Что такое Биоинформатика Лунева А И Факультет Биоинженерии

Что такое Биоинформатика? Лунева А. И. Факультет Биоинженерии и Биоинформатики По материалам лекций С. А. Спирина, А. Б. Рахманиновой, А. В. Алексеевского

"Биоинформатика – это способ заниматься биологией, не наблюдая живые существа, как зоологи, не делая опытов в пробирке, как экспериментальные биологи, а анализируя результаты массовых данных или целых проектов" Михаил Гельфанд Профессор факультета биоинженерии биоинформатики МГУ, доктор биологических наук, зам. директора по науке ИППИ РАН

Что такое биоинформатика? l l l Исследование информационных процессов в биологических системах (клетках, организме, популяции) Изучение и внедрение в компьютерную науку «биологических» методов анализа информации (нейросетей, генетических алгоритмов, др. ) Применение компьютерных методов для решения биологических задач Биоинформатика = вычислительная молекулярная биология

Основные объекты современной биоинформатики • • • Последовательности нуклеиновых кислот и белков Пространственные структуры макромолекул (белков, ДНК и РНК) и их комплексов друг с другом и с малыми молекулами Массовые экспериментальные данные

ь ь ь Задачи биоинформатики Создание компьютерных программ для облегчения работы с большими объемами биологических данных. l Создание банка данных аминокислотных последовательностей Анализ и интерпретация данных о нуклеотидных и аминокислотных последовательностей. l Алгоритмы сравнения (выравнивания) последовательностей l Реконструкция филогенетических деревьев Анализ и интерпретация данных о структуре молекул белков, структуре комплексов молекул белков с другими молекулами. l Изучение структуры активного центра белка

Биоинформатика и её связи с другими дисциплинами Информатика (в том числе теория алгоритмов) Теория вероятностей и математическая статистика Биоинформатика (компьютерная молекулярная биология) Молекулярная биология

Методы работы l Доступ к банкам через Интернет l Использование специальных программ online l Использование стандартных (e. g. Excel) и специальных программ на сервере института или на персональном компьютере l Создание собственных скриптов ( «сценариев» ) и программ

Банки данных l Архивные за содержание каждой записи отвечает её автор-экспериментатор l Курируемые за содержание записей отвечают специальные люди — кураторы l Автоматические записи генерируются компьютерными программами

Банки структурной биологической информации Автоматическая база различных последовательностей НК Архивные базы последовательностей НК Автоматическая база предсказаний последовательностей белков Архивная база пространственных структур макромолекул Курируемая база последовательностей белков Банки семейств белков

Формат PDB-файла HEADER COMPLEX (DNA-BINDING PROTEIN/DNA) 27 -APR-97 1 WET TITLE STRUCTURE OF THE PURR-GUANINE-PURF OPERATOR COMPLEX COMPND MOL_ID: 1; COMPND 2 MOLECULE: PURINE REPRESSOR-GUANINE-PURF-OPERATOR; COMPND 3 CHAIN: A; COMPND 4 MOL_ID: 2; COMPND 5 MOLECULE: DNA (AACGAAAACGTTTTCGT); COMPND 6 CHAIN: B; COMPND 7 ENGINEERED: YES; COMPND 8 BIOLOGICAL_UNIT: HOMODIMER SOURCE MOL_ID: 1; SOURCE 2 ORGANISM_SCIENTIFIC: ESCHERICHIA COLI; SOURCE 3 MOL_ID: 2; SOURCE 4 SYNTHETIC: YES KEYWDS DNA-BINDING REGULATORY PROTEIN, REPRESSOR, KEYWDS 2 COMPLEX (DNA-BINDING PROTEIN/DNA) EXPDTA X-RAY DIFFRACTION AUTHOR M. A. SCHUMACHER, A. GLASFELD, H. ZALKIN, R. G. BRENNAN REVDAT 1 12 -NOV-97 1 WET 0 JRNL AUTH M. A. SCHUMACHER, A. GLASFELD, H. ZALKIN, R. G. BRENNAN JRNL TITL THE X-RAY STRUCTURE OF THE PURR-GUANINE-PURF JRNL TITL 2 OPERATOR COMPLEX REVEALS THE CONTRIBUTIONS OF JRNL TITL 3 COMPLEMENTARY ELECTROSTATIC SURFACES AND A JRNL TITL 4 WATER-MEDIATED HYDROGEN BOND TO COREPRESSOR

Программы работы с 3 Dструктурами l l Ras. Mol (визуализация, подготовка изображений и простейший анализ) Py. Mol (визуализация, качественная подготовка изображений, больше средств анализа)

Визуализация молекулы белка в Py. Mol

Хламидии и хламидиоз l Хламидии – патогенные бактерии l Хламидии живут внутри клеток организма-хозяина (человека) l Хламидии могут персистировать – длительно жить внутри клетки-хозяина l Хламидии “управляют” хозяйской клеткой таким образом, чтобы подавить защитные механизмы клетки-хозяина; в частности, блокируют апоптоз – самоубийство клетки Нужны новые лекарства для лечения хламидиоза!

Что может быть мишенью лекарства против хламидиоза? Потенциальные мишени антибактериального лекарства – белки бактерии

Как найти белки - мишени для лекарства? Задача: найти такие белки хламидии, которые -важны для существования бактерии внутри клетки; например, секретируются (проникают в цитоплазму клетки-хозяина) и подавляют апоптоз; -непохожи на белки человека.

Как найти все белки хламидии и человека? План действий: 1) Секвенируем геном хламидии - эксперимент. Склейка – задача биоинформатики 2) Секвенируем геном человека (уже секвенирован). 3) Предсказываем гены в геноме – биоинформатика 4) «Транслируем» гены – находим аминокислотные последовательности всех белков протеома биоинформатика 5) Предсказываем функции белков “по сходству” биоинформатика

Как выбрать белки-мишени? План действий: 6) Проверяем предсказания: выделяем белки и проверяем всё ли так, как предсказано – эксперимент 7) Определяем на каких стадиях развития бактерии экспрессируется (т. е. производится бактерией) белок – эксперимент с микрочипами, их анализ - биоинформатика l 8) Отбираем белки – потенциальные мишени для лекарств – биология l 9) Определяем пространственную структуру таких белков – много наук участвуют, очень непростое дело.

Как найти химические соединения – потенциальные кандидаты для создания лекарств? План действий: 10) Подбираем на компьютере химические соединения, связывающиеся с белком в районе активного центра белка – биоинформатика Активный центр – та часть молекулы, которая взаимодействует с др. молекулами для выполнения белком его основной функции 11) Синтезируем отобранные химические соединения – химия 12) Проверяем действие химических соединений а) на хламидии; б) на животных (мышей) и отбираем перспективные для создания лекарства – биология, фармакология. ВОТ и ВСЕ!

Спасибо за внимание !