§42. Понятие «биоинформатика»
Цель изучения этой темы: описывать роль биоинформатики.
Кто впервые применил методы статистического, математического анализа в биологии при рассмотрении фенотипов, возникших в результате гибридизации? Может ли сейчас хотя бы одна естественная наука развиваться без использования математических методов и применения достижений информатики (использования компьютерного моделирования и анализа с помощью компьютерных алгоритмов)?
Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 26 – учебник для 9 класса.
Биоинформатика – это совокупность методов и подходов, включающих в себя:
1) математические методы компьютерного анализа в сравнительной геномике (геномная биоинформатика);
2) разработку алгоритмов и программ для предсказывания пространственной структуры белков (структурная биоинформатика);
3) исследование стратегий, соответствующих вычислительных методологий, а также общее управление информационной сетью биологических систем.
В биоинформатике используются методы прикладной математики, статистики и информатики. Сама она используется в биохимии, биофизике, экологии и других областях.
Применение инструментов биоинформатики в исследовании означает использование методов компьютерного моделирования, математического и статистического анализа для выявления каких-либо аспектов работы биологических систем. Если условно разделить все аспекты применения инструментов биоинформатики по отраслям биологии, то направлениями, где они будут наиболее востребованными, окажутся следующие:
1) анализ и оценка молекулярно-генетических аспектов наследственности;
2) экология и эволюция;
3) физиология и медицина (включая фармакологию и ветеринарию).
Остановимся на характеристике каждого из направлений несколько подробнее.
Использование биоинформатики при анализе молекулярногенетических аспектов. Значительная доля инструментов биоинформатики при- меняется при «дешифровке» генетических последовательностей. Если учесть количество генов, содержащихся у человека в гаплоидном наборе, всю протяженность молекул ДНК, общее количество нуклеотидов, то цифры получаются поистине астрономические. Без применения компьютеров с такой работой, безусловно, не справиться. Это может быть компьютерная сборка генома, предсказание экспрессии (частоты и интенсивности) «работы» гена на основе уже имеющихся данных (положения гена, его предшествующие – промоторные нуклеотидные последовательности и т. д.), пред- сказание функций белков; поиск геномных вариантов и ассоциированных с ними фенотипов (это направление перспективно как для сельского хозяйства, дела охраны природы, так и для распределении людей по фенотипическим группам – расовым, национальным) и многое другое.
Одним из конкретных примеров является метод выравнивания последовательностей. Биоинформационный метод, основанный на размещении двух или более последовательностей мономеров ДНК, РНК или белков друг под другом таким образом, чтобы можно было легко увидеть сходные участки в этих последовательностях. Сходство первичных структур двух молекул может отражать их функциональные, структурные или эволюционные взаимосвязи. Этот же метод применяется при установлении молекулярно-генетического или биохимического родства организмов, т. е. показывает их эволюционную близость.
Роль биоинформатики в эволюции тесно связана с анализом геномных последовательностей ныне живущих и вымерших видов. Другими словами, она представляет интерес в первую очередь для палеогенетиков, сравнительной биологии, моделирования эволюции.
Частным случаем можно считать применение биоинформатики в бионике.
Бионика – прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, т. е. формы живого в природе и их промышленные аналоги. Проще говоря, бионика – это соединение биологии и техники. Она рассматривает биологию и технику в новом ракурсе, объясняя, какие общие черты и какие различия существуют в природе и технике. Выстраивание технических устройств невозможно без компьютерного моделирования.
Различают:
‒ биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
‒ теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
‒ техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.
Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и др.
Использование биоинформатики в экологии основано на том, что все экосистемы, являясь очень сложными и многокомпонентными, подчиняются тем же энергетическим законам, что и все мироздание. Соответственно, имея данные о количестве вырабатываемой и потребляемой энергии разными видами на разных пищевых уровнях, можно рассчитать (хотя бы теоретически) последствия «потери» или «подселения» определенных видов (растений, животных, микроорганизмов и т. д.) для экосистемы.
Использование биоинформатики в медицине, фармакологии, физиологии. Биоинформатика широко применяется в разработке лекарств (компьютерное моделирование биохимических реакций), в неонатальной диагностике генетических заболеваний (еще до рождения и сразу после), в медикоиологических генетических консультациях. Кроме того, имен- но в наше время в Казахстане делаются попытки создать универсальные компьютерные системы по хранению, переработке и мгновенному автоматическому получению медицинских данных в рамках как одного медицинского учреждения, так и для района, города, а в перспективе, возможно, и страны в целом.
Современная биология имеет дело с гигантскими объемами данных, которые просто невозможно обработать старыми рутинными методами. Без применения компьютерной техники и информационных технологий биологи просто не справятся с задачей обработки, хранения и использования постоянно растущего объема информации, полученной в ходе новых исследований. Здесь и приходит на помощь биоинформатика.
В общем смысле, биоинформатика – это использование компьютерных, математических и статистических методов для решения биологических задач. Сейчас биологические исследования очень разнообразны, появился целый ряд новых наук, так называемых «омик» (геномика, транскриптомика, протеомика, метаболомика и др.), многие из которых уже заняли место в современной биологии. Также существуют и междисциплинарные научные направления, например системная биология. Она ставит своей целью объединить все в единую картину, изучая и моделируя взаимодействия в живых системах. Биоинформатика в этом смысле может рассматриваться как специфический новый раздел биологии или как современное междисциплинарное направление, характерное для обеих наук.
Биоинформатика, молекулярная генетика, бионика.
Знание и понимание
1. Что изучает бионика? Перечислите, с какими науками она связана.
2. Объясните, почему важно развивать биоинформатику.
3. Определите связь между биоинформатикой и другими разделами биологии.
Применение
1. Для чего применяют метод, при котором один или несколько мономеров ДНК, РНК или белков устанавливают друг под другом и рассматривают их генетические сходство и различия? Что выявляют с помощью такого сравнения?
2. Приведите примеры, как биоинформатика продвигает современную медицину в разных странах и направлениях.
Анализ
1. Изобразите в виде схемы применение методов биоинформатики.
2. Покажите на примерах, какие мероприятия по объединению данных проводятся в экономической и (или) социальной среде в Казахстане. Касается ли цифровизация только одной науки?
Синтез
1. Порассуждайте, могла ли биоинформатика как отрасль сформироваться на 10, 20, 30 лет позже или раньше. Обоснуйте ответ относительно каждого временного отрезка.
2. Порассуждайте, можно ли создать компьютерные модели живых систем (экосистем, клеток, организмов), которые бы абсолютно точно отражали реальные процессы. Ответ обоснуйте.
Оценка
1. Обсудите и оцените, что помогает в обработке научных данных. Выскажите ваше мнение о причинах, почему сейчас появляются так много новых отраслей наук, смежных дисциплин (биохимия, биофизика, биоинформатика, биотехнология), как это помогает человечеству в целом. Считаете ли вы, что и дальше стоит развивать новые смежные науки или нужно остановить создание междисциплинарных направлений и решать задачи в рамках одной науки?