Биоинформатика
Материал из MachineLearning.
Версия 10:36, 5 мая 2010
Биоинформа́тика или вычисли́тельная биоло́гия — одна из дисциплин биологии, изучающая молекулярные процессы, но не in vitro, а in silico, т.е. не в пробирке, а при помощи компьютеров.
Содержание |
Терминология
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. 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. 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.
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.
Основные области исследований
Анализ генетических последовательностей
C тех пор как в 1977 году был секвенирован фаг Phi-X174, последовательности ДНК всё большего числа организмов были дешифрованы и сохранены в базах данных. Эти данные используются для определения последовательностей белков и регуляторных участков. Сравнение генов в рамках одного или разных видов может продемонстрировать сходство функций белков или отношения между видами (таким образом могут быть составлены филогенетические деревья). С возрастанием количества данных уже давно стало невозможным вручную анализировать последовательности. В наши дни для поиска по геномам тысяч организмов, состоящих из миллиардов пар нуклеотидов используются компьютерные программы. Программы могут однозначно сопоставить («выровнять») похожие последовательности ДНК в геномах разных видов; часто такие последовательности несут сходные функции, а различия возникают в результате мелких мутаций, таких как замены отдельных нуклеотидов, вставки нуклеотидов, и их «выпадения» (делеции). Один из вариантов такого выравнивания применяется при самом процессе секвенирования. Так называемая техника «дробного секвенирования» (которая была, например, использована Институтом Генетических Исследований для секвенирования первого бактериального генома, Haemophilus influenzae) вместо полной последовательности нуклеотидов даёт последовательности коротких фрагментов ДНК (каждый длиной около 600—800 нуклеотидов). Концы фрагментов накладываются друг на друга и, совмещённые должным образом, дают полный геном. Такой метод быстро даёт результаты секвенирования, но сборка фрагментов может быть довольно сложной задачей для больших геномов. В проекте по расшифроке генома человека сборка заняла несколько месяцев компьютерного времени. Сейчас этот метод применяется для практически всех геномов, и алгоритмы сборки геномов являются одной из острейших проблем биоинформатики на сегодняшний момент.
Другим примером применения компьютерного анализа последовательностей является автоматический поиск генов и регуляторных последовательностей в геноме. Не все нуклеотиды в геноме используются для задания последовательностей белков. Например, в геномах высших организмов, большие сегменты ДНК явно не кодируют белки и их функциональная роль неизвестна. Разработка алгоритмов выявления кодирующих белки участков генома является важной задачей современной биоинформатики.
Биоинформатика помогает связать геномные и протеомные проекты, к примеру, помогая в использовании последовательности ДНК для идентификации белков.
Аннотация геномов
В контексте геномики аннотация — процесс маркировки генов и других объектов в последовательности ДНК. Первая программная система аннотации геномов была создана в 1995 году Оуэном Уайтом (Owen White), работавшим в команде, секвенировавшей и проанализировавшей первый декодированный геном свободноживущего организма, бактерии Haemophilus influenzae (палочка Пфайфера). Доктор Уайт построил систему для нахождения генов, тРНК и других объектов ДНК и сделал первые обозначения функций этих генов. Большинство современных систем работают сходным образом, но эти программы постоянно развиваются и улучшаются.
Вычислительная эволюционная биология
Эволюционная биология исследует происхождение и появление биологических видов, также как их развитие с течением времени. Информатика помогает эволюционным биологам в нескольких аспектах:
- изучать эволюцию большого числа организмов, измеряя изменения в их ДНК, а не только в строении или физиологии;
- сравнивать целые геномы (см. BLAST), что позволяет изучать более комплексные эволюционные события, такие как: дупликация генов, латеральный перенос генов, и предсказывать бактериальные специализирующие факторы;
- строить компьютерные модели популяций, чтобы предсказать поведение системы во времени;
- отслеживать появление публикаций, содержащих информацию о большом количестве видов.
Основные биоинформационные программы
- ACT (Artemis Comparison Tool) — геномный анализ
- Arlequin — анализ популяционно-генетических данных
- BioEdit — редактор множественного выравнивания нуклеотидных и аминокислотных последовательностей
- BioNumerics — коммерческий универсальный пакет программ
- BLAST — поиск родственных последовательностей в базе данных нуклеотидных и аминокислотных последовательностей
- ClustalW — множественное выравнивание нуклеотидных и аминокислотных последовательностей
- ClustalX — множественное выравнивание нуклеотидных и аминокислотных последовательностей
- DnaSP — анализ полиморфизма последовательностей ДНК
- FigTree — редактор филогенетических деревьев
- Genepop — популяционно-генетический анализ
- Genetix — популяционно-генетический анализ (программа доступна только на французском языке)
- JalView — редактор множественного выравнивания нуклеотидных и аминокислотных последовательностей
- MacClade — коммерческая программа для интерктивного эволюционного анализа данных
- MEGA — молекулярно-эволюционный генетический анализ
- Mesquite — программа для сравнительной биологии на языке Java
- Muscle — множественное сравнение нуклеотидных и аминокислотных последовательностей. Более быстрая и точная по сравнению с ClustalW
- PAUP — филогенетический анализ с использованием метода парсимонии (и других методов)
- PHYLIP — пакет филогенетических программ
- Phylo_win — филогенетический анализ. Программа имеет графический интерфейс.
- PopGene — анализ генетического разнообразия популяций
- Populations — популяционно-генетический анализ
- Seaview — филогенетический анализ (с графическим интерфейсом)
- Sequin — депонирование последовательностей в GenBank, EMBL, DDBJ
- SplitsTree
- T-Coffee — множественное прогрессивное выравнивание нуклеотидных и аминокислотных последовательностей. Более чувствительное, чем в ClustalW/ClustalX.
Ссылки
- bioinformatics.ru — Bioinformatics and data analysis
- bioinformatix.ru — Биоинформатика, геномика, протеомика, биософт, имэйджинг — портал по биоинформатике, имейджингу и биософту
- Лаборатория теоретической генетики в ИЦиГ СО РАН
- Международное сообщество вычислительной биологии
- Русскоязычный портал молекулярных биологов
- Российские биотехнологии и биоинформатика
- Объединённый центр вычислительной биологии и биоинформатики
- Институт цитологии и генетики СО РАН
- Кафедра информационной биологии ФЕН НГУ
- Институт математических проблем биологии РАН
- Институт физико-химической биологии им. Белозёрского
- Факультет биоинформатики и биоинженерии МГУ им. Ломоносова
- Лаборатория биоинформатики в ГосНИИ Генетика
- Биоинформатика в Центре «Биоинженерия» РАН
- Проект «Виды 2000».
- Дьяконов В. П., Круглов В. В. MATLAB 6.5 SP1, 7/7 SP1./7 SP2 + Simulink 5/6. Инструменты искусственного интеллекта и биоиформатики. М.: СОЛОН-ПРесс,2006, 456 с.
- М. С. Гельфанд. Что может биоинформатика // Химия и жизнь. № 9, 2009.
См. также
- Биоинформатика — статья из Википедии, свободной энциклопедии.
- Вычислительная биология — статья из Википедии, свободной энциклопедии.
