Bioinformatika
Informacione tehnologije u biomedicini
Milana Marjanović
Novi Sad, 2015.
Profesor: Olivera Šveljo
UNIVERZITET U NOVOM SADU
PRIRODNO-MATEMATIČKI
FAKULTET
DEPARTMAN ZA FIZIKU
4
razvoj novih algoritama i statističkih postupaka sa kojima se može proceniti
odnos među članovima velikih skupova podataka;
analiza i tumačenje raznih vrsta podataka uključujući sekvence nukleotida i
amino kiselina, protenskih domena i proteinskih struktura i
razvoj i implementacija alata koji omogućavaju efikasni pristup i upravljanje
različitim tipovima informacija.“
Iz godine u godinu javlja ubrzan rast tehnologije i saznanja o biološkim procesima. Na
osnovu ovih istraživanja dobijaju se ogromne količine podataka, koje je potrebno
organizovati tako da se omogući, lak i jednostavan način korišćenja ovih podataka kako bi
se došlo do novih saznanja. Bioinformatika se javila kao naučna disciplina koja treba da
doprinese rešavanju ovog problema. Krajnji cilj bioinformatike je da omogući otkrivanje
novih bioloških principa kao i da se stvori globalna osnova koja će omogućiti identifikaciju
objedinjujućih principa u biologiji.
Razvoj genetike i drugih molekulsko-tehnoloških istraživanja, kao i razvoj
informacionih tehnologija doprineli su proizvodnji ogromnog broja podataka iz oblasti
molekularne biologije. Na samom početku ovog razvoja javila se potreba za organizovanjem
i održavanjem baza podataka za skladištenje tako dobijenih bioloških informacija kao što su
sekvence nukleotida i amino kiselina. Razvoj ovog tipa baza podataka uključuje ne samo
pitanja koja se odnose na dizajn, već i razvoj interfejsa kojim istraživači mogu da pristupe
postojećim
podacima,
kao
i
da
unesu
novi
ili
revidirani
podatak
(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/).
U skorije vreme, naglasak se pomerio ka analizi velikih skupova podataka, posebno onih
koji se čuvaju u različitim formatima i u različitim bazama podataka. Potrebno je da se sve
informacije o biološkim procesima u ćeliji kombinuju, kako bi se stvorila sveobuhvatna slika
o normalnim ćelijskim aktivnostima, kod svih organizama koji nastanjuju planetu Zemlju.
Organizovan uvid u sve ove procese omogućio bi istraživanja različitih stanja koja mogu
imati uticaja bilo na ceo organizama bilo na neki sistem ponaosob.
Oblast bioinformatike je evoluirala tako da sada podrazumeva analizu i interpretaciju
različitih vrsta podataka, uključujući i sekvence nukleotida i amino kiselina, proteinskih
domena i proteinskih struktura.
2. Poreklo i istorija bioinformatike
Pre više od jednog veka, bioinformatička istorija je počela sa austrijskim monahom
Gregor Mendel
-om, poznatim kao „Otac genetike“. On se godinama bavio sa oplođenjem
biljke grašak i njenim karakteristikama pre i nakon oplođenja. Mendel je pokazao da
ukoliko se žuti i zeleni grašak unakrsno oplode, da će njihov podmladak biti uvek žut, dok se
5
u sledećoj generaciji pojaviti odnos žutih i zelenih u 3:1. Mendel je 1866. godine objavio rad
demonstrirajući svoje rezultate na osnovu „nevidljivih faktora“, koji se sada nazivaju geni.
Slika 2. Mendelovi zapisi o naslednim karakteristikama graška
Nakon ovog otkrića Mendela, bioinformatika i genetika su prešle dug put u načinu
zapisivanja i interpretacije genetskih analiza a razumevanje genetskih procesa je izuzetno
napredovalo u poslednjih trideset godina.
U 1972. godini
Paul Berg
je napravio prvu rekombinaciju molekula DNK. Nedugo posle
toga su
Paul Berg, Stanley Cohen i Herbert Boyer
proizveli prvi rekombinovani DNK
organizam, tako što su pomoću tehnologije uspeli da genetski materijal od jednog
organizma uvedu u gen drugog organizma, a zatim ga replicirali i razvili unutar tog drugog
organizma. Ovo je zapravo predstavljalo početak
genetskog inženjerstva
a 1976. godine je
osnovana prva genetička inženjerska kompanija-
Genentech
.
Tokom 1981. godine, 579 ljudskih gena je mapirano a mapiranje in situ hibridizacijom
postalo je standardna metoda.
Marvin Carruthers
i
Leroy Hood
su napravili ogroman skok u
bioinformatici kada su izmislili metode za automatsko sekvenciranje DNK. 1986. godine,
osnovana
je
Human Genome Organization
(HUGO), međunarodna organizacija koja
uključuje veliki broj naučnika koji se bave genetskim istraživanjima. Godine 1989., dobijen
je prvi kompletan mapiran genom, od bakterije
Haemophilus influenza
. Naredne godine,
HUGO je počeo sa radom. Godine 1991.,ukupno od 1879 ljudskih gena je mapirano. 1993.
7
obavljaju gotovo sve specifične poslove u ćeliji. Proteini mogu biti izgrađeni od nekoliko
stotina, pa i hiljada amino kiselina, gde su svi molekuli različiti u zavisnosti od sastava
amino kiselina, čime se postiže ogroman raspon fizičko-hemijskih osobina samih molekula.
Na osnovu ovih činjenica može se videti da se radi o ogromnom broju podataka, pa se
zaključuje da je danas najveći izazov napraviti baze podataka tako da svi ovi podaci, tako
reći imaju smisla, odnosno, da se mogu lako i jednostavno koristiti za dalja istraživanja.
Da bi se bolje objasnila povezanost DNK molekula i proteina, prikazaćemo sledeću
šemu, koja govori kako se na osnovu azotnih baza u DNK lancu dolazi do stvaranja proteina
u samoj ćeliji.
Slika 4. Biološki sistem (centralna dogma)
U stvari, regioni gena DNK u jezgru ćelije se transkriptuje u RNK, potom RNK putuje do
mesta na kojima se stvaraju proteini i transliraju RNK zapis u odgovarajući protein, što
predstavlja centralnu dogmu molekularne biologije.
Na osnovu sastava proteina i njegove strukture, odnosno trodimenzionih veza među
atomima od kojih je izgrađen, zavisi i njegova funkcija, odnosno na osnovu strukture može
se najbolje razumeti funkcija. Ovo je veoma značajno u farmaceutskoj industriji, jer se na
osnovu trodimenizione strukture proteina grade takvi lekovi koji su sa proteinom u vezi
„ključ-brava“, što dovodi bilo do inhibicije proteina, odnosno onemogućavanja njegovog
dejstva u ćeliji, ili pokretanja prvobitno neaktivnog proteina, u zavisnosti od toga šta se želi
postići.
Bioinformatika dakle pretstavlja neku vrstu interfejsa između moderne biologije i
savremenih informacionih tehnologija, i uključuje otkrivanje, razvoj i realizaciju
