|
|
|
Bioinformatika - računalna enciklopedija života
|
Kako raste naše znanje o životnim i staničnim procesima na molekulskoj razini, rastu i mogućnosti da čim prije otkrijemo sve genetske promjene, ali i da ih liječimo i, nadaju se znanstvenici, u budućnosti i spriječimo. Ključnu ulogu u tome igra posebna znanost - bioinformatika
Piše: Dražen Jurman
Objavljeno u pcchip 137
Kako čovječanstvo grabi velikim koracima naprijed, razvija se svaka grana našeg društva. Velike promjene u zadnjih dvadesetak godina doživljava medicina, premda to još nije ništa naprema onome što se od nje očekuje. Naime, kako raste naše znanje o životnim i staničnim procesima na molekulskoj razini, rastu i mogućnosti da čim prije otkrijemo sve genetske promjene, ali i da ih liječimo i, nadaju se znanstvenici, u budućnosti i spriječimo. Jednako je važno znanje o procesima koji se na genetskom nivou događaju u virusima i bakterijama, koji se konstantno razvijaju i evoluiraju, stvarajući otpornost prema lijekovima i antibioticima. Želja je znanstvenika da daljnjim istraživanjima otkriju kako se ponašaju pojedini virusi i bakterije, zašto dolazi do određenih malignih i genetskih bolesti i kako sve to skupa spriječiti i unaprijediti medicinu na način da broj neizlječivih i/ili smrtnih bolesti bude što manji.
Biomedicina
Najvažnija znanost koja bi nam to mogla omogućiti je biomedicina, multidisciplinarna znanost koja istražuje biološke procese u tijelu i stanicama s kemijskog, molekularnog, staničnog, fiziološkog i medicinskog aspekta. Definicija je široka, ali je biomedicina još šira znanost, u kojoj, mnogi će reći, leži budućnost. Naime, u biomedicinskim istraživanjima ne pokušavaju se pronaći samo lijekovi za određene bolesti ili antibiotici za viruse i bakterije, već se pokušavaju dekodirati životni i stanični procesi na molekularnoj i genetskoj razini. Time bi pak mogli otkriti koji su geni odgovorni za određene procese ili bolesti, na primjer debljanje ili za rak. Osim toga, cilja se i na otkrivanje kako se prenose genetski nasljedne bolesti, kako ih uopće detektirati i liječiti.
Biomedicinska istraživanja rezultirala su gomilom podataka o genetici, kompleksnim genomskim analizama, strukturama i sekvencama proteina i tako dalje. Najveći uspjeh biomedicine je sigurno Human Genom Project, odnosno mapa ljudskog genoma (genom je sveukupna DNA unutar jedne stanice, bez obzira na funkciju, građu i aktivnost), koja je svojevrsna karta prema medicini budućnosti. A da bi Human Genom Project (HUGO), o kome ćemo detaljnije pisati malo kasnije, uopće bio dovršen, trebalo je obraditi ogromnu količinu podataka. Upravo ta spominjana količina, ali i raznolikost podataka nastala kao proizvod istraživanja biomedicine zahtijevala je moderan sustav prikupljanja, spremanja, obrade i dijeljenja tih podataka među znanstvenicima i institucijama. Naravno, najlakši način za to je automatska obrada, pa je spojem informacijske tehnologije, računalnih znanosti i biomedicine nastala nova znanstvena disciplina – bioinformatika.
Brojne definicije
Samu bioinformatiku je teško definirati, jer ćete i kratkim surfanjem naći barem pet definicija. Najšira definicija kaže da se radi o svakoj primjerni informatike i informacijskih tehnologija u biologiji. Američki National Center for Biotechnology Information, najveća bioinformatička institucija u Americi također postavlja široku definiciju koja kaže da je bioinformatika znanstvena disciplina u kojoj se biologija, računalne znanosti i informacijske tehnologije objedinjavaju u jednu disciplinu. Međutim, ona najšire prihvaćena definicija u Europi, koja se i nama čini najboljim objašnjenjem bioinformatike kaže da je to interdisciplinarna i multidisciplinarna znanost koja uključuje biologiju, informacijsku tehnologiju, računalnu znanost, matematiku i statistiku za analizu bioloških podataka o sljedovima, sadržaju i organizaciji genoma i predviđa strukture i funkcije makromolekula te spaja proučavanje strukture i funkcije bioloških informacija sa analitičkom teorijom i praktičnim znanjima informatike i matematike.
Kako ova definicija zvuči previše stručno, pokušajmo objasniti stvari jednostavnijim jezikom. Svako (biomedicinsko) istraživanje završava određenim rezultatima, spoznajama, podacima, koji su, sami za sebe, zanimljivi i korisni, ali njihovo pravo značenje može se utvrditi tek kada se usporede s različitim drugim rezultatima istraživanja i kada se mogu obraditi na način da se iz njih izvlače kvalitetni, argumentirani i dokazivi zaključci. Stoga se ti rezultati, i sve ostale informacije koje su bile bitne za istraživanje, spremaju u baze podataka. Zadatak bioinformatike je da razvije nove ili održava stare baze podataka s tim informacijama, kao i da razvija nove načine na koje se informacije pohranjuju, analiziraju, obrađuju i dalje dijele. To omogućava znanstvenicima pristup svim podacima, kako bi ih lako mogli usporediti s vlastitim istraživanjima.
Poddiscipline bioinformatike
Dodajmo još da uz spomenute, postoje i različite definicije bioinformatike promatrano s aspekta osoba koje pripadaju određenom području istraživanja, bilo da se radi o informatičkoj tehnologiji, biologiji, biotehnologiji ili na primjer farmaceutskoj industriji.
Kako postoje brojne definicije, tako postoji i brojne poddisciplne, odnosno primjene bioinformatike. Najznačajnije su analiza i interpretacija različitih tipova podataka, uključujući nukleotidne i aminokiselinske sekvence, proteinske domene i strukture proteina, zatim razvoj novih algoritama i statistike kojima se određuju veze između različitih podataka u istom i drugim istraživanjima, te razvoj i implementacija alata koji omogućuju učinkovit pristup različitim tipovima podataka kao i njihovo učinkovito analiziranje i upravljanje. Svaka od tih poddisciplina jednako je važna, bez obzira na to koliko su zapravo međusobno različite i koliko su različita polja koja pokriva pojedina poddisciplina.
HUGO
Možda bioinformatika po definiciji nekima ne zvuči kao nešto spektakularno, ali koristi koje je ta grana znanosti donijela i koje će tek donijeti su gotovo nemjerljive. Jedan od najpoznatijih uspjeha biomedicine, ali i bioinformatike, je mapiranje ljudskog genoma (Human Genom Project ili HUGO). S obzirom na to da je objašnjenje projekta HUGO idealno da objasnimo i neke pojmove vezena za primjenu bioinformatike, pozabavit ćemo se malo ovih povijesnim projektom. Njegov cilj je bio izrada detaljnih fizičkih mapi za svaki ljudski kromosom, kako bi se olakšala identifikacija oko 100 tisuća gena i slijeda oko 3.2 milijarde parova baza DNA, koliko ih svaka ljudska stanica sadrži u genomu čovjeka, identifikacija sekvence baza svakog od pretpostavljenih 100 tisuća gena te razvoj dijagnoze, liječenja i prevencija poremećaja koji imaju genetsku osnovu. Human genom project je međunarodno koordinirani projekt započet 1990. godine, a planirano trajanje bilo je minimalno 15 godina. Međutim, upravo razvojem i ulogom bioinformatike je proces završen 2003. godine, a uz ispunjenje svog cilja, projekt je donio i brojna druga saznanja o načinu na koji funkcionira ljudsko tijelo na genetskoj razini. Mnoga od tih saznanja su više nego zanimljiva svima, pa je tako projekt pokazao da je broj ljudskih gena zapravo oko 30 tisuća, a ne očekivanih 100 tisuća. To je samo dvostruko više nego kod jednog organizma kao što je vinska mušica i samo 300 više nego kod miša!
Važnost projekta HUGO
Projekt HUGO realiziran je tako da je sekvenciran svaki od 46 ljudskih kromosoma zasebno. Izraz sekvencirati zapravo znači odrediti slijed nukleotida ili baza za svaki kromosom. Naime, svaki kromosom sastavljen je od molekula DNA ili deoksiribonukleinske kiseline, koja je nositelj svih naših gena. Informacije kodirane u DNA određuje strukturu proteina, koji zatim definiraju strukturu i ulogu stanica koje su osnova svakog organizma. Molekula DNA sastoji se od četiri baze koje se označavaju slovima - A, G, C i T (adenin, gvanin, citozin i timin ). One su zajedničke za sva živa bića, od najjednostavnijih virusa i bakterija pa sve do čovjeka, a jedina razlika je u njihovom rasporedu i broju.
Genom je sekvenciran tako da je kromosomska DNA, uz pomoć posebnih enzima, razdvojena na manje dijelove, kojima se onda određuje niz baza. Ta se tehnika zove Sangreovo sekvencioniranje, prema dvostrukom dobitniku Nobelove nagrade Fredericku Sangeru, koji je i razvio postupak. Nakon što bi se dobila sekvenca komadića DNA, na scenu bi stupila bioinformatika, jer bi se sekvenca pomoću kompjutera slagala u pravilan redoslijed (sastavljanje sekvenci) koji odgovara stvarnom stanju na kromosomu. Procedura je rađena za sve kromosome, da bi se na kraju dobila mapa ljudskog genoma.
Glavne primjene bioinformatike
Uz definicije i poddiscipline, jednako brojne i različite, ali i važne su primjene bioinformatike. Primjene bioinformatike šire se gotovo svakodnevno, ali nekoliko od njih nose titulu prvih među jednakima. To su prije svega sastavljanje sekvenci i analiza sekvenci. Sastavljanje sekvenci su upravo objasnili na primjeru projekta HUGO, dok je analiza sekvenci (često ćete naći i izraz analiza slijeda) sljedeći korak. Naime, kada je utvrđena sekvenca dijela genoma, potrebno je utvrditi koja je funkcija gena. Primjene analize sekvenci su brojne, a vjerojatno najvažnija od njih je u farmakogenomici, znanosti koja proučava kako genetsko naslijeđe osobe utječe na odgovor tijela na različite vrste i doze lijekova, izuzetno je važna jer će znanstvenicima omogućiti da, poznavajući genetski kod osobe, mogu u ranoj dobi preporučiti pravilnu ishranu, životni stil i promjenu okoliša kako bi se spriječio nastanak genetske bolesti. Osim toga, analiziranje genetskih predizpozicija za neku bolest omogućit će da utvrdi terapija prije pojave bolesti ili pak najbolja terapija ovisno o stadiju bolesti, pa se o farmakogenomici često govori kao o znanosti stvaranja personaliziranih lijekova i terapija.
Proteomics
Uz sastavljanje sekvenci i njihovu analizu, važna primjena bioinformatike je otkrivanje položaja i funkcije svakog ljudskog gena, odnosno strukture i funkcije njegovog proteinskog produkta. Radi se o relativno novoj primjeni bioinformatike, koja se često naziva i proteomics. Važnost ove primjene leži u činjenici da se pronalaženjem veze između genske ekspresije (stvaranja proteina kao produkta gena), odnosno njenog poremećaja i pojedinih faza bolesti mogu utvrditi načini i ciljevi provođenja terapije, prije svega mete lijekova i genska terapija. Genska terapija je postupak koji omogućava da se u stanice s oštećenim ili defektnim genom unese odgovarajući ispravni gen, kako bi se liječile određene bolesti. To su prije svega monogenska bolesti, koje uzrokuje promijenjena funkcija jednog gena, poput cistične fibroze, hemofilije ili srpaste anemije. Također se može primjenjivati i u liječenju nekih multigenskih bolesti (bolesti uzrokovane promijenjenim djelovanjem više gena), kao što su neke kardiovaskularne bolesti ili dijabetes. Genska terapija tek je u svojim začecima, i hoće li i kako zaživiti u budućnosti još se ne zna, prvenstveno radi opasnosti koje nosi, ali su njeni potencijali veliki.
Baze podataka
Do sada smo naveli gotovo sve najvažnije primjene bioinformatike. Ostala je još jedna, ona po kojoj ovu znanost prepoznaje većina ljudi. Radi se o bazama podataka o genetici, kompleksnim genomskim analizama, strukturama i sekvencama proteina i tako dalje. Na taj način znanstvenici širom svijeta mogu pristupiti brojnim podacima i rezultatima različitih istraživanja i usporediti ih s vlastitim. Pri tome veliku važnost ima razvoj i unaprjeđenje algoritama za usporedbu sekvenci i pronalazak sličnih sekvenci. Tako, na primjer, znanstvenici mogu usporediti novoutvrđene sekvence sa onima iz drugih istraživanje i tako utvrditi razlike između vrsta i utvrditi kako se sekvence razvijaju i razlikuju kroz evoluciju. Tako je utvrđeno da naša genetski najbliža vrsta ima genom koji je 98,4 posto identičan ljudskom. Radi se o čimpanzi, odnosno pripadniku te vrste imenom bonobo.
Bioinformatičke baze podataka stvaraju i održavaju različite znanstvene institucije i sveučilišta, te biotehnološke kompanije. Svi podaci u tim bazama dostupni su na Internetu, a pristup mnogima od njih, prije svega onima ustanovljenim od strane sveučilišta i znanstvenih institucija je besplatan. S druge strane, pristup bazama biotehnoloških kompanija većinom se plaća.
Tipovi baza
Sve baze podataka mogu se svrstati u tri grupe. To su baze podataka primarne sekvence (nukleinskih kiselina, gena i proteina), kompozitne baze podataka (koje objedinjavaju rezultate pretraživanja više baza primarne sekvence) te sekundarne baze podataka. One su pak izvedene iz primarnih i sadrže podatke prema kojima je moguće odrediti kojoj vrsti (porodici) proteina pripada analizirani uzorak i slično.
Nekoliko je najpoznatijih bioinformatičkih baza podataka u svijetu. Ono što raduje je činjenica da su većina najvećih i najpoznatijih nastale kao produkt zajedničkog djelovanja instituta i istraživačkih centara iz cijelog svijeta, pa je lijepo vidjeti međunarodnu suradnju barem u jednom dijelu stvari koje svijet čine boljim mjestom. Jedna od njih je GenBank, otvorena i besplatna baza podataka koja je nastala u suradnji američkog National Center for Biotechnology Information (NCBI) i europskog European Molecular Biology Laboratory (EMBL) sa European Bioinformatics Institute (EBI). Treba reći da je dio GenBanka i japanska DNA Data Bank of Japan (DDBJ). GenBank je jedna od najvećih baza podataka bioinformatike, čiji se sadržaj udvostruči svakih 10 do 12 mjeseci. Inače, i European Bioinformatics Institute ima svoju vlastitu bazu podataka, koju podržava i u njenoj izradi sudjeluje čak 19 europskih zemalja.
Još jedna euro baza bioinformatike je Swiss-Prot, koju financira švicarski National Institutes of Health. Radi se o bazi primarnih sekvenci koja sadrži sekvence proteina i nukleinskih kiselina, ali i predstavlja osnovu za najveći broj sekundarnih baza podataka.
Biomedicina i bioinformatika grane su znanosti u kojima leži budućnost. Međutim, preduvjet da se ona ostvari su sposobni i obučeni kadrovi. Dok u Europi postoji nekoliko elitnih studija biomedicine (čiji su studenti bili od velike pomoći prilikom pisanja ovog teksta), bioinformatičara nedostaje. Stoga je jasno da će svi koji se odluče za tu granu znanosti biti traženi i cijenjeni, a kombiniranje biologije i informatike nije samo zanimljivo, već i zabavno, ali i profitabilno. Ukaže li vam se prilika za obrazovanje i/ili rad u ovoj grani, ne propustite je!
IZDVOJENO
Genetska privatnost
U prošlom broju pc chipa obradili smo pravo na privatnost u sklopu teme broja. U tekstu smo naglasili i da se na zapadu danas pojavljuje novi problem, zaštita genetske privatnosti. Naime, razvoj biomedicine i bioinformatike omogućit će da se tjelesnim pregledom pojedine osobe analizira njen temeljni genetski materijal, a na taj način moguće je ustanoviti ne samo sadašnje ili prošlo stanje, nego i predispozicije ili eventualno buduće zdravlje osobe. Predviđanja govore da će se kroz koju godinu za male svote novca moći nabaviti test koji učinkovito identificira genetske poremećaje. Potencijalni poslodavci tako će uvidom u te podatke moći vidjeti koliko je netko sklon obolijevanju i tako odlučiti koga će zaposliti, što otvara potpuno novu granu genetske diskriminacije. Osim toga, neka osiguravajuća društva već danas odbijaju osigurati osobe koje imaju genetske predispozicije za nasljedne ili opasne bolesti.
Takve zloupotrebe su zapravo negativna posljedica razvoja bioinformatike i problem koji će čim prije trebati riješiti. Najbolji način za to bit će donošenje posebnog zakona o genetičkoj privatnosti, koji će strogo ograničavati dostupnost i mogućnost manipulacije genetskim informacija pojedinca, te će sprječavati ali i vrlo strogo sankcionirati sve zloupotrebe.
IZDVOJENO
Timeline budućnosti
Biomedicina i bioinformatika napravit ću pravu revoluciju u sljedećih 20-ak godina. Francis Collins, ravnatelj američkog National Human Genome Research Institute, napravio je mali timeline budućnosti ovih grana znanosti.
Do 2010.
- Genetsko testiranje desetaka različitih stanja
- Brojne javne rasprave oko genetske analize embrija
- Učinkoviti zakoni protiv genske diskriminacije
Do 2020.
- Liječenje karcinoma na temelju genetske analize tumora
- Medicina prilagođena bolesnicima, na temelju genetskih testova
- Bolje metode genetske modifikacije stanica učinit će sigurnijim genetske terapije zametaka (što ne mora značiti da će se one i provoditi)
Do 2030.
- Sveukupna genetska zdravstvena zaštita
- Prosječna životna dob bit će 90 godina
- Vodit će se ozbiljne javne rasprave oko pitanja o preuzimanju nadzora nad evolucijom i stvaranju dizajniranih beba
hr.digg|prijavi |
23 Nov 2006 by DeeJay
|
2 comments
|
|
| by Liby @ 23 Nov 2006 01:01 pm |
| Tekst me podsjetio na, ako se dobro sjećam, scenu iz Zvjezdanih staza kada je Data ostao šokiran prijedlogom jedinke iz prošlih vremena da se njegov pacijent operira. Odreagirao je u stilu: "Da razrežemo čovjeka?! Ne dolazi u obzir! To se sada tako ne radi." :) |
| by DC @ 30 Nov 2006 11:27 am |
Väldigt intressant tema, måste jag erkänna. Good work.
ps. Jag ser att du har många kvinnliga beundrare, D. =) |
|
Starije tekstove iz rubrike
Razno, pisane 2005. godine i ranije možete naći u arhivi.
|
|
