Bioinformatika

DNK sekvencijalna analiza

Bioinformatika (grč. bios = život + informatika) jeste nauka koja se bavi bioinformacijskim procesima i pojavama u živim ćelijama pri informacijskom djelovanju svjetlosti - elektromagnetnih talasa, jonizirajućeg zračenja, bakterija ili virusa, biološki aktivnih i materija hemijske prirode, mehanizmima prijema i obrade informacija na ćelijskom nivou, međućelijskoj komunikaciji kao i prijenosom, čuvanjem, organizacijom, analizom i praktičnom primjenom na živim organizmima.

Historijat

Nobelovac Claude E. Shannon nazvan je "ocem informatičke teorije". On je pokazao da Booleova algebra može konstruirati i riješiti bilo koju logičku ili brojčanu relaciju. Njegov značaj za razvoj bioinformatike je ogroman.

Prvi bioinformatički programi bili su razvijeni za sekvencijalnu analizu DNK.

Posljednja naučna bioinformatička istraživanja usmjerena su na ćeliju i međućelijske komunikacije. Takva istraživanja, uporedo s istraživanjima genetičara koja su posvećena proučavanju mehanizama nasljednih 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 Hahnemann (1755-1843) među prvima je uočio utjecaj informacija na ćelije čovjeka.

Unazad 30 godina veoma aktivno se proučavaju principi djelovanja bioloških materija na izolirane organe kod ljudi i životinja, s posebnim naglaskom na informaciono stanje ćelija. Utvrđeno je da hemijske molekule utječu na ćelijsku strukturu, kako neposrednim kontaktom, tako i indirektnim djelovanjem. U svim eksperimentima, biološki efekat na ćelije zavisio je ne samo od doza postojećih materija i njihovih energija već i od kvaliteta informacije, tj. informacione komponente. Ćelija je jasno reagirala na strukturu informacionog polja materije, pri čemu prenošenje signala nije zavisilo od količine (materijalne doze) hemijske supstance i energije.

U međuvremenu, bioinformatika se upotrebljava i u farmaciji, za proračun prognoze proteinskih struktura i interakcije. Simulacija i proračun bioloških eksperimenata i podataka naziva se i in silico proračun. Tu se radi prvenstveno o brzom pronalaženju ponovljenih dijelova (šablona) u veoma dugim DNK-sekvencama i rješavanje problema preklapanja i pozicioniranja dviju ili više sekvenci da bi se dobila njihova najveća podudarnost. Primjenu u toj oblasti našli su algoritmi dinamičnog i metodološkog programiranja. Kod bioloških hipoteza rijetko se 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, engl. gene prediction).

Naučna istraživanja

Glavni problemi bioinformatike kao naučnog pravca jesu:

• istraživanje molekularnih i ćelijskih mehanizama detektiranja prijema pojedinačnih 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 čovjekovom organizmu i šire gledano u organizmima životinja, biljaka, mikroorganizama i virusa;
• istraživanje mehanizama prevođenja informacija s jednog biološkog jezika na drugi;
• istraživanje invarijantnosti informacionih poruka;
• istraživanje strukture i funkcija kanala za prijenos informacija u organizmima čovjeka, životinja, biljaka, mikroorganizama i virusa;
• istraživanje mehanizama bilježenja (pamćenja) i čuvanja (memoriziranja) informacija;
• istraživanje mehanizama obrade i interakcije među informacijama;
• istraživanje mehanizama generiranja biološkog odgovora na informacione signale i poruke (elektromehanička sprega);
• istraživanje uloge i mehanizama stvaranja povratnih veza u živim sistemima;
• istraživanje dinamike informacionih poruka u živim sistemima.

U današnje vrijeme proučeni su 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 nalaze se u citoplazmi. Ispitivana je uloga različitih sekundarnih posrednika u mehanizmu prenošenja informacija koje prima plazmatska membrana uz djelovanje medijatora i hormona, peptida na unutarćelijske strukture.

Proučavanje bioloških jezika počinje od proučavanja ″slova", ″glasova", ″riječi" i ″rečenica". Svaka ćelija ″zna" nekoliko jezika. Dobro su proučeni jezici molekula DNK, RNK, bjelančevina. ″Slova" jezika RNK predstavljaju nukleotidi: adenin, citozin, guanin i uracil. ″Riječi" jezika DNK i RNK sastoje se od tri slova – tripleta nukleotida. ″Rečenice" gena sastoje se od različitog broja ″riječi". ″Abeceda" jezika bjelančevina sastoji se od 20 ″slova" – aminokiselina. Dešifriranjem genetskog koda utvrđeno je da svakom ″slovu" jezika bjelančevina odgovara ″riječ" jezika RNK – tripletu nukleotida. U jeziku bioloških membrana ″slova" su sekundarni posrednici: ioni kalcija, ciklični nukleotidi, diacilglicerin, inozitoltrifosfat. ″Slova" jezika međućelijske i međuorganske komunikacije predstavljaju primarne posrednike: medijatore, hormone, biološki aktivne materije. Biološke informacije mogu prenositi 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 ″riječi". U posljednje vrijeme učinjen je pokušaj proučavanja fonetike, morfologije i sintakse ćelijskih jezika.

Istraživani su struktura i funkcije kanala za prenos informacija u organizmu čovjeka i životinja, mehanizmi memoriziranja, mehanizmi generiranja biološkog odgovora na informacione signale, mehanizmi stvaranja povratnih veza u živim sistemima.

Još uvijek 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 s veoma važnim dijelovima 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. Prijenos tih programa ćelijama organizma pomoću pogodnog nosača informacija omogućuje ćelijama da uspostave razmjenu materija, energije i informacija u organizmu čovjeka, usljed čega dolazi do liječenja i ozdravljenja.

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

Praktična primjena

Primjenom naučnih saznanja iz bioinformatike u dijagnostičke svrhe masovno se primjenjuju elektrokardiogram (EKG), elektromiogram (EMG), elektroencefalogram (EEG) i oni predstavljaju zlatni standard u dijagnostici vitalnih organa. Razvojem kompjuterske tehnologije nastala je posebna grupa dijagnostičkih aparata za čitavo tijelo i sve čovjekove organe i sisteme. Posebno se izdvaja ukrajinski dijagnostički kompjutersko-softverski kompleks "PSI Vektor DiaKor".

Informodijagnostika

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

Primjenom naučnih saznanja iz bioinformatike u dijagnostici srca (EKG), mozga (EEG), razvojem informatičkih tehnologija, kompjutera itd. nastalo je dosta softverskih uređaja namijenjenih funkcionalnoj dijagnostici cjelokupnog čovjekovog organizma. Njemački ljekar Reinhold Voll (1909-1989) otkrio je i definirao neinvazivnu metodu kojom se precizno može izmjeriti akcioni membranski potencijal ćelija organa i sistema.

Informoterapija

Informoterapija razrađuje metode terapijske i preventivne primjene informacija, pri čemu više pažnje posvećuje patogenetskom i terapijskom djelovanju informacija, a bioinformatika teorijskim, praktičnim i eksperimentalnim problemima razmjene informacija u živim sistemima.

Informoterapija predstavlja jedno od praktičnih dostignuća u primjeni bioinformacionih tehnologija, pri čemu se terapijska metoda koristi u cilju informacione regulacije zdravstvenog stanja.

Informoterapija proučava:

• utjecaj informacija na fiziološke, biohemijske, biofizičke i patološke procese u organizmu čovjeka i životinja
• procese prijema, kodiranja, čuvanja, dekodiranja i korištenja informacija.

Naučno obrazloženje informacione terapije nastalo je sredinom 80-ih godina 20. vijeka, pri čemu prioritet u svijetu imaju ukrajinski naučnici.

Osnova informacione terapije sastoji se, prije svega, u korištenju usmjerenog informacionog toka koji primaju određene ćelijske strukture. Usmjereni informacioni tok dovodi do procesa stvaranja endogenih materija u organizmu, koje reguliraju homeostazu. Takav efekt postiže se tzv. mikrogeneratorima, u kojima se nalaze mikrobioprocesori s memoriziranim informacijama matičnih ćelija. Terapijsku informaciju prenose odgovarajući informonosači bez dodatnog utroška energije. Takve bioinformacije malo zavise od doze. Njih primaju bolesne ćelije, usljed čega se ponovo uspostavlja njihovo normalno funkcionalno stanje. Informoterapijom se aktiviraju unutrašnje rezerve organizma i njegovi energetski resursi sintetizirani intracelularno u vidu visokoenergetskih materija. Korištenje informacionih mehanizama terapijskog djelovanja na ljudski organizam prvi je put primijenjeno nakon Černobilske katastrofe.

U poređenju s farmakoterapijom i fizioterapijom, gdje se koriste kompleksne i dozirane materije ili energije, u informacionoj terapiji efekti liječenja postižu se informacionim djelovanjem zdravih matičnih ćelija na bolesne i oštećene ćelije, dijelove organa ili sistema. Informoterapiju ne karakterizira informacioni utjecaj na cio organizam, pa čak ne ni na pojedine organe, već selektivno samo na određene ćelije koje se nalaze u stanju disfunkcije i oštećenja (Z. Skripnjuk).

Terapijsko djelovanje informacionog polja zavisi samo od toga u kolikoj mjeri ono odgovara informacionom biopolju nekog konkretnog organa njegovim ćelijama. Teoretski, metode informoterapije efikasne su kod liječenja bilo kojih oboljenja, jer je riječ o ponovnom uspostavljanju informacione sposobnosti raznih organa da razmjenjuju informacije na ćelijskom nivou, a one mogu biti promijenjene, poremećene i čak djelomično izgubljene. U ovom je slučaju terapijski efekat određen granicama u okviru kojih se odvija prijem informacije od strane ćelija raznih organa, što se može uporediti a povratnom reakcijom čovjeka na djelovanje riječi prepoznatljivog i neprepoznatljivog smisla.

Prema tome, maksimalni terapijski efekat moguć je samo pri kompleksnom korigiranju mehanizama koji održavaju homeostazu, i to nervnog i humoralnog sistema koji su vezani za razmjenu električne i hemijskomaterijalne energije, kao i ″trećeg regulacionog sistema" – informacionog.

Primjenom informacionih terapija moguće je uspješno liječiti sve viruse i zaustaviti kancerogenezu u ranom stadiju, pri čemu se jasno definiranim bioinformacijama daju precizne instrukcije svim mehanizmima imunog sistema da fagocitiraju opasne agense (Z. Skripnjuk).

Čuvanje podataka

Znatan dio posla jednog bioinformatičara sastoji se, pored matematičkih analiza, i iz konsolidiranja i pohranjivanja podataka u indiciranim i povezanim biološkim bazama podataka. Zbunjujuća raznolikost DNK i proteinskih baza podataka širom svijeta dosad je prouzrokovala redudantno (isti sadržaj na više mjesta) i samim tim greškama sklono pohranjivanje podataka.

Linkovi

• Z. Skripnjuk, Medicinski fakultet, Skoplje
• Pretraživač publiciranih bioinformatičkih saznanja
• Metapretraživač za gene i proteine čovjeka i miša
• Pretraživač ENTREZ
• Genontološki konzorcij
• Zbirka bioinformatičkih veza
• Institut za bioinformatiku Univerziteta Saarland
• Bioinformatički internet katalog
• Informacije za studente bioinformatike (viki)
• Baza podataka Švicarskog instituta za bioinformatiku (ExPASy)
• Praktična primjena bioinformacionih tehnologija