ramka|Podwójna helisa DNA Bioinformatyka – interdyscyplinarna dziedzina łącząca nauki biologiczne i informatyczne.
Obejmuje rozwój metod obliczeniowych służących do badania i symulacji struktury, funkcji i ewolucji genów, genomów i białek. Tworzy metody wykorzystywane do analizy i zarządzania informacji biologicznej gromadzonej w toku badań genomicznych oraz badań prowadzonych z zastosowaniem wysokoprzepustowych technik eksperymentalnychPaul G. Higgs Teresa K. Attwood. „Bioinformatyka i ewolucja molekularna.”. Z bioinformatyką powiązane są: genomika, proteomika, lipidomika, metabolomika, transkryptomika i konektomika. W szerszym znaczeniu obejmuje także biokomputery i neuroinformatykę.
Wstęp Historia Termin „bioinformatyka” pojawił się po raz pierwszy w 1970 roku i odnosił się do badania procesów informatycznych w systemach biotycznych. Jego twórcami są i Ben Hesper. W ten sposób wyróżnili oni bioinformatykę jako osobną dziedzinę nauki obok biochemii i biofizykiHogeweg, P. (2011). "The Roots of Bioinformatics in Theoretical Biology".
Z bioinformatyką związana jest ściśle biologia molekularna. Na rozwój tej drugiej dziedziny miały wpływ przede wszystkim dwa dokonania w latach 50 XX wieku. Pierwszym z nich było odkrycie w 1953 r. przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka struktury podwójnej helisy DNA przechowującego informację genetyczną we wszystkich organizmach żywych. Drugim było określenie przez F. Sangera w 1952 r. pełnej sekwencji aminokwasów insuliny. Eksperymenty biologiczne zaczęły generować ogromne ilości danych, które okazały się trudne do przechowywania i „ręcznego” przetwarzania. Z tego powodu wykorzystanie komputerów i informatyki stało się niezbędne przy pracy biologów.
Pionierką w tej dziedzinie była Margaret Oakley Dayhoff – twórczyni pierwszej bioinformatycznej bazy danych, w której zgromadziła wszystkie dostępne sekwencje białkowe. Dzięki kolejnym dokonaniom, takim jak zsekwencjonowanie po raz pierwszy pełnego genomu DNA przez Fredericka Sangera, zapotrzebowanie na bioinformatykę znacznie się zwiększyło, a jej rozwój wyraźnie przyspieszył. W latach 80. XX wieku powstał GenBank, amerykańska bioinformatyczna baza danych zbierająca i gromadząca sekwencje nukleotydowe. Ponadto założono National Center for Biotechnology Information (NCBI) – organizację, która zajęła się zarządzaniem GenBankiem i Human Genome Project (HGP) – projekt naukowy, którego celem było poznanie ludzkiego genomu. W Europie powstała baza danych na Uniwersytecie w Genewie (SWISS-PROT) i European Molecular Biology Laboratory (EMBL). Dzięki dalszym badaniom i postępowi w bioinformatyce możliwe było między innymi zsekwencjonowanie w 2001 r. ludzkiego genomu.
Podstawowe zagadnienia bioinformatyki katalogowanie informacji biologicznych (bazy danych, bazy danych sekwencji i wyszukiwanie sekwencji, adnotacji, danych numerycznych w bazach danych) analiza sekwencji DNA (składanie sekwencji, adnotacja, wyszukiwanie sekwencji kodujących, regulatorowych i repetytywnych, motywów, markerów) analiza sekwencji genomów, porównywanie genomów ustalanie ewolucyjnych relacji pomiędzy zbiorami sekwencji / organizmów (drzewa filogenetyczne) genotypowanie (używane między innymi do wyszukiwania genów odpowiedzialnych za choroby genetyczne, w ustalaniu ojcostwa, kryminalistyce) analiza ekspresji genów (głównie analiza danych z mikromacierzy) analiza sekwencji białek, nazywana też proteomiką (porównywanie sekwencji, wyszukiwanie domen i motywów, przewidywanie własności fizyko-chemicznych, drugo- i trzecio-rzędowej struktury białka, lokalizacji w obrębie komórki, analiza danych z eksperymentów spektroskopowych) katalogowanie funkcji genów/białek, analiza dróg metabolicznych (np metabolizm lipidów) oraz dróg sygnałowych (np od receptora na powierzchni komórki poprzez kaskadę kinaz do czynników transkrypcyjnych) modelowanie molekularne modelowanie układów biologicznych morfometria / analiza obrazu
Celehttp://www2.cs.put.poznan.pl/wp-content/uploads/2011/11/wyklad_inauguracyjny_2011.pdf Szybki rozwój genomiki i biologii molekularnej doprowadził do powstawania ogromnej ilości informacji, które były wynikami przeprowadzonych eksperymentów w tych dziedzinach. Biolodzy w swojej pracy byli zmuszeni do skorzystania z komputerów i informatyki na dwóch etapach: na etapie gromadzenia, zapisywania, przechowywania i wydobywania informacji na etapie przetwarzania informacji zawartych w DNA, RNA i białkach, modelowania ich struktur przestrzennych oraz przewidywania ich funkcjonalności i wzajemnych powiązań
Bioinformatyka jest dziedziną wiedzy dla której biologia i związane z nią problemy są przyczyną działania, natomiast informatyka wraz z matematyką dostarczają narzędzi do ich rozwiązania. Po pierwsze pociąga to za sobą powstanie i zarządzanie zaawansowanymi bazami danych, w których mogą być przechowywane i efektywnie eksplorowane dane biologiczne. Drugą ważną częścią bioinformatyki jest aspekt obliczeniowy, czyli wykorzystanie komputerów do przetwarzania danych. Matematyka pozwala przy pomocy równań modelować pewne zjawiska, ale nie jest to wystarczające. Potrzebne są przede wszystkim efektywne algorytmy i programy komputerowe konstruujące rozwiązania. Przykładem są metody do lokalizowania genów w sekwencjach białkowych, aby przewidzieć ich strukturę i/lub funkcję i przydzielić tym samym daną sekwencję białkową do rodziny pokrewnych sekwencji.
Celem bioinformatyki jest pomoc w zrozumieniu funkcjonowania mechanizmów organizmów żywych i procesów biologicznych. Jest wykorzystywana między innymi do dopasowywania sekwencji, odnajdywania genów, przewidywania struktur białek, ale również znajduje zastosowanie także w wiele pokrewnych dziedzin takich jak biotechnologia czy medycyna. Przyczynia się to między innymi do szybszego projektowania leków czy też wykonywania analiz DNA w medycynie sądowej.
Stosunek do innych dziedzin wiedzy Bioinformatyka jest ściśle związana z biologią obliczeniową. Podział między obiema dziedzinami przebiega na styku nauki i technologii. Biologia obliczeniowa opracowuje modele ilościowe zagadnień biologicznych bazujące na sformułowaniach matematycznych, natomiast bioinformatyka korzystając z tych modeli tworzy algorytmy dające rozwiązania. Bioinformatyka zajmuje się więc rozwijaniem narzędzi do analiz sekwencji, strukturalnych, funkcjonalnych oraz systemowych oraz narzędzi do przetwarzania informacji przechowywanych w bazach danych.
Podział bioinformatyki Bioinformatyka sekwencji – porównywanie genomów, filogenetyka, przewidywanie genu, wykrywanie motywów, przeszukiwanie baz danych sekwencji, porównywanie sekwencji, sekwencjonowanie. Bioinformatyka strukturalna – przewidywanie struktury kwasu nukleinowego, przewidywanie struktury białka, klasyfikacja struktury białek, porównywanie struktury białek. Bioinformatyka funkcjonalna – modelowanie ścieżek metabolicznych, profilowanie ekspresji genu, przewidywanie oddziaływań białka, przewidywanie lokalizacji komórkowej białka. Bioinformatyka systemów – analiza i modelowanie systemów biologicznych.
W celu analizy danych biologicznych przy pomocy bioinformatyki tworzone są programy, które używają algorytmów z teorii grafów, sztucznej inteligencji czy eksploracji danych. Algorytmy są natomiast zależne od podstaw teoretycznych, takich jak matematyka dyskretna czy statystyka.
Analiza sekwencji DNA mały|Sekwenator Illumina HiSeq 2500 Sekwencjonowanie DNA to analiza, której celem jest poznanie kolejności ułożenia nukleotydów (tworzących informację genetyczną) wzdłuż nici DNA w komórkach danego osobnika. Dalsza analiza pozwala również na poznanie funkcji jakie pełnią określone fragmenty genów organizmów eukariotycznych i prokariotycznych. Ustalenie tych informacji umożliwia badaczom na posługiwanie się skolonowanaymi odcinkami DNA, jako narzędziami badawczymi do różnych celów. Technologia ta zmieniła także podejście do zastosowań praktycznych między innymi w farmakologii i medycynieClaude A. Villee, Linda R. Berg, Eldra Pearl Solomon, Diana W. Martin, Wyd. Multico (2011). Stosowaną do niedawna metodą rozpoznawania określonych sekwencji była metoda laboratoryjna poprzez elektroforezę w żelu, która pomija etap informatyczny i pozwala na odczytanie sekwencji stosunkowo krótkich łańcuchów DNA. Kolejną metodą poznawania sekwencji DNA jest sekwencjonowanie poprzez hybrydyzację, która akceptuje cząsteczki nawet parokrotnie dłuższe, wymaga ona za to wspomagania algorytmicznegoMaxam A. M., Gilbert W., „A new method for sequencing DNA, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA” 74, 1977, s. 560-564. Pierwsze maszyny do automatycznego sekwencjonowania powstały w latach siedemdziesiątych. Opierały się one na metodzie terminacji łańcucha, za którą w 1974 r. biochemicy Fred Sanger i Walter Gilbert otrzymali Nagrodę Nobla. Od tamtego momentu technologia ta stała się w pełni zautomatyzowana, a zasób zgromadzonych danych genomowych znacząco wzrósł. Powodem tego jest niski koszt takich operacji oraz możliwość pracy nad większymi genomami. Współczesne maszyny do sekwencjonowania są bardzo wydajne i mogą odkodować około 1,5 miliona zasad w ciągu 24hKasprzak M. (2013) „Wybrane algorytmy i modele grafowe w bioinformatyce” wydawnictwo: Politechnika Poznańska . Wyznaczanie pierwszorzędowej struktury DNA organizmów stanowi, będąc pierwszym krokiem w kierunku poznania i zrozumienia genomów i zakodowanych w nich funkcji, ważną pozycję w prowadzonych współcześnie badaniach. Jednym z przykładowych projektów jest Projekt poznania ludzkiego genomu (ang. Human Genome Project, HUGO Project), realizowany w laboratoriach na całym świecie. Jest to program mający na celu poznanie sekwencji wszystkich komplementarnych par zasad, tworzących genom ludzkiZob. Francis S. Collins: The Language of God. A Scientist Presents Evidence for Belief. Free Press, New York – London - Toronto - Sydney, 2006. ., s. 2.. Kolejnym narzędziem stosowanym w bioinformatyce jest program BLAST (ang. Basic Local Aligment Search Tool). Służy on do lokalnego przyrównywania sekwencji aminokwasów białek lub nukleotydów DNA. Jest to jeden z najczęściej używanych programów tego typu ze względu na zastosowanie mechanizmu heurystycznego i dużo większą szybkością działania.
Adnotacja genomu Adnotacja genomu stanowi etap w procesie analizy danego genomu. Następuje po zidentyfikowaniu sekwencji kodujących. Polega na przypisywaniu odnalezionym genom (a właściwie ich białkowym produktom) funkcji i roli jaką pełnią w komórce oraz określa wszystko co może być dokonane w sekwencji genomu za pomocą obliczeń.
Adnotacja dzieli się na trzy główne etapy: identyfikacja fragmentów genomu, które nie kodują białek identyfikacja elementów genomu kodujących białka – proces zwany przewidywaniem genów przyłączanie biologicznych informacji do danych elementów.
Istnieje wiele różnych organizacji w świecie nauki, których jednym z głównych przedsięwzięć jest adnotacja genomów. Efektem ich pracy są powszechnie dostępne biologiczne bazy danych. Są to między innymi: GENCODE GeneRIF RefSeq ENCyclopedia Of DNA Elements (ENCODE) Ensembl Uniprot Entrez Gene Vertebrate and Genome Annotation Project (Vega)
Obliczenia dotyczące relacji ewolucyjnych Biologia ewolucyjna zajmuje się badaniem pochodzenia gatunków od wspólnych przodków, ich zmianami i różnicowaniem w czasie. Stara się wyjaśnić przystosowania organizmów do środowiska oraz przyczyny ich zróżnicowania. Jest to dziedzina interdyscyplinarna w której informatyka znalazła swoje zastosowanie pozwalając naukowcom na: odszukiwanie ewolucyjnych zmian dużej liczby organizmów poprzez pomiary zmian w ich DNA zarówno poprzez taksonomię fizjologiczną, a także przez fizjologiczne obserwacje porównanie całych genomów, które pozwalają poznawać zjawiska takie jak duplikacja genów oraz poziomy transfer genów poznawanie i dzielenie się informacjami na temat zwiększającej się liczby gatunków i organizmów
Porównywanie genomów