Что такое биоинформатика

Что такое биоинформатика?
Исследование информационных процессов в биологических системах (клетках, органах, организме, популяции).
Изучение и внедрение в компьютерную науку «биологических» методов анализа информации (нейросетей, генетических алгоритмов, нечеткой логики и др.).
Применение компьютерных методов для решения биологических задач.
Телепатия, парапсихология, информационные поля и т.п.
?

Биоинформатика
Исследование информационных процессов в биологических системах (клетках, органах, организме, популяции).
Изучение и внедрение в компьютерную науку «биологических» методов анализа информации (нейросетей, генетических алгоритмов, нечеткой логики и др.).
Применение компьютерных методов для решения биологических задач.
Телепатия, парапсихология, информационные поля и т.п.

Примеры задач биоинформатики
Разработка алгоритмов для анализа большого объема биологических данных
Алгоритм поиска генов в геноме
Анализ и интерпретация биологических данных таких, как нуклеотидные и аминокислотные последовательности, структура молекул белков, структура комплексов молекул белков с другими молекулами.
Изучение структуры активного центра белка
Разработка программного обеспечения для управления и быстрого доступа к биологическим данным
Создание банка данных аминокислотных последовательностей

Что понимать под биоинформатикой?
Как видим, смысл термина ещё ỳже...
Применение компьютерных методов для решения биологических задач
Применение компьютерных методов для решения задач
молекулярной биологии
... и еще ỳже...
Компьютерный анализ экспериментальных данных о структурах биологических макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) с целью получения биологической информации

Итак...
Биоинформатика = вычислительная молекулярная биология
Почему так сузился смысл термина?

gatcctccatatacaacggtatctccacctcaggtttagatctcaacaacggaaccattg
ccgacatgagacagttaggtatcgtcgagagttacaagctaaaacgagcagtagtcagct
ctgcatctgaagccgctgaagttctactaagggtggataacatcatccgtgcaagaccaa
gaaccgccaatagacaacatatgtaacatatttaggatatacctcgaaaataataaaccg
ccacactgtcattattataattagaaacagaacgcaaaaattatccactatataattcaa
agacgcgaaaaaaaaagaacaacgcgtcatagaacttttggcaattcgcgtcacaaataa
attttggcaacttatgtttcctcttcgagcagtactcgagccctgtctcaagaatgtaat
aatacccatcgtaggtatggttaaagatagcatctccacaacctcaaagctccttgccga
gagtcgccctcctttgtcgagtaattttcacttttcatatgagaacttattttcttattc
tttactctcacatcctgtagtgattgacactgcaacagccaccatcactagaagaacaga
acaattacttaatagaaaaattatatcttcctcgaaacgatttcctgcttccaacatcta
cgtatatcaagaagcattcacttaccatgacacagcttcagatttcattattgctgacag
ctactatatcactactccatctagtagtggccacgccctatgaggcatatcctatcggaa
aacaataccccccagtggcaagagtcaatgaatcgtttacatttcaaatttccaatgata
cctataaatcgtctgtagacaagacagctcaaataacatacaattgcttcgacttaccga
gctggctttcgtttgactctagttctagaacgttctcaggtgaaccttcttctgacttac
tatctgatgcgaacaccacgttgtatttcaatgtaatactcgagggtacggactctgccg
acagcacgtctttgaacaatacataccaatttgttgttacaaaccgtccatccatctcgc
tatcgtcagatttcaatctattggcgttgttaaaaaactatggttatactaacggcaaaa
acgctctgaaactagatcctaatgaagtcttcaacgtgacttttgaccgttcaatgttca
ctaacgaagaatccattgtgtcgtattacggacgttctcagttgtataatgcgccgttac
ccaattggctgttcttcgattctggcgagttgaagtttactgggacggcaccggtgataa
actcggcgattgctccagaaacaagctacagttttgtcatcatcgctacagacattgaag
gattttctgccgttgaggtagaattcgaattagtcatcggggctcaccagttaactacct
ctattcaaaatagtttgataatcaacgttactgacacaggtaacgtttcatatgacttac
ctctaaactatgtttatctcgatgacgatcctatttcttctgataaattgggttctataa

В конце 1970-х годов был изобретён относительно
быстрый и дешёвый метод экспериментального определения
последовательности оснований в ДНК
Организм
ДНК «в пробирке»
Последовательность
выделение
секвенирование
...TGCCACAAATCAC...

Для хранения все возрастающей информации о последовательностях ДНК в 1982 году был основан GenBank
GenBank — хранилище последовательностей нуклеиновых кислот в виде компьютерных файлов
Объем GenBank’а:
1982: 680 338 букв в 606 последовательностях
1992: 101 008 486 букв в 78 608 последовательностях
2002: 28 507 990 166 букв в 22 318 883 последовательностях
2004: 44 575 745 176 букв в 40 604 319 последовательностях
2005: 56 037 734 462 букв в 52 016 762 последовательностях (из ~165 000 организмов)
Размер файлов — 196 Gb

Пионеры биоинформатики
Лайнус Полинг
1962
Zuckerkandl, E., and L. Pauling. 1962. Molecular disease, evolution, and genic heterogeneity. Horizons in Biochemistry, Academic Press, New York, 189-225.
Zuckerkandl, E., and L. Pauling. 1965. Evolutionary divergence and convergence
in proteins. Evolving Genes and Proteins, Academic Press, New York, 97-166.
Анализ аминокислотных последовательностей глобинов нескольких позвоночных
Гипотеза молекулярных часов

Пионеры биоинформатики
Маргарет Дейхофф
Однобуквенный код аминокислот
A,C,D,E,F,G,H…
Матрицы аминокислотных замен PAM (Point Accepted Mutation)
1965
Атлас последовательностей белков и их структур (1965)

Первый “банк данных”
Атлас белковых последовательностей и их структур
1965 -1978
Первая версия атласа содержала описание 65 (!) последовательностей белков

Банки данных
Архивные
(примеры: PDB, GenBank)
за содержание каждой записи отвечает её автор-экспериментатор Курируемые
за содержание записей отвечают специальные люди — кураторы
Автоматические
записи генерируются компьютерными программами

Банк данных Swiss-Prot
1986
Swiss-Prot – база знаний о белковых последовательностях
http://www.expasy.org/sprot/
Курируемая база данных
“Золотой стандарт” аннотации

Банк данных Swiss-Prot
Амос Байрох
Руководитель группы Swiss-Prot в Швейцарском Институте Биоинформатики
С 1987 поддерживается в сотрудничестве между
Swiss Institute of Bioinformatics (SIB)
European Bioinformatics Institute (EBI)

Банк данных Swiss-Prot
Статистика роста
количества документов
Текущий релиз 48.9 (24 января 2006) содержит 206586 документов
1986
2006
2001

Банк данных TrEMBL
Формальная трансляция всех кодирующих нуклеотидных последовательностей из банка EMBL
Автоматическая классификация и аннотация
TrEMBL (Translated EMBL)
Текущий релиз 31.9 (24 января 2006) содержит 2 586 884 документа

Тенденция объединения
2002

Банк данных UniProt
UniProt (Universal Protein Resource)
UniProt Knowlegebase – SwissProt+TrEMBL
UniProt Archive – UniParc
UniProt Reference – UniRef

~2 500 000
последовательностей
компьютерный поиск гена, трансляция и компьютерная аннотация
UniRef
(UniProt
non-redundant
Reference
databases)
UniParc
(UniProt Archive)
~200 000 последовательностей
Экспертиза
Базы данных
научной литературы

Соотношение числа белков,
представленных в разных банках
3 078 524
33 321
206 586
Последовательностей во много раз больше, чем структур!
Большинство последовательностей не аннотированы!

Документ банка данных Swiss-Prot
Описание документа: идентификатор,
имя, дата создания и модификации
Аннотация последовательности
Последовательность