Биоинформатика

Из Википедије, слободне енциклопедије
ДНК секвенцијална анализа

Биоинформатика (грч. bios - живот; енгл. Informatics) је наука која се бави биоинформационим процесима и појавама у живим ћелијама при информационом деловању светлости - електромагнетних таласа, јонизујућег зрачења, бактерија или вируса, биолошки активних и материја хемијске природе, механизмима пријема и обраде информација на ћелијском нивоу, међућелијској комуникацији као и преносом, чувањем, организацијом, анализом и практичном применом на живим организмима.

Историјат[уреди]

Нобеловац Клод Шенон(енгл. Claude Elwood Shannon, 1916 — 2001) је назван „оцем информатичке теорије“. Он је показао да Булова алгебра може конструисати и решити било коју логичку или бројчану релацију. Његов значај за развој биоинформатике је огроман.

Први биоинформатички програми су били развијени за ДНК секвенцијалну анализу.

Последња научна биоинформатичка истраживања усмерена су на ћелију и међућелијске комуникације. Таква истраживања, упоредо са истраживањима генетичара која су посвећена проучавању механизама наследних информација, омогућују да се у информатици издвоји нови научни правац - биоинформатика. Суштински, биоинформатика даје научни основ за развој врло значајног и новог правца у медицини информационе медицине. Самуел Ханеман (1755-1843) је међу првима уочио утицај информација на ћелије човека.

Уназад 30 година веома активно се проучавају принципи деловања биолошких материја на изоловане органе код људи и животиња са посебним нагласком на информационо стање ћелија. Утврђено је да хемијски молекули утичу на ћелијску структуру, како непосредним контактом тако и индиректним деловањем. У свим експериментима, биолошки ефекат на ћелије је зависио не само од доза постојећих материја и њихових енергија, већ од квалитета информације тј. информационе компоненте. Ћелија је јасно реаговала на структуру информационог поља материје, при чему преношење сигнала није зависило од количине (материјалне дозе) хемијске супстанце и енергија.

У међувремену биоинформатика употребљава и у фармацији, за прорачун прогнозе протеинских структура и интеракције. Симулација и прорачун биолошких експеримената и података се назива и Ин силико прорачун (биоинформатика) (ен.in silico). Ту се ради првенствено о брзом проналажењу поновљених делова (шаблона) у веома дугим ДНК секвенцама и решавање проблема преклапања и позиционирања двије или више секвенци да би се добила њихова највећа подударност. Примјену у тој области су нашли алгоритми динамичног и методолошког програмирања. Код биолошких хипотеза се ријетко траже тачне подударности кратких секвенцијалних дијелова и то најчешће за одвојене „сигнале“ као стартна и завршна секвенца генетског кода.

Поред тих, развијена су и рјешења за проналажење гена у непознатим ДНК секвенцама прогноза гена, (ен. gene prediction).

Научна истраживања[уреди]

Главни проблеми биоинформатике, као научног правца су:

  • Истраживање молекуларних и ћелијских механизама детектовања пријема ројединачних информационих сигнала и информационих порука (рецепција информационих сигнала);
  • Истраживања улоге различитих носача информација (физичких, хемијских) у међућелијској и унутарћелијској комуникацији;
  • Истраживање механизама кодирања и прекодирања информација у живим системима;
  • Проучавање језика на којима се одвија унутарћелијска, међућелијска, међуткивна, међуорганска и међусистемска комуникација у човековом организму и шире гледано у организмима животиња, биљака, микроорганизама и вируса;
  • Истраживање механизама превођења информација са једног биолошког језика на други;
  • Истраживање инваријантности информационих порука;
  • Истраживање структуре и функција канала за пренос информација у организмима човека, животиња, биљака, микроорганизама и вируса;
  • Истраживање механизама бележења (запамћивања) и чувања (меморисања) информација;
  • Истраживање механизама обраде и интеракције међу информацијама;
  • Истраживање механизама генерисања биолошког одговора на информационе сигнале и поруке (електромеханичка спрега, спрега сигнал секреција);
  • Истраживање улоге и механизама стварања повратних веза у живим системима;
  • Истраживање динамике информационих порука у живим системима.

У данашње време су проучени примарни механизми пријема појединачних информационих сигнала које преносе неки носачи информационих сигнала. Истраживани су механизми рецепције информационих сигнала које преносе медијатори: ацетилхолин, адреналин. Утврђено је да се рецептори протеинских, пептидних хормона и многих биолошки активних материја налазе на цитоплазматским мембранама, а рецептори стероидних хормона се налазе у цитоплазми. Испитивана је улога различитих секундарних посредника у механизму преношења информација које прима плазматска мембрана уз деловање медијатора и хормона, пептида на унутарћелиске структуре.

Проучавање биолошких језика почиње од проучавања ″слова“, ″гласова“, ″речи“ и ″реченица“. Свака ћелија ″зна“ неколико језика. Добро су проучени језици молекула ДНК, РНК, беланчевина. ″Слова“ језика РНК представљају нуклеотиди: аденин, цитозин, гуанин и урацил. ″Речи“ језика ДНК и РНК састоје се од три слова – триплета нуклеотида. ″Реченице“ – гена се састоје од различитог броја ″речи“. ″Азбука“ језика беланчевина се састоји од 20 ″слова“ – аминокиселина. Дешифровањем генетског кода утврђено је да сваком ″слову“ језика беланчевина одговара ″реч“ језика РНК – триплету нуклеотида. У језику биолошких мембрана ″слова“, секундарни су посредници: јони калцијума, циклични нуклеотиди, диацилглицерин, инозитолтрифосфат. ″Слова“ језика међућелијске и међуоарганске комуникације представљају примарне посреднике: медијаторе, хормоне, биолошки активне материје. Биолошке информације могу преносити (носачи) не само материјални преносиоци – ″слова“, већ и енергетски преносиоци – ″гласови“. Такви ″гласови“ при трансмембранском преношењу информација представљају потенцијале дејства или тзв. споре таласе, а код међућелијског преношења информација то су електромагнетни таласи, механичке осцилације и др. Доказано је да се уобичајено биолошке информације не преносе ″словима“ или ″гласовима“, већ ″реченицама“ које се састоје од ″речи“. У последње време учињен је покушај проучавања фонетике, морфологије и синтаксе ћелијских језика.

Истраживани су: структура и функције канала за пренос информација у организму човека и животиња, механизми меморисања, механизми генерисања биолошког одговора на информационе сигнале механизми стварања повратних веза у живим системима.

Још увек нису довољно истражени механизми обраде и интеракције између информација и динамика информационих порука у живим системима. Развој биоинформатике има велику важност за даљи развој Информационе Медицине са веома важним деловима попут информодијагностике, биорезонантне, мултирезонантне и информационе терапије. Даљи развој биоинформатике, у будућности може омогућити стварање читавих здравствених програма на језицима унутарћелијске, међућелијске, међуткивне, међуорганске и међусистемске комуникације. Пренос тих програма ћелијама организма помоћу погодног носача информација, омогућује ћелијама да успоставе размену материја, енергије и информација у организму човека услед чега долази до лечења и оздрављења.

Напретком у истраживању и достигнућима из области функционалне анализе генома (на примјер, црва caenorhabditis elegans), тежиште рада у биоинформатици се пребацује на хипотезе протеомике, као на примјер, проблем разлагања и прогноза структуре протеина, односно питање секундарне и терцијарне структуре код одређених секвенци аминокиселина. Питање интеракције протеина са различитим лигандима (нуклеинским киселинама, другим протеинима или мањим молекулима) је веома важно, зато што из одговора на то питање произилазе закључци и важне информације за медицину и фармацију; на примјер, »Какав утицај има мутацијом измијењени протеин на тјелесне функције« или »Који препарати, како дјелују на различитим протеинима«.

Практична примена[уреди]

Применом научних сазнања из биоинформатике у дијагностичке сврхе се масовно примењује електрокардиограм (ЕКГ), електромиограм (ЕМГ), електроенцефалограм (ЕЕГ) и представљају златни стандард у дијагностици виталних органа. Са развојем компјутерске технологије настала је посебна група дијагностичких апарата за читаво тело и све човекове органе и системе. Посебно се издваја украински дијагностички компјутерско-софтверски комплекс "ПСИ Вектор ДиаКор" (енг. DiaCor).

Информодијагностика[уреди]

Компјутерска дијагностика функционалног стања свих виталних органа човека заснована је на мерењу параметара зонске електричне проводљивости једносмерне струје у различитим рецепторним зонама коже које су функционално повезане са одређеним унутрашњим органима помоћу нервних влакана соматског и вегетативног нервног система.

Применом научних сазнања из биоинформатике у дијагностици срца (ЕКГ), мозга (ЕЕГ), технолошким развојем информатичких технологија, компјутера и тд. настал апаратнософтверских уређаја намењених функционалној дијагностици целокупног организма човека. Компјутерска дијагностика функционалног стања целокупног организма човека заснована је на регистровању параметара зонске електричне проводљивости једносмерне струје у различитим рецепторним зонама коже које су функционално повезане са одређеним унутрашњим органима помоћу нервних влакана соматског и вегетативног нервног система. Немачки лекар Реинхолд Фол (Reinhold Voll, 1909 - 1989) је открио и дефинисао неинвазивни метод којим се прецизно може измерити акцион мембрански потенцијал ћелија органа и система.

Информотерапија[уреди]

Имајући у виду комплексне механизме појаве патологије, поред материје и енергије, може бити директно информација. Информотерапија разрађује методе терапијске и превентивне примене информација при чему, информотерапија више пажње посвећује патогенетском и терапијском деловању информација, а биоинформатика – теоријским, практчном и експерименталним проблемима размене информација у живим системима. Информотерапија представља једно од практичних достигнућа у примени биоинформационих технологија при чему се терапијски метод користи у циљу информационе регулације здравственог стања.

Информотерапија проучава:

  • Утицај информација на физиолошке, биохемијске, биофизичке и патолошке процесе у организму човека и животиња,
  • Процесе пријема, кодирања, чувања, декодирања и коришћења информација.

Научно образложење информационе терапије је настало средином осамдесетих година XX века, при чему приоритет у свету имају украјински научници (Скрипњук З.). Основа информационе терапије састоји се, пре свега, у коришћењу усмереног информационог тока којег примају одређене ћелијске структуре. Усмерени информациони ток доводи до процеса стварања ендогених материја у организму, које регулишу хомеостазу. Такав ефект се постиже са уређајима тзв. микрогенератор у којима се налазе микро биопроцесори са умеморисаним информацијама матичних станица. Терапијску информацију преносе одговарајући информоносачи без додатног утрошка енергије. Такве биоинформације мало зависе од дозе. Њих примају болесне ћелије, услед чега се поново успоставља њихово нормално функционално стање. Са информтерапијом се активирају унутрашње резерве организма и његови енергетски ресурси синтетизованих интра целуларно у виду високоенергетских материја. Коришћење информационих механизама терапијског деловања на људски организам је први пут примењено након Чернобилске катастрофе. У поређењу са фармакотерапијом и физиотерапијом, где се користе комплексне и дозиране материје или енергије, у информационој терапији ефекти лечења се постижу информационим деловањем здравих матичних ћелија на болесне и оштећене ћелије, дела органа или система. Информотерапију не карактерише информациони утицај на цео организам, па чак не ни на поједине органе, већ селективно само на одређене ћелије које се налазе у стању дисфункције и оштећења (Скрипњук З.). Терапијско деловање информационог поља зависи само од тога у коликој мери оно одговара информационом биопољу неког конкретног органа његовим ћелијама. Теоретски, методи информотерапије су ефикасни код лечења било којих обољења, јер је реч о поновном успостављању информационе способности разних органа да размењују информације на ћелијском нивоу а оне могу бити промењене, поремећене и чак делимично изгубљене. У овом случају је терапијски ефекат одређен границама у оквиру којих се одвија пријем информације од стране ћелија разних органа, што се може упоредити са повратном реакцијом човека на деловање речи препознатљивог и не познатњивог смисла. Према томе, максимални терапијски ефекат је могућ само при комплексном кориговању механизама који одржавају хомеостазу, и то нервног и хуморалног система који су везани за размену електричне и хемијскоматеријалне енергије, као и ″трећег регулационог система“ – информационог. Применом информационих терапија могуће је успешно лечити све вирусе и зауставити канцерогенезу раног стадијума при чему се јасно дефинисаним биоинформацијама дају прецизне инструције свим механизмима имунског система да фагоцитирају опасне агенсе (Скрипњук З.).

Чување података[уреди]

Знатан део посла једног биоинформатичара, поред математичких анализа, се састоји у консолидовању и похрањивању података у индицираним и повезаним биолошким базама података. Разноликост протеинских база података ДНК се огледа широм света као што су „Ген банк" и протеинска база података „Свис порт“.

Литература[уреди]

  • Achuthsankar S Nair Computational Biology & Bioinformatics – A gentle Overview, Communications of Computer Society of India, January 2007
  • Aluru, Srinivas, ed. Handbook of Computational Molecular Biology. Chapman & Hall/Crc, 2006. ISBN 1-58488-406-1 (Chapman & Hall/Crc Computer and Information Science Series)
  • Baldi, P and Brunak, S, Bioinformatics: The Machine Learning Approach, 2nd edition. MIT Press, 2001. ISBN 0-262-02506-X
  • Barnes, M.R. and Gray, I.C., eds., Bioinformatics for Geneticists, first edition. Wiley, 2003. ISBN 0-470-84394-2
  • Baxevanis, A.D. and Ouellette, B.F.F., eds., Bioinformatics: A Practical Guide to the Analysis of Genes and Proteins, third edition. Wiley, 2005. ISBN 0-471-47878-4
  • Baxevanis, A.D., Petsko, G.A., Stein, L.D., and Stormo, G.D., eds., Current Protocols in Bioinformatics. Wiley, 2007. ISBN 0-471-25093-7
  • Bogach P. G., Skrypnyuk Z. D. Role of Mg and Ca ions and their interrelation min regulating the transmembrane electrical processes and contraction-relaxation of smooth muscle // Abstract of 27-th Intern. Congr. of Physiological Sciences. - Paris. - 1977. - P. 84.
  • Claverie, J.M. and C. Notredame, Bioinformatics for Dummies. Wiley, 2003. ISBN 0-7645-1696-5
  • Crick, F. H. The genetic code // Sci. Am. - 1962.-207.- P. 66-74.
  • Cristianini, N. and Hahn, M. Introduction to Computational Genomics, Cambridge University Press, 2006. ISBN 0-521-67191-4
  • Durbin, R., S. Eddy, A. Krogh and G. Mitchison, Biological sequence analysis. Cambridge University Press, 1998. ISBN 0-521-62971-3
  • Gilbert, D. Bioinformatics software resources. Briefings in Bioinformatics, Briefings in Bioinformatics, 2004 5(3):300–304.
  • Keedwell, E., Intelligent Bioinformatics: The Application of Artificial Intelligence Techniques to Bioinformatics Problems. Wiley, 2005. ISBN 0-470-02175-6
  • Кобылянская Р. Н. – Информационная диагностика и информотерапия церебральных арахноидитов. - «Информационная и негентропийная терапия» - 1995 – №2 – pp. 6-10.
  • Kohane, et al. Microarrays for an Integrative Genomics. The MIT Press, 2002. ISBN 0-262-11271-X
  • Клевець М. Ю. Електричні властивості секреторних клітин травних залоз і механізми активації екструзії їх ферментів.- Авт. дис. …докт.біол. наук.- Київ, 1993. - 40 str.
  • Кобылянская Р. Н. – Информационная диагностика и информотерапия церебральных арахноидитов. - «Информационная и негентропийная терапия» - 1995 – №2 – pp. 6-10.
  • Комиссаров И. В. Элементы теории рецепторов в молекулярной фармакологии. М.: Медицина, 1969.- 215 str.
  • Костюк П. Г. Кальций и клеточная возбудимость. - М.: Наука, 1986.- 255 str.
  • Крамер Ф. - Учебник по электрпунктуре, т. І, т. II. Москва : Имедис, 1995, pp. 457
  • Leonard H. - Основы электропунктуры по Фоллю. - Москва : Имедис, 1993, pp. 331.
  • Lund, O. et al. Immunological Bioinformatics. The MIT Press, 2005. ISBN 0-262-12280-4
  • Lupicev, N. L. –Электропунктурная диагностика, гомеопатия и феномен дальнодействия.– М. – 1990 – 136 с.
  • Michael S. Waterman, Introduction to Computational Biology: Sequences, Maps and Genomes. CRC Press, 1995. ISBN 0-412-99391-0
  • Mount, David W. Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis Spring Harbor Press, May 2002. ISBN 0-87969-608-7
  • Pachter, Lior and Sturmfels, Bernd. "Algebraic Statistics for Computational Biology" Cambridge University Press, 2005. ISBN 0-521-85700-7
  • Pevzner, Pavel A. Computational Molecular Biology: An Algorithmic Approach The MIT Press, 2000. ISBN 0-262-16197-4
  • Reinhold Voll,- Топографическое положение биологически активных точек электропунктуры. Том 1,2,3, Москва: Техарт, 1993, pp. 570.
  • Samohin A. V., Готовский В. В. - Электропунктурная диагностика и терапия по методу Р. Фолля.- Москва: Имедис, 1995, 447с.
  • Skrypnyuk, Z. D., Торська І. В., Артемюк М.І., Зайцев С. К., Мисюк О.І. - Електропунктурна диагностика та інформотерапія. - Програма курсів підвищення кваліфікації лікарів - 1992, 394 с
  • Skrypnyuk Z. D. Біоінформатика: «Информационная и негентропийная терапия».- 1995. Б.- 383 str.
  • Skrypnyuk Z. D. - Механизмы гормональной регуляции электрической и сократительной активности гладких мышц. - Дисс. … докт. биол. наук. - Киев, 1989.- 299 с.
  • Soinov, L. Bioinformatics and Pattern Recognition Come Together Journal of Pattern Recognition Research (JPRR), Vol 1 (1) 2006 p.p;37–41
  • Sudakov K. V., - Информационный принцип в физиологии 1995.- 326.
  • Tisdall, James. "Beginning Perl for Bioinformatics" O'Reilly, 2001. ISBN 0-596-00080-4
  • Вульфиус Е. А., Коваленко В. А. Холинорецепторы. Биофизика. Итоги науки и техники.- М., 1978.- 207 str.
  • Вейн А. М. И др. Вегетативные расстройства. - Москва: Медицинское информационное Агенство, 1998; 749, с.
  • Вельховер Е. С. "Основы клинической рефлексологии“. Москва: Медицина. 1984.- 221с. – "Клиническая иридология" . Москва: Орбита.- 1992.- 430 с.
  • Вернер Ф. - Основы электроакупунктуры. Москва: Имедис, 1993, pp. 178.
  • Зубовский Г. А. - Ультразвуковая диагностика и электропунктура. Москва, 1992, pp. 137.

Спољашње везе[уреди]

Викиостава
Викимедијина остава има још мултимедијалних датотека везаних за: Биоинформатика