Основы биоинформатики - Огурцов А.Н. 2013

Основания биоинформатики
Предмет биоинформатики
Цели и задачи биоинформатики

Основополагающий принцип биоинформатики состоит в том, что биополимеры, например, молекулы нуклеиновых кислот и белков, могут быть изображены в виде последовательности цифровых символов. Кроме того, для представления мономеров аминокислотных и нуклеотидных цепей необходимо лишь ограниченное число алфавитных знаков.

Подобная гибкость анализа биомолекул с помощью ограниченных алфавитов привела к успешному становлению биоинформатики. Развитие и функциональная мощь биоинформатики во многом зависят от прогресса в области разработки компьютерных аппаратных средств и программного обеспечения. Простейшие задачи, стоящие перед биоинформатикой, касаются создания и ведения баз данных биологической информации.

Предмет биоинформатики включает в себя три компонента:

1) создание баз данных, позволяющих осуществлять хранение крупных наборов биологических данных и управление ими;

2) разработка алгоритмов и методов статистического анализа для определения отношений между элементами баз данных;

3) использование этих средств для анализа и интерпретации биологических данных различного типа - в частности, последовательностей ДНК, РНК и белков, белковых структур, профилей экспрессии генов и биохимических путей.

Цели биоинформатики следующие:

1. Организовывать данные таким образом, чтобы исследователи имели доступ к текущей информации, хранящейся в базах данных, и могли вносить в неё новые записи по мере получения новых сведений.

2. Развивать программные средства и информационные ресурсы, которые помогают в управлении данными и в их анализе.

3. Применять эти средства для анализа данных и интерпретации полученных результатов таким образом, чтобы они имели биологический смысл.

Задачи биоинформатики состоят в анализе информации, закодированной в биологических последовательностях, в частности:

✵ обнаруживать гены в последовательностях ДНК различных организмов;

✵ развивать методы изучения структуры и (или) функции новых расшифрованных последовательностей и соответствующих структурных областей РНК;

✵ определять семейства родственных последовательностей и строить модели;

✵ выравнивать подобные последовательности и восстанавливать филогенетические деревья с целью выявления эволюционных связей.

Помимо перечисленных выше задач, следует упомянуть ещё один важнейший вопрос биоинформатики, который напрямую связан с фармацевтической биотехнологией, - обнаружение мишеней для медикаментозного воздействия (см. п. 6.6) и отыскание перспективных опытных соединений (так называемых "лидов" (от англ. lead compound)) (см. п. 15.3).

Предмет биоинформатики реализуется в следующих видах деятельности.

1. Управление биологическими данными и их обработка; сюда входит их организация, отслеживание, защита, анализ и т. д.

2. Организация связи между учёными, проектами и учреждениями, вовлечёнными в фундаментальные и прикладные биологические исследования. Связь может включать в себя электронную почту, пересылку файлов, дистанционный вход в систему, телеконференции, учреждение сетевых информационных ресурсов.

3. Организация наборов биологической информации, документов и литературы, а также обеспечение доступа к ним, их поиска и выборки.

4. Анализ и интерпретация биологических данных с применением вычислительных методов, а именно: визуализация, математическое моделирование, а также построение алгоритмов высокопараллельной обработки сложных биологических структур.