرم افزار R ، همچنین نرم‌افزار قدرتمندی برای ایجاد اشکال گرافیکی و نمودارهاست.

@computational_science

زاویه دید مناسب باعث زیبا دیدن می شود.
علوم محاسباتی (بخصوص محاسبات زیستی) زاویه دید شما به علم را عوض می کنند.
@computational_science

#زیبایی_های_خلقت
برگ درختان سبز در نظر هوشیار هر ورقش دفتریست معرفت کردگار
وقتی که خلقت قلم به دست می شود تا هنرش را به رخ بکشد انجاست که معنی واقعی هنر را درک میکنیم.. بی شک همه مولکول ها زیبا هستند و پروتئین ها جزو آن دسته از مارکومولکول هایی هستند که زیبا، منظم و حساب شده تر می باشند. ساختار پروتئین ها به گونه ای می باشد که بخاطر اینکه عملکرد دارند باید ساختار خاص و منحصر به فردی داشته باشند.
برای اینکه نظم را در پروتئین ها نشان دهیم یکی از پروتئین های مهم را در اینجا مثال می زنیم.
پروتئین آلفا همولیزین یکی از پروتئین ها مهم می باشد که در تشکیل کانال غشایی نقش دارد. این پروتئین تماما از ساختار دوم بتا تشکیل شده است و ساختاری شبیه به یک درخت را دارا می باشد. این پروتئین با PDBID:7AHL از سایت rcsb.org قابل دریافت می باشد.
توجه شمارا به عکس های گرفته شده از این ماکرومولکول زیبا جلب میکنیم. عکس ها با استفاده از نرم افزار chimera و vmd گرفته شده است.
@computational_science

کانال حاصل از پروتئین آلفا-همولیزین
@computational_science

کانال حاصل از پروتئین آلفا-همولیزین
@computational_science

کانال حاصل از پروتئین آلفا-همولیزین
@computational_science

#نرم_افزار_R_قسمت_دوم

امکان توسعهٔ قابلیت‌های R، با افزودن بسته‌های ایجاد شده توسط کاربران آن، یکی از ویژگی‌های مهم این نرم‌افزار است. این بسته‌ها توسط R، LaTeX، جاوا، سی++ و فورترن نوشته شده‌اند. مجموعه‌ای از بسته‌های اصلی R، هنگام نصب همراه برنامه وجود دارند و در مجموع ۴۴۴۲ بسته (تا آوریل ۲۰۱۳) در شبکهٔ بایگانی فراگیر آر (CRAN) وجود دارد. این بسته‌ها طیف وسیعی از قابلیت‌ها را در زمینه‌های مختلف تحلیل داده‌ها به R می‌دهند.

نرم افزار R ، دارای محیط خط فرمان برای ورود و اجرای دستورات است. ابزار مختلفی جهت تسهیل ویرایش دستورات و ارتباط با کاربر برای R ساخته شده است، که برخی از آنها در فهرست زیر آمده‌اند:

الف- JGR : ویرایشگر چندسکویی بر پایه جاوا.

ب- R Commander: رابط گرافیکی بر پایه tcltk، دارای قابلیت استفاده از منوها به جای نوشتن دستورات (مناسب برای کاربران مبتدی و آشنا با اس‌پلاس)

ج- آراکسل(RExcel ) امکان استفاده از R و R Commander در برنامه ماکروسافت اکسل

د- rggobi: رابط برنامه GGobi برای به تصویر کشیدن داده‌های ماتریسی

@computational_science

#بلاست_1

بلاست یا Blast نام یک نرم‌افزار کاربردی در علوم سلولی و مولکولی و ژنتیک است که مخفف واژگان Basic Local Alignment Search Tool یا ابزار پایه‌ای برای جستجوی برهمنهی‌های موضعی است. این ابزار قسمتی از مجموعهٔ اطلاعات کیفی مرکز ملی اطلاعات زیست‌فناوری است.

با این نرم‌افزار می‌توان توالی اسیدهای آمینه در پروتئین‌ها یا توالی نوکلئوتیدها را در DNA را با هم مقایسه کرد. این نرم‌افزار به پژوهشگر اجازه می‌دهد تا یک توالی را با توالی دیگر یا توالی که در بانک اطلاعاتی وجود دارد، مقایسه کند. شناسایی توالی‌های موجود در بانک اطلاعاتی که بیشترین شباهت را با توالی مورد نظر دارد از دیگر قابلیت‌های این نرم‌افزار است. بر حسب نوع توالی انواع مختلفی از بلاست امکان پذیر است. مثلاً اگر یک ژن ناشناخته در موش که قبلاً اطلاعاتی از آن در اختیار نبوده، باید بررسی شود، یک پژوهشگر ترجیح می‌دهد این توالی را با ژنوم انسان بلاست کند. این نرم‌افزار در NIH (موسسه ملی بهداشت آمریکا) طراحی شد. بلاست یکی از برکاربردترین نرم‌افزارها در بیوانفورماتیک است که با سرعت مطلوب مقایسه مورد نظر را انجام می‌دهد. سرعت زمانی اهمیت خود را نشان می‌دهد که با ژنوم کامل روبرو باشیم. پیش از طراحی این نرم‌افزار مقایسه توالی‌ها بسیار وقت گیر بود.

@computational_science

#بلاست_2

نحوه پردازش برنامه بلاست:

با استفاده از روش Heuristic الگوریتم بلاست دنباله های همسان را پیدا میکند. در این روش به جای مقایسه کامل دو دنباله، تطابقهای کوتاه با یکدیگر مقایسه میشوند. به پروسه ی پیدا کردن کلمات اولیه برای اجرای الگوریتم بلاست seeding میگویند. بعد از پیدا کردن این تطابق های اولیه الگوریتم بلاست یک تطابق محلی (local alignment) انجام میدهد. هنگام پیدا کردن هومولوگ در دنباله ها، مجموعه حروف مشترک که به آنها لغت گفته میشود بسیار مهم اند. به عنوان مثال اگر دنباله ای شامل حروف GLKFA باشد؛ اگر بلاست با تنظیمات پیشفرض اجرا شود، طول لغت 3 خواهد بود( word size = 3).در این حالت لغاتی که جستجو خواهند شد لغات روبه رو هستند: GLK, LKF, KFA. الگوریتم اکتشافی (heuristic) بلاست، حروف سه تایی مشترک را بین دنباله ی مورد نظر و دنباله ی تطابق یا دنباله های پایگاه داده مکان یابی میکند. سپس از این نتایج برای ساخت یک تطابق استفاده میشو. بعد از ساخت لغات برای دنباله ی مورد نظر، لغات موجود در همسایگی نیز ساخته میشوند. این لغات باید در پروسه ی امتیاز دهی، امتیازشان از یک حد آستانه ای بیشتر شده باشد. و معمولاً برای این امتیاز دهی از ماتریس BLOSUM62 استفاده میشود. بعد از ساخت لغات و برای پیدا کردن تطابق لفات ساخته شده با دنباله های موجود در پایگاه داده مقایسه میشوند. حد آستانه مشخص میکند که لغت مورد نظر در تطابق نهایی باشد یا نباشد. بعد از انجام پروسه ی seeding (پیدا کردن تطابق اولیه)، تطابق یافته شده ی اولیه که در این مثال طول آن سه بود در دو جهت گسترش می یابد و با هر گسترش امتیاز جدیدی به تطابق داده میشود و اگر این امتیاز از مقداری از قبل تعیین شده بیشتر بود تطابق پذیرفته میشود و در غیر اینصورت از گسترش تطابق خودداری میشود. افزایش مقدار از قبل تعیین شده، فضای جستجو را محدود میکند و تعداد لغات همسایگی را کاهش میدهد اما سرعت اجرای الگوریتم بلاست را افزایش میدهد.

@computational_science

#بلاست_3

بلاست هم میتواند دانلود شده و به صورت command-line اجرا شود (برنامه blastall) و هم اینکه بدون دانلود روی وب اجرا شود. بلاست یک برنامه متن باز است و هرکس میتواند در کد تغییرات مورد نظر خود را اجرا کند و این خود علت وجود نسخه های مختلف از بلاست می باشد. بلاست مجموعه ای از برنامه های مختلف است که همگی در فایل اجرایی blastall قابل دسترسی است. ایم مجموعه ها شامل:

• نوکلئوتید-نوکلئوتید بلاست (blastn)
• پروتئین-پروتئین بلاست (blastp)
• بلاست تکرار شونده ی وابسته به مکان (position-specific iterative blast)
در این روش ابتدا یک پروفایل عمومی ساخته میشود. سپس با استفاده از این پروفایل گروههای بیشتری از پروتئینها به دست می آیند که خود انها نیز تشکیل یک پروفایل جدید میدهند و این کار تکرار میشود.

• Nucleotide 6-frame translation-protein
این برنامه به صورت 6-فریم 6-فریم ترجمه ی دنباله ی query را با دنباله پروتئین مقایسه میکند.

• Nucleotide 6-frame translation-nucleotide 6-frame translation (tblastx)
این برنامه مانند قبلی است با این تفاوت که هر دو را ترجمه میکند و ترجمه ها را با هم مقایسه میکند.

• Protein-nucleotide 6-frame translation (tblastn)
این برنامه query پروتئین را با ترجمه نوکلئوتید مقایسه میکند.

• Large numbers of query sequences (megablast)
این برنامه هنگام مقایسه ی دنباله های بزرگ استفاده میشود.


@computational_science

میانکنش های ضعیف بین مولکولی

#نیروی_واندروالسی

اتم‌ها در مولکولها توسط پیوندهای کووالانسی کنار هم نگه داشته شده‌اند. اما پرسش این است که مولکولها در حال مایع و جامد توسط چه نیرویی به سوی یکدیگر جذب می‌شوند، نیروهایی که مولکولهای یک ماده را در حالت مایع یا جامد به همدیگر ارتباط می‌دهد به نیروهای بین مولکولی معروف است.

نیروهای بین مولکولی بین مولکولهای قطبی با نیروهای بین مولکولی بین مولکولهای غیرقطبی باهم تفاوت دارند. معمولاً نیروهای بین مولکولی به نام نیروهای واندروالسی معروفند. وجود این نیروها در بین مولکولها باعث می‌شود که یک ترکیب جامد مولکولی شکل معینی داشته باشد و با غلبه بر این نیروها بتوان آن را به حالت مایع درآورد.

@computational_science

#نیروهای_دوقطبی_دوقطبی

این نیروها بین مولکولهای قطبی دیده می‌شوند. این مولکولها دارای دوقطبیهای دائمی هستند و تمایل به قرار گرفتن در راستای میدان الکتریکی دارند. پایدارترین حالت زمانی است که قطب مثبت یک مولکول تا حد امکان به قطب منفی مولکول مجاور نزدیک باشد. در این شرایط بین مولکولهای مجاور یک نیروی جاذبه الکتروستاتیکی به نام نیروی دوقطبی بوجود می‌آید.
با توجه به مقادیر الکترونگاتیوی اتم‌ها در یک مولکول دو اتمی می‌توان میزان قطبیت مولکول و جهت‌گیری قطبهای مثبت و منفی را پیش بینی کرد اما پیش بینی قطبیت مولکولهای چند اتمی باید مبتنی بر شناخت شکل هندسی مولکول و آرایش جفت الکترونهای غیر مشترک باشد.

@computational_science