Bioinformatika

DNK sekvencijalna analiza

Bioinformatika (grčki: bios - život; eng. Informatics) je nauka koja se bavi bioinformacionim procesima i pojavama u živim ćelijama pri informacionom delovanju svetlosti - elektromagnetnih talasa, jonizujućeg zračenja, bakterija ili virusa, biološki aktivnih i materija hemijske prirode, mehanizmima prijema i obrade informacija na ćelijskom nivou, međućelijskoj komunikaciji kao i prenosom, čuvanjem, organizacijom, analizom i praktičnom primenom na živim organizmima (Skripnjuk Zenovij).

Istorijat

Nobelovac Klod Šenon(engl. Claude Elwood Shannon, 1916 — 2001) je nazvan "ocem informatičke teorije". On je pokazao da Bulova algebra može konstruisati i rešiti bilo koju logičku ili brojčanu relaciju. Njegov značaj za razvoj bioinformatike je ogroman.

Prvi bioinformatički programi su bili razvijeni za DNK sekvencijalnu analizu.

Poslednja naučna bioinformatička istraživanja usmerena su na ćeliju i međućelijske komunikacije. Takva istraživanja, uporedo sa istraživanjima genetičara koja su posvećena proučavanju mehanizama naslednih informacija, omogućuju da se u informatici izdvoji novi naučni pravac - bioinformatika. Suštinski, bioinformatika daje naučni osnov za razvoj vrlo značajnog i novog pravca u medicini informacione medicine. Samuel Haneman (1755-1843) je među prvima uočio uticaj informacija na ćelije čoveka.

Unazad 30 godina veoma aktivno se proučavaju principi delovanja bioloških materija na izolovane organe kod ljudi i životinja sa posebnim naglaskom na informaciono stanje ćelija. Utvrđeno je da hemijski molekuli utiču na ćelijsku strukturu, kako neposrednim kontaktom tako i indirektnim delovanjem. U svim eksperimentima, biološki efekat na ćelije je zavisio ne samo od doza postojećih materija i njihovih energija, već od kvaliteta informacije tj. informacione komponente. Ćelija je jasno reagovala na strukturu informacionog polja materije, pri čemu prenošenje signala nije zavisilo od količine (materijalne doze) hemijske supstance i energija. Korišćenje informacionih mehanizama terapijskog delovanja na ljudski organizam je prvi put primenjeno nakon Černobilske katastrofe.

U međuvremenu bioinformatika upotrebljava i u farmaciji, za proračun prognoze proteinskih struktura i interakcije. Simulacija i proračun bioloških eksperimenata i podataka se naziva i In siliko proračun (bioinformatika) (en.in silico). Tu se radi prvenstveno o brzom pronalaženju ponovljenih delova (šablona) u veoma dugim DNK sekvencama i rešavanje problema preklapanja i pozicioniranja dvije ili više sekvenci da bi se dobila njihova najveća podudarnost. Primjenu u toj oblasti su našli algoritmi dinamičnog i metodološkog programiranja. Kod bioloških hipoteza se rijetko traže tačne podudarnosti kratkih sekvencijalnih dijelova i to najčešće za odvojene "signale" kao startna i završna sekvenca genetskog koda.

Pored tih, razvijena su i rješenja za pronalaženje gena u nepoznatim DNK sekvencama prognoza gena, (en. gene prediction).

Naučna istraživanja

Glavni problemi bioinformatike, kao naučnog pravca su:

• Istraživanje molekularnih i ćelijskih mehanizama detektovanja prijema rojedinačnih informacionih signala i informacionih poruka (recepcija informacionih signala);
• Istraživanja uloge različitih nosača informacija (fizičkih, hemijskih) u međućelijskoj i unutarćelijskoj komunikaciji;
• Istraživanje mehanizama kodiranja i prekodiranja informacija u živim sistemima;
• Proučavanje jezika na kojima se odvija unutarćelijska, međućelijska, međutkivna, međuorganska i međusistemska komunikacija u čovekovom organizmu i šire gledano u organizmima životinja, biljaka, mikroorganizama i virusa;
• Istraživanje mehanizama prevođenja informacija sa jednog biološkog jezika na drugi;
• Istraživanje invarijantnosti informacionih poruka;
• Istraživanje strukture i funkcija kanala za prenos informacija u organizmima čoveka, životinja, biljaka, mikroorganizama i virusa;
• Istraživanje mehanizama beleženja (zapamćivanja) i čuvanja (memorisanja) informacija;
• Istraživanje mehanizama obrade i interakcije među informacijama;
• Istraživanje mehanizama generisanja biološkog odgovora na informacione signale i poruke (elektromehanička sprega, sprega signal sekrecija);
• Istraživanje uloge i mehanizama stvaranja povratnih veza u živim sistemima;
• Istraživanje dinamike informacionih poruka u živim sistemima.

U današnje vreme su proučeni primarni mehanizmi prijema pojedinačnih informacionih signala koje prenose neki nosači informacionih signala. Istraživani su mehanizmi recepcije informacionih signala koje prenose medijatori: acetilholin, adrenalin. Utvrđeno je da se receptori proteinskih, peptidnih hormona i mnogih biološki aktivnih materija nalaze na citoplazmatskim membranama, a receptori steroidnih hormona se nalaze u citoplazmi. Ispitivana je uloga različitih sekundarnih posrednika u mehanizmu prenošenja informacija koje prima plazmatska membrana uz delovanje medijatora i hormona, peptida na unutarćeliske strukture.

Proučavanje bioloških jezika počinje od proučavanja ″slova", ″glasova", ″reči" i ″rečenica". Svaka ćelija ″zna" nekoliko jezika. Dobro su proučeni jezici molekula DNK, RNK, belančevina. ″Slova" jezika RNK predstavljaju nukleotidi: adenin, citozin, guanin i uracil. ″Reči" jezika DNK i RNK sastoje se od tri slova – tripleta nukleotida. ″Rečenice" – gena se sastoje od različitog broja ″reči". ″Azbuka" jezika belančevina se sastoji od 20 ″slova" – aminokiselina. Dešifrovanjem genetskog koda utvrđeno je da svakom ″slovu" jezika belančevina odgovara ″reč" jezika RNK – tripletu nukleotida. U jeziku bioloških membrana ″slova", sekundarni su posrednici: joni kalcijuma, ciklični nukleotidi, diacilglicerin, inozitoltrifosfat. ″Slova" jezika međućelijske i međuoarganske komunikacije predstavljaju primarne posrednike: medijatore, hormone, biološki aktivne materije. Biološke informacije mogu prenositi (nosači) ne samo materijalni prenosioci – ″slova", već i energetski prenosioci – ″glasovi". Takvi ″glasovi" pri transmembranskom prenošenju informacija predstavljaju potencijale dejstva ili tzv. spore talase, a kod međućelijskog prenošenja informacija to su elektromagnetni talasi, mehaničke oscilacije i dr. Dokazano je da se uobičajeno biološke informacije ne prenose ″slovima" ili ″glasovima", već ″rečenicama" koje se sastoje od ″reči". U poslednje vreme učinjen je pokušaj proučavanja fonetike, morfologije i sintakse ćelijskih jezika.

Istraživani su: struktura i funkcije kanala za prenos informacija u organizmu čoveka i životinja, mehanizmi memorisanja, mehanizmi generisanja biološkog odgovora na informacione signale mehanizmi stvaranja povratnih veza u živim sistemima.

Još uvek nisu dovoljno istraženi mehanizmi obrade i interakcije između informacija i dinamika informacionih poruka u živim sistemima. Razvoj bioinformatike ima veliku važnost za dalji razvoj Informacione Medicine sa veoma važnim delovima poput informodijagnostike, biorezonantne, multirezonantne i informacione terapije. Dalji razvoj bioinformatike, u budućnosti može omogućiti stvaranje čitavih zdravstvenih programa na jezicima unutarćelijske, međućelijske, međutkivne, međuorganske i međusistemske komunikacije. Prenos tih programa ćelijama organizma pomoću pogodnog nosača informacija, omogućuje ćelijama da uspostave razmenu materija, energije i informacija u organizmu čoveka usled čega dolazi do lečenja i ozdravljenja.

Napretkom u istraživanju i dostignućima iz oblasti funkcionalne analize genoma (na primjer, crva -{caenorhabditis elegans}-), težište rada u bioinformatici se prebacuje na hipoteze proteomike, kao na primjer, problem razlaganja i prognoza strukture proteina, odnosno pitanje sekundarne i tercijarne strukture kod određenih sekvenci aminokiselina. Pitanje interakcije proteina sa različitim ligandima (nukleinskim kiselinama, drugim proteinima ili manjim molekulima) je veoma važno, zato što iz odgovora na to pitanje proizilaze zaključci i važne informacije za medicinu i farmaciju; na primjer, »Kakav uticaj ima mutacijom izmijenjeni protein na tjelesne funkcije« ili »Koji preparati, kako djeluju na različitim proteinima«.

Praktična primena

Primenom naučnih saznanja iz bioinformatike u dijagnostičke svrhe se masovno primenjuje elektrokardiogram (EKG), elektromiogram (EMG), elektroencefalogram (EEG) i predstavljaju zlatni standard u dijagnostici vitalnih organa. Sa razvojem kompjuterske tehnologije nastala je posebna grupa dijagnostičkih aparata za čitavo telo i sve čovekove organe i sisteme. Posebno se izdvaja ukrainski dijagnostički kompjutersko-softverski kompleks "PSI Vektor DiaCor" (eng. DiaCor).

Informodijagnostika

Kompjuterska dijagnostika funkcionalnog stanja svih vitalnih organa čoveka zasnovana je na merenju parametara zonske električne provodljivosti jednosmerne struje u različitim receptornim zonama kože koje su funkcionalno povezane sa određenim unutrašnjim organima pomoću nervnih vlakana somatskog i vegetativnog nervnog sistema.

Primenom naučnih saznanja iz bioinformatike u dijagnostici srca (EKG), mozga (EEG), tehnološkim razvojem informatičkih tehnologija, kompjutera i td. nastal aparatnosoftverskih uređaja namenjenih funkcionalnoj dijagnostici celokupnog organizma čoveka. Kompjuterska dijagnostika funkcionalnog stanja celokupnog organizma čoveka zasnovana je na registrovanju parametara zonske električne provodljivosti jednosmerne struje u različitim receptornim zonama kože koje su funkcionalno povezane sa određenim unutrašnjim organima pomoću nervnih vlakana somatskog i vegetativnog nervnog sistema. Nemački lekar Reinhold Fol (Reinhold Voll, 1909 - 1989) je otkrio i definisao neinvaѕivni metod kojim se precizno može izmeriti akcion membranski potencijal ćelija organa i sistema.

Informoterapija

Imajući u vidu kompleksne mehanizme pojave patologije, pored materije i energije, može biti direktno informacija. Informoterapija razrađuje metode terapijske i preventivne primene informacija pri čemu, informoterapija više pažnje posvećuje patogenetskom i terapijskom delovanju informacija, a bioinformatika – teorijskim, praktčnom i eksperimentalnim problemima razmene informacija u živim sistemima. Informoterapija predstavlja jedno od praktičnih dostignuća u primeni bioinformacionih tehnologija pri čemu se terapijski metod koristi u cilju informacione regulacije zdravstvenog stanja.

Informoterapija proučava:

• Uticaj informacija na fiziološke, biohemijske, biofizičke i patološke procese u organizmu čoveka i životinja,
• Procese prijema, kodiranja, čuvanja, dekodiranja i korišćenja informacija.

Naučno obrazloženje informacione terapije je nastalo sredinom osamdesetih godina XX veka, pri čemu prioritet u svetu imaju ukrajinski naučnici (Skripnjuk Z.). Osnova informacione terapije sastoji se, pre svega, u korišćenju usmerenog informacionog toka kojeg primaju određene ćelijske strukture. Usmereni informacioni tok dovodi do procesa stvaranja endogenih materija u organizmu, koje regulišu homeostazu. Takav efekt se postiže sa uređajima tzv. mikrogenerator u kojima se nalaze mikro bioprocesori sa umemorisanim informacijama matičnih stanica. Terapijsku informaciju prenose odgovarajući informonosači bez dodatnog utroška energije. Takve bioinformacije malo zavise od doze. Njih primaju bolesne ćelije, usled čega se ponovo uspostavlja njihovo normalno funkcionalno stanje. Sa informterapijom se aktiviraju unutrašnje rezerve organizma i njegovi energetski resursi sintetizovanih intra celularno u vidu visokoenergetskih materija. U poređenju sa farmakoterapijom i fizioterapijom, gde se koriste kompleksne i dozirane materije ili energije, u informacionoj terapiji efekti lečenja se postižu informacionim delovanjem zdravih matičnih ćelija na bolesne i oštećene ćelije, dela organa ili sistema. Informoterapiju ne karakteriše informacioni uticaj na ceo organizam, pa čak ne ni na pojedine organe, već selektivno samo na određene ćelije koje se nalaze u stanju disfunkcije i oštećenja (Skripnjuk Z.). Terapijsko delovanje informacionog polja zavisi samo od toga u kolikoj meri ono odgovara informacionom biopolju nekog konkretnog organa njegovim ćelijama. Teoretski, metodi informoterapije su efikasni kod lečenja bilo kojih oboljenja, jer je reč o ponovnom uspostavljanju informacione sposobnosti raznih organa da razmenjuju informacije na ćelijskom nivou a one mogu biti promenjene, poremećene i čak delimično izgubljene. U ovom slučaju je terapijski efekat određen granicama u okviru kojih se odvija prijem informacije od strane ćelija raznih organa, što se može uporediti sa povratnom reakcijom čoveka na delovanje reči prepoznatljivog i ne poznatnjivog smisla. Prema tome, maksimalni terapijski efekat je moguć samo pri kompleksnom korigovanju mehanizama koji održavaju homeostazu, i to nervnog i humoralnog sistema koji su vezani za razmenu električne i hemijskomaterijalne energije, kao i ″trećeg regulacionog sistema" – informacionog. Primenom informacionih terapija moguće je uspešno lečiti sve viruse i zaustaviti kancerogenezu ranog stadijuma pri čemu se jasno definisanim bioinformacijama daju precizne instrucije svim mehanizmima imunog sistema da fagocitiraju opasne agense (Skripnjuk Z.).

Čuvanje podataka

Znatan dio posla jednog bioinformatičara se sastoji, pored matematičkih analiza, i iz konsolidovanja i pohranjivanja podataka u indiciranim i povezanim biološkim bazama podataka. Zbunjujuća raznolikost DNK (npr. "Gen bank") i proteinskih baza podataka (npr. "Svis port") širom svijeta, je do sada prouzrokovala redudantno (isti sadržaj na više mjesta) i samim tim greškama sklono pohranjivanje podataka.

Linkovi

• http://www.youtube.com/watch?v=i0lwapuzm28- Skripnjuk Z. Medicinski Fakultet-Skoplje
• http://biowaredb.org Pretraživač publikovanih bioinformatičkih saznanja
• http://harvester.kit.edu Meta pretraživač za gene i proteine čovjeka i miša
• http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Entrez Pretraživač ENTREZ
• http://www.geneontology.org Gen-ontološki konzorcijum
• http://www.uni-tuebingen.de/plant.biochemistry/Lehre/infurl.htm Zbirka bioinformatičkih veza
• http://www.zbi.uni-saarland.de Institut za bioinformatiku univerziteta Sarland
• http://www.bioinformatik.de Bioinformatički internet katalog
• http://www.bigwiki.de Informacije za studente bioinformatike (viki)
• http://www.expasy.org -{ExPASy}- baza podataka švajcarskog instituta za bioinformatiku
• http://www.informodijagnostika.com - praktična primjena bioinformacionih tehnologija

U Wikimedijinom spremniku nalazi se još materijala vezanih uz temu:

Bioinformatika