Биоинформатика и вычислительная биология

Биоинформатика

Биоинформатика — совокупность методов и подходов, включающих в себя:

математические методы компьютерного анализа в сравнительной геномике (геномная биоинформатика).
разработку алгоритмов и программ для предсказания пространственной структуры биополимеров (структурная биоинформатика).
исследование стратегий, соответствующих вычислительных методологий, а также общее управление информационной сложности биологических систем.

В биоинформатике используются методы прикладной математики, статистики и информатики. Биоинформатика используется в биохимии, биофизике, экологии и в других областях.

Наиболее часто используемыми инструментами и технологиями в этой области являются языки программирования Java, C#, Perl, C, C++, Python, R; язык разметки — XML; базы данных — SQL; программно-аппаратная архитектура параллельных вычислений — CUDA; пакет прикладных программ для решения задач технических вычислений и одноимённый язык программирования, используемый в этом пакете — MATLAB, и электронные таблицы.

Биоинформатика стала важной частью многих областей биологии. В экспериментальной молекулярной биологии методы биоинформатики, такие как создание изображений и обработка сигналов, позволяют получать полезные результаты из большого количества исходных данных. В области генетики и геномики, биоинформатика помогает в упорядочивании и аннотировании геномов и наблюдаемых мутаций. Она играет роль в анализе данных из биологической литературы и развитии биологических и генетических онтологий по организации и запросу биологических данных. Она играет роль в анализе гена, экспрессии белка и регуляции. Инструменты биоинформатики помогают в сравнении генетических и геномных данных и, в целом, в понимании эволюционных аспектов молекулярной биологии. В общем виде, она помогает анализировать и каталогизировать биологические пути и сети, которые являются важной частью системной биологии. В структурной биологии, она помогает в симуляции и моделировании ДНК, РНК и белковых структур а также молекулярных взаимодействий.

История

Опираясь на признание важной роли передачи, хранения и обработки информации в биологических системах, в 1970 году Полина Хогевег ввела термин «биоинформатика», определив его как изучение информационных процессов в биотических системах. Это определение проводит параллель биоинформатики с биофизикой (учение о физических процессах в биологических системах) или с биохимией (учение о химических процессах в биологических системах).

В начале «геномной революции» термин «биоинформатика» был переоткрыт и обозначал создание и техническое обслуживания базы данных для хранения биологической информации.

Последовательности. Компьютеры стали необходимыми в молекулярной биологии, когда белковые последовательности стали доступны после того, как Фредерик Сенгер определил последовательность инсулина в начале 1950-х. Сравнение нескольких последовательностей вручную оказалось непрактичным. Пионером в этой области была Маргарет Окли Дэйхоф (Margaret Oakley Dayhoff). Дэвид Липман (директор Национального центра биотехнологической информации) назвал её «матерью и отцом биоинформатики». Дэйхоф составила одну из первых баз последовательностей белков, первоначально опубликовав в виде книг и стала первооткрывателем методов выравнивания последовательностей и молекулярной эволюции.

Геномы. Поскольку полные последовательности генома стали доступны, снова с новаторской работой Фредерика Сенгера термин «биоинформатика» был переоткрыт и обозначал создание и техническое обслуживание баз данных для хранения биологической информации, такой как последовательности нуклеотидов (база данных GenBank в 1982). Создание таких баз данных включало в себя не только вопросы оформления, но и создание комплексного интерфейса, позволяющего исследователям запрашивать имеющиеся данные и добавлять новые. С публичной доступностью данных, инструменты для их обработки были быстро разработаны и описаны в таких журналах, как «Исследование Нуклеиновых Кислот», который опубликовал специализированные вопросы по инструментам биоинформатики уже в 1982 году.

Биоинформатика и вычислительная биология

Под биоинформатикой понимают любое использование компьютеров для обработки биологической информации. На практике, иногда это определение более узкое, под ним понимают использование компьютеров для обработки экспериментальных данных по структуре биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) с целью получения биологически значимой информации. В свете изменения шифра научных специальностей (03.00.28 «Биоинформатика» превратилась в 03.01.09 «Математическая биология, биоинформатика») поле термина «биоинформатика» расширилось и включает все реализации математических алгоритмов, связанных с биологическими объектами.

Термины биоинформатика и «вычислительная биология» часто употребляются как синонимы, хотя последний чаще указывает на разработку алгоритмов и конкретные вычислительные методы. Считается, что не всякое использование вычислительных методов в биологии является биоинформатикой, например, математическое моделирование биологических процессов — это не биоинформатика.

Биоинформатика использует методы прикладной математики, статистики и информатики. Исследования в вычислительной биологии нередко пересекаются с системной биологией. Основные усилия исследователей в этой области направлены на изучение геномов, анализ и предсказание структуры белков, анализ и предсказание взаимодействий молекул белка друг с другом и другими молекулами, а также реконструкция эволюции.

Биоинформатика и её методы используются также в биохимии, биофизике, экологии и в других областях. Основная линия в проектах биоинформатики — это использование математических средств для извлечения полезной информации из «шумных» или слишком объёмных данных о структуре ДНК и белков, полученных экспериментально.

Биоинформатика, геномика, протеомика, прочие «-омики» – все эти слова прочно входят в современную науку, она буквально пестрит красивыми названиями. Что же все они означают? Давайте попытаемся в этом разобраться.
Модное среди современных ученых слово «Биоинформатика» - уже почти отделившаяся ветвь молекулярной биологии. Сегодня существует множество определений и интерпретаций слова «Биоинформатика». Одни говорят, что биоинформатика – раздел современной науки, занимающийся раскодированием человеческого генома. Другие говорят что биоинформатика – это системная биология, позволяющая рассмотреть, изучить и систематизировать глобальную картину биологии.

Биоинформатика - далеко не простая наука. Чтобы заниматься биоинформатикой,

необходимо как минимумум знать азы программирования, иметь навыки работы с

компьютерными программами, любить биологию.

современной науке популярно и такое направление как протеомика. Сейчас мы попробуем выяснить, что же это такое и с чем еe едят. Протеомика (или по другому функциональная геномика) появилась совсем недавно и занимается такими интересными вещами, как изучение белков клетки в определенный момент времени, взаимосвязи структуры и функций клеточного протеома. Так же как и геномика, протеомика делится на несколько направлений:
Клиническая протеомика – нахождение количества белков и их распознавание из образца(сыворотка крови, моча, спинномозговая жидкость, биопсия) и наблюдение за изменениями их концентрации.
Протеомика гемостаза – заключается в расшифровке механизмов гомеостаза. Например, протеомика тромбоцитов – была получена новая информация о белках коагуляции, найдены неизвестные ранее мишени для новых лекарств секретогранина III.

Геномика – ветвь молекулярной биологии, основная задача которой заключается в секвенировании геномов, общем изучении нуклеотидных последовательностей РНК и ДНК. Современная геномика включает в себя множество подразделов. Попробую вкратце описать основные. Эволюционная геномика (или сравнительная геномика) – основана на сравнении организации и содержимого геномов различных живых организмов.