Вступ до біоінформатики

Історично біологія виникала та розвивалась як описова наука. Водночас, не змінюючи напрямку розвитку, з часом змінювався характер накопиченої інформації, яка все більше починала носити дискретний характер. З появою інформації про нуклеотидні та амінокислотні послідовності біологічна наука набула чітких рис дедуктивної науки, адже знаючи на сьогоднішній день послідовність геному будь-якого біологічного об᾽єкту, його можна повністю відтворити клонуванням. Поряд з цим, по мірі накопичення інформації, її обсяги досягнули такого рівня, обробка якого вже не могла бути розумно здійснена без залучення математичних засобів аналізу цієї інформації. Все це об᾽єктивно зумовлювало виникнення якісно нового наукового напрямку. «Останньою краплею» в цій невідворотній низці подій стало розшифрування геному людини, яке фактично призвело до виникнення цілого ряду напрямків принципово нового характеру, які об’єднуються під назвою постгеномні технології. Особливої уваги серед них заслуговує біоінформатика – наука, що вивчає біологічні молекули (подібно біохімії), використовуючи методи прикладної математики, інформатики та статистики з метою аналізу та впорядкування інформації, пов’язаної з цими біологічними об’єктами. Фактично біоінформатика – це область науки, яка займається приблизно тим самим, чим займалася класична біохімія, молекулярна біологія та біотехнологія, але не в пробірці, а за допомогою обчислювальної техніки. Це фактично не така біохімія, де все вирішує техніка, а інтелектуальна наука, де є місце розуму, думці та освіті. Біоінформатика – це шлях від гена до ліків через структуру макромолекули. Все, що робилося раніше за допомогою певних експериментів, включаючи ЯМР, рентгеноструктурний аналіз, зараз можна зробити за допомогою обчислень. Якщо є геном, його можна розмітити та найти кордони гена не за допомогою клонування окремих генів, а за допомогою окремих комп’ютерних програм. Якщо є послідовність білка, можна перейти до просторової структури та функції, а на основі цих просторових моделей можна сконструювати певні ліки.

Мета біоінформатики триєдина:

Ø впорядкувати всі існуючі дані так, щоб вони були доступними іншим дослідникам (наприклад, Protein Data Bank із тривимірними (3D) макромолекулярними структурами);

Ø розвивати засоби та ресурси, які дозволяють аналізувати існуючі дані (наприклад, маючи встановлену амінокислотну послідовність білка, її необхідно охарактеризувати, порівнюючи із вже відомими послідовностями; для цього використовуються програми FASTA та PSI-BLAST);

Ø використовувати засоби і ресурси для аналізу інформації та інтерпретувати результати аналізу і висновки у необхідному для біології вигляді (традиційно біологічні дослідження спрямовані на детальне вивчення окремих індивідуальних систем, порівнюючи їх з обмеженою кількістю споріднених їм системами; в біоінформатиці можемо провести глобальний аналіз усіх наявних даних із метою виявлення споріднених ознак у багатьох системах, а також встановити унікальні властивості кожної.

Основна частина біоінформаційної діяльності сфокусована на аналізі даних, пов’язаних з процесами на молекулярному рівні, та ґрунтується на таких парадигмах:

· послідовність ДНК визначає послідовність білка;

· послідовність білка визначає структуру білка;

· структура білка визначає функцію білка.

Водночас ці парадигми не включають рівні вищі за молекулярний рівень структурної організації, включаючи питання такі як, наприклад, тканини стають спеціалізованими протягом розвитку чи більш загальні як навколишнє середовище здійснює вплив на генетичні події.

Існує декілька основних напрямків біоінформатики:

1. Залежно від досліджуваних об’єктів:

Ø біоінформатика послідовностей:

v послідовності ДНК (167493839 послідовностей, 266361987641 нуклеотидів) – розділення кодуючих і некодуючих областей послідовності, ідентифікація інтронів та екзонів, передбачення генних продуктів, судово-медична експертиза.

v геноми (1157 повних геномів) – характеристика повторів, структурні особливості генів, філогенетичний аналіз, аналіз генів відповідальних за певні захворювання.

v послідовності білків – алгоритми порівняння послідовностей, алгоритми множинного вирівнювання послідовностей, ідентифікація послідовностей консервативних мотивів та функціональних доменів.

Ø структурна біоінформатика:

v макромолекулярні структури – передбачення вторинної і третинної структури, алгоритми вирівнювання 3D структур, вимірювання геометричних показників білків, міжмолекулярні взаємодії, молекулярні симуляції.

Ø метаболічна біоінформатика:

v експресія генів – картування даних експресії з даними послідовностей, структури та біохімії.

v метаболічні шляхи – симуляція метаболічних шляхів.

2. Залежно від типу задачі, яку необхідно вирішити:

Ø використання відомих методів аналізу для отримання нових біологічних знань;

Ø розробка нових методів аналізу біологічних даних;

Ø розробка нових баз даних.

Дата добавления: 2015-11-16