Біоінформатика наука, що займається вивченням організації та функціонування біологічних систем різного рівня (від молекулярного до популяційного) на основі

Скачати 2.37 Mb.

Назва	Біоінформатика наука, що займається вивченням організації та функціонування біологічних систем різного рівня (від молекулярного до популяційного) на основі
Сторінка	1/20
Дата	19.04.2013
Розмір	2.37 Mb.
Тип	Документи

bibl.com.ua > Інформатика > Документи

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 20

РОЗДІЛ I.

БІОІНФОРМАТИКА ЯК НАУКА.

Біоінформатика - наука, що займається вивченням організації та функціонування біологічних систем різного рівня (від молекулярного до популяційного) на основі методів і засобів інформатики.

Біоінформатику відносять до числа високих технологій сучасної біології, що забезпечує інформаційно-комп’ютерні та теоретичні основи генетики і селекції, молекулярної біології, генетичної та білкової інженерії, біотехнології, медичної генетики, генної діагностики та екології. З точки зору біоінформатики молекули нуклеїнових кислот та білків представляють собою текст, що складається з обмеженої кількості алфавітних знаків (4 для нуклеїнових кислот та 20 для білків). Задачею біоінформатики є аналіз змісту цього тексту. Можна виділити три основних напрямки біоінформатики:

– створення баз даних, які дозволяють зберігати велику кількість

класифікованих біологічних даних і керувати ними;

– розробка алгоритмів і методів статистичного аналізу для визначення

співвідношень між тими чи іншими даними;

– використання програмного забезпечення, алгоритмів і баз даних для

аналізу біологічних даних різних типів, зокрема, послідовностей ДНК,

РНК і білків, білкових структур, профілів експресії генів і біохімічних

шляхів, та отримання на основі цих даних нових знань.

Крім того, варто відзначити, що просторова структура макромолекул ДНК, РНК і білків є визначальною у формуванні механізмів їх взаємодії з іншими атомами та молекулами. Визначити тривимірну структуру біологічних макромолекул за допомогою електронної мікроскопії, рентгеноструктурного аналізу або методу ядерного магнітного резонансу складно, а часто і взагалі неможливо. Така ситуація призвела до інтенсивного пошуку біоінформаційних методів передбачення структури молекул. Тому визначення точної просторової структури біомолекул є однією з найголовніших задач біоінформатики.

Результати досліджень в галузі біоінформатики знаходять застосування при створенні нових лікарських препаратів та при пошуку хімічних речовин для стимуляції сільськогосподарського виробництва в залежності від генотипу певної рослини або тварини.

В даний час слово біоінформатика вживається в трьох різних значеннях. Перший сенс пов'язують з телепатією, екстрасенсорикою. Другий зміст пов'язаний із застосуванням комп'ютерів для вивчення будь-якого біологічного об'єкту. Та біоінформатика у вузькому сенсі слова, а саме - застосування комп'ютерних методів для вирішення завдань молекулярної біології, в основному аналізу різних послідовностей (амінокислотних, нуклеотидних). Ця наука виникла в 1976-1978 роках, остаточно сформувалася в 1980 році із спеціальним випуском журналу «Nucleic Acid Research» (NAR).
Історія розвитку біоінформатики

У 1962 році була придумана концепція "молекулярних годин", в 1965 була секвенована т-РНК, визначено її вторинну структуру, в цей же час були створені бази даних PIR для зберігання інформації про амінокислотні послідовності. У 1972 році було придумано клонування. У 1978 році були розроблені методи секвенування, була створена база даних просторових структур білків. У 1980 був випущений спецвипуск журналу NAR, присвячений біоінформатиці, потім були придумані деякі алгоритми вирівнювання послідовностей, про які йтиметься далі. Далі був придуманий метод ПЛР (полімеразна ланцюгова реакція), а в біоінформатики - алгоритми пошуку схожих фрагментів послідовностей в базах даних. У 1987 році оформився GeneBank (колекція нуклеотидних послідовностей) і т.д.

Істотний прорив в області молекулярної біології пов’язують з відкриттям у 70-х роках 20 сторіччя зворотньої (оберненої) транскрипції (синтезу ДНК з використанням РНК в якості матриці) та клонування ДНК і створенням на цій основі методів швидкого секвенування, тобто із встановленням первинної структури нуклеотидних послідовностей. У 1987 р. було розроблено методи автоматичного секвенування (Л. Худ, Т. Хункапиллер). Водночас потік інформації стосовно структури та властивостей генів і кодованих ними білків почав зростати експоненційно (рис.1). Обробка та аналіз цієї інформації традиційними статистичними методами стали практично неможливими.

Рис. 1.1. Темпи зростання об’єму інформації в БД GenBank на протязі 1982-2008 років (станом на 03.02.2009, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genb ank/genbankstats.html).

Кожна розшифрована нуклеотидна або амінокислотна послідовність сама по собі представляє значний інтерес для генної інженерії та біотехнології, але наряду з цим, послідовність може слугувати колосальним джерелом інформації при порівнянні її з іншими послідовностями. Це стимулювало розробку добре структурованих баз даних (БД), які могли б працювати з великими об’ємами експериментальних даних, і спеціальних програмних засобів, що допомогли б інтерпретувати результати експериментів. Таким чином, у 80-ті роки минулого сторіччя виникла нова наука – біоінформатика.

Відомості про відкриття нових послідовностей розміщувалися у провідних журналах, а потім ці дані заносилися до БД вручну. Однак, коли почалося лавиноподібне зростання обсягів інформації, такий процес став неможливим. Журнали почали вимагати, щоб послідовності розміщувалися у БД самими авторами. Сьогодні, коли секвенування ДНК є достатньо поширеним процесом, який можуть виконувати роботи або студенти на лабораторних роботах, багато послідовностей можуть потрапляти до БД без опублікування у наукових журналах. На даний час існують такі БД, де інформацію може розмістити кожен науковець, і такі, де інформація суворо перевіряється, а відповідальність за її достовірність покладається на власника бази даних.

БД постійнообмінюються інформацією, але засоби роботи з даними, що розробляються, наприклад, у Центрі біотехнологічної інформації США і Європейському інституті біоінформатики відрізняються між собою.

Вважається, що першим важливим з біологічної точки зору результатом, який було отримано за допомогою аналізу послідовностей, було виявлення подібності вірусного онкогену v-sis і нормального гену фактора росту тромбоцитів, що сприяло значному прогресу у розумінні механізму раку. Відтоді робота з послідовностями стала необхідним елементом біологічних досліджень.

На початку нового тисячоліття відбулась визначна подія в науковому та суспільному житті – була прочитана повна нуклеотидна послідовність генома людини, що сприяло значному розвитку геноміки. Геноміка - наука, яка займається інтегральним дослідженням генів, аналізом їх структури і функції, особливостями і послідовностями регуляторних ланок. Проект геному людини – міжнародний проект наукових досліджень. Поряд з генами людини проект досліджував послідовності геномів і інших організмів, таких як Escherichia coli, плодова мушка, домашня миша та інших, що сприяло розумінню функціонування генів людини. Встановлення повної генетичної карти генів людини — важливий крок в розвитку медицини і інших аспектів охорони здоров'я.

У 1988 році Об’єднаний комітет (Національний інститут здоров’я та Міністерство енергетики США) представили проект “Геном людини”, у 1990 році була створена Міжнародна організація по вивченню геному людини (HUGO). Перший робочий проект геному був опублікований в 2000 році і завершений в 2003 році, подальший аналіз генів та секвенування окремих ділянок ДНК все ще продовжується.

Паралельний проект, розпочатий приватною американською компанією Celera Genomics (укр. Селера Джіномікс), проводився паралельно з міжнародним академічним проектом, і у 2000 році J. Craig Venter – власник “Celera Genomics” – заявив про завершення його компанією розшифровки геному людини.

Безсумнівно, що успіху у розшифровці геному людини, а також швидкому розвитку молекулярної біології та генетики сприяли досягнення у сумісних областях науки: розробка нових підходів в хімії, поява потужних фізичних засобів дослідження внутрішньої будови речовини (рентгеноструктурний аналіз, електронна та атомна силова мікроскопія, методи, які базуються на використанні явища ядерного магнітного резонансу). Так нині, вже частково, чи повністю просеквеновано еукаріотичні геноми біля 200 видів живих істот, серед них (таблиця. 1.1) геноми людини, шимпанзе, миші, пацюка, кішки, собаки, курки, риби, дрозофіли, малярійного комара, черв’яків і дріжджів, біля десятка геномів рослин та інших організмів. Окрім того, просеквеновано більше тисячі бактеріальних геномів та біля сотні геномів архей. Встановлено, що величина генома людини сягає більше ніж 3 мільярди пар нуклеотидів (понад 30 тисяч генів), що з врахуванням інформації, яка одержана при його розшифровці, становить більше десяти терробайт даних.

З вищезазначеного слідує, що першим з головних факторів, що стимулював розвиток біоінформатики, стала необхідність ефективного опрацювання величезних масивів інформації, отриманих експериментальними методами молекулярної біології.

Наприкінці ХХ століття вчені приступили до інвентаризації білків – основних функціональних структур організму і в середині 90-х років в молекулярній біології виник новий розділ – протеоміка. Протеоміка – наука, яка вивчає якісний і кількісний склад білків, що синтезуються клітиною. Так, порівняння протеом різних клітин в нормі і при патології дозволяє визначити механізми, які впливають на розвиток патологічних реакцій. Результатом цього є розробка методів медичної діагностики, що базуються на змінах фізіологічного стану клітини і виражаються в пригніченні або стимуляції синтезу окремих білкових компонент клітини. В in vitro вже розроблені методи, які в змозі тимчасово або зовсім „виключити окремий ген”. Ультрачутливість і специфічність сучасного протеомного аналізу дозволяють реєструвати розвиток патологічних процесів на ранніх етапах захворювання, без його видимих симптомів, і ідентифікувати нові мішені для дії ліків, що створює основу пошуку нових патогенетичних терапевтичних засобів. На сьогодні одним з першорядних важливих медичних застосувань протеоміки є виявлення пухлинних клітин за їх білковими профілями, порівняння клітин до і після зазначених впливів. Такі можливості створюють нові перспективи як для діагностичної медицини, так і для фармацевтичної індустрії в плані створення нових лікарських препаратів.

Окремий розділ протеоміки – функціональна протеоміка – займається вивченням взаємодії різних білків у метаболічних шляхах, виявленням складу функціонально активних комплексів білків, що складають метаболічні ланцюги. Під терміном «функціональний геном» розуміють взаємодію біля двох тисяч генів за посередництвом експресованих ними білків, які на кожному етапі життєдіяльності організму забезпечують повноцінний клітинний цикл, проліферацію, диференціювання, клітинний гомеостаз та міжклітинну комунікацію.

Таким чином, другим фактором, що стимулював подальший розвиток біоінформатики, став розвиток самої молекулярної біології. Розвиток геноміки, протеоміки, функціональної геноміки і т.п. є неможливим без сучасних комп’ютерних методів таких, наприклад, як співставлення генетичних даних та на основі аналізу цих даних формування теоретичних припущень, які можуть бути перевірені дослідним шляхом та дають можливість отримувати нову інформацію. Так, досить часто існує можливість знайти схожий, вже вивчений білок, завдяки чому спрогнозувати функцію нового білку. У випадку, якщо схожі білки в базі даних відсутні, проводиться пошук подібних структур у різних білках. Наприклад, завдяки застосуванню співставлення нуклеотидних послідовностей, було визначено, що вірус атипової пневмонії є продуктом злиття двох вірусів: людини і тварини, завдяки чому були визначені механізми його дії та методи нейтралізації.

Третім фактором стрімкого розвитку біоінформатики стало те, що на сьогодні біотехнологічні та медичні дослідження перемістилися з мікро- до наномасштабів та нанотехнологій, що знову таки, у значній мірі, пов’язано з розвитком геноміки, протеоміки та появою нових фізичних інструментів (наприклад, атомно-силовий мікроскоп) та методів роботи з найбільш важливими біологічними макромолекулами, які потрапляють в область наномасштабів – ДНК, РНК та білки. Для того, щоб контролювати ці біосистеми, необхідні інструменти, які безпосередньо взаємодіють з цими об’єктами у їх природному середовищі. Для розв’язання цих та багатьох інших задач нещодавно виникла нова галузь досліджень – нанобіотехнологія. Біотехнологія і нанотехнологія – це дві найбільш перспективні технології ХХІ сторіччя.

Очікується, що нанобіотехнологія з використанням методів біоінформатики зіграє важливу роль у генній терапії та інженерії, створенні високоселективних ліків, біомаркерів та біосенсорів, у наномедицині. Швидкий розвиток останньої, направлений на вирішення таких актуальних задач як діагностика, лікування та профілактика захворювань, розробка фармацевтичних засобів з метою збереження і покращення здоров’я людини, що неможливо без цілеспрямованого використання наноматеріалів у рамках молекулярних знань, щодо функціонування людського організму, а також сучасних комп’ютерних технологій та потужного апарату біоінформатики.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 20

Схожі:

Гриби – це одна з найбільших у природі груп організмів. Їх вивченням... Гриби – це одна з найбільших у природі груп організмів. Їх вивченням займається спеціальна наука – мікологія ( від грец. «мікос»...	*Кроманьйонець Наука про минуле, що займається вивченням матеріальних предметів (артефактів) діяльності людини
Тема Гриби Загальна характеристика грибів. Різноманітність грибів Гриби – це одна з найбільших у природі груп організмів. Їх вивченням займається спеціальна наука – мікологія ( від грец. «мікос»...	1 Значення і теоретичні основи фінансового аналізу Дана спеціальність передбачає вивчення процесів формування і виконання бюджетів різного рівня, механізму управління державним боргом,...
Оповідь, переказ про відоме, досліджене минуле наука, яка займається... Рід — доісторична і ранньоісторична суспільно-організаційна спільнота, стадія еволюції Етносу, до якої належали кровно пов'язані...	Цієї презентації – Електродинаміка Медико біологічних систем. Створював... Я, Лесюк Анастасія Юріївна приймала активну участь у класному і позакласному житті Українського медичного ліцею 11-В класу. Писала...
ОБҐРУНТУВАННЯ Україні проводиться модернізація організації документообігу, зважаючи на функціонування документів у традиційній та електронній формах....	ОБҐРУНТУВАННЯ Україні проводиться модернізація організації документообігу, зважаючи на функціонування документів у традиційній та електронній формах....
ПРОГРАМА З МАТЕМАТИКИ для 10 11 класів загальноосвітніх навчальних... Програма призначена для організації навчання математики в класах з поглибленим вивченням математики. Вона розроблена на основі Державного...	1 Менеджмент при процесному підході – це Досягнення високого рівня ефективності організації на основі використання знань та навичок підлеглих

Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання