Vi fortæller om fremtidens mennesker, der afkoder organisk big data. I løbet af de sidste to årtier er mængden af biologiske data, der kan analyseres, steget mange gange, takket være at menneskets genom er blevet afkodet. Før dette kunne vi slet ikke forestille os, at informationen, der bogstaveligt talt findes i vores blod, ville kunne bestemme vores oprindelse, kontrollere, hvordan kroppen reagerer på bestemte lægemidler og endda ændre vores biologiske arv.
Denne og andre artikler publiceres først i på vores website. God fornøjelse med læsningen.
Attributterne for en gennemsnitlig bioinformatiker er de samme som en programmør — røde øjne, en krum ryg og spor af kaffekopper på skrivebordet. Men bag dette skrivebord arbejdes der ikke med abstrakte algoritmer og kommandoer, men med naturens egen kode, som kan fortælle os meget om os selv og verden omkring os.
Specialister inden for dette område arbejder med enorme datamængder (for eksempel fylder resultaterne fra sekventering af en enkelt persons genom omkring 100 gigabyte). Derfor kræver behandlingen af sådan et datavolumen metoder og værktøjer fra Data Science. Det er logisk, at en succesfuld bioinformatiker skal have kendskab til både biologi og kemi, men også til dataanalysemetoder, statistik og matematik — dette gør hans profession temmelig sjælden og eftertragtet. Sådanne specialister er særligt efterspurgte inden for innovativ medicin og lægemiddeludvikling. Teknologigiganter som IBM og Intel , der er dedikeret til studiet af bioinformatik.
Hvad skal der til for at blive bioinformatiker?
- Biologi og kemi (universitetsniveau);
- Matematisk statistik, lineær algebra, sandsynlighedsteori;
- Programmeringssprog (Python og R, ofte også C++);
- For strukturel bioinformatik: forståelse af matematisk analyse og teori om differentialligninger.
Man kan træde ind i bioinformatikfeltet med en biologisk baggrund eller med kendskab til programmering og matematik. For førstnævnte kan det være passende at arbejde med etablerede bioinformatikprogrammer, mens sidstnævnte har en mere algoritmisk profil af specialet.
Hvad laver bioinformatikere?
Moderne bioinformatik opdeles i to hovedretninger - strukturel bioinformatik og sekvensbioinformatik. I det første tilfælde ser vi en person, der sidder foran en computer og kører programmer, der hjælper med at studere biologiske objekter (f.eks. DNA eller proteiner) i 3D-visualiseringer. De bygger computermodeller, der gør det muligt at forudsige, hvordan et lægemolekyle vil interagere med et protein, hvordan den rumlige struktur af proteinet ser ud i cellen, hvilke egenskaber molekylet har, som forklarer dets interaktioner med cellulære strukturer osv.
Metoder fra strukturel bioinformatik anvendes aktivt både i akademisk forskning og i industrien: det er svært at forestille sig et medicinalfirma, der klarer sig uden sådanne specialister. I de seneste år har computerbaserede metoder betydeligt forenklet processen med at finde potentielle lægemidler, hvilket har gjort medicinaludvikling meget hurtigere og billigere.
RNA-afhængig RNA-polymerase fra SARS-CoV-2 (til venstre) samt dens forbindelse til RNA-dupleksen.
Hvad er et genom?
Genomet er al information om opbygningen af et organisms arv. Praktisk talt alle levende væsener har DNA som deres genom, men der findes organismer, der overfører deres arvelige information i form af RNA. Genomet overføres fra forældre til børn, og i løbet af denne overførselsproces kan der opstå fejl - mutationer.
Interaktionen mellem lægemidlet remdesivir og RNA-afhængig RNA-polymerase fra viruset SARS-CoV-2.
Sekvensbioinformatik arbejder med et højere organisationsniveau af det levende materiale - fra enkelte nukleotider, DNA og gener til hele genomer og deres sammenligninger med hinanden.
Forestil dig en person, der ser et sæt bogstaver fra alfabetet (men ikke et almindeligt, snarere et genetisk eller aminosyre-alfabet) og søger mønstre i dem, idet han eller hun forklarer og bekræfter dem statistisk ved hjælp af computerede metoder. Sekvensbioinformatik forklarer, hvilken mutation der er knyttet til en bestemt sygdom, eller hvorfor der ophobes skadelige stoffer i patientens blod. Udover medicinske data studerer sekvensbioinformatikere mønstre i organismernes udbredelse på jorden, befolkningsforskelle mellem dyregrupper, samt roller og funktioner for specifikke gener. Takket være denne videnskab kan man teste lægemidlers effektivitet og undersøge de biologiske mekanismer, der forklarer deres virkning.
For eksempel har bioinformatisk analyse fundet og beskrevet mutationer, der fører til udviklingen af cystisk fibrose - en monogen sygdom forårsaget af en mutation i genet for en af kloridkanalerne. Desuden ved vi nu meget bedre, hvem der er den nærmeste biologiske slægtning til mennesket, og hvordan vores forfædre spredte sig over planeten. Desuden kan hver person, der får indlæst sit genom, finde ud af, hvor deres slægt kommer fra, og hvilken etnisk gruppe de tilhører. Mange udenlandske (, ) og russiske (, ) tjenester tilbyder denne service til en forholdsvis lav pris (omkring 20.000 rubler).
Resultaterne af DNA-testanalysen for afstamning og befolkningstilknytning fra MyHeritage.
Resultaterne af DNA-testanalysen for befolkningstilknytning fra 23andMe.
Hvordan læses genomet?
I dag er genoms sekventering en rutinemæssig procedure, der vil koste enhver interesseret omkring tusinde rubler (inklusive i Rusland). For at få læst sit genom er det nok bare at afgive blod fra en vene i et specielt laboratorium: efter to uger vil du modtage dit færdige resultat med en detaljeret beskrivelse af dine genetiske egenskaber. Udover dit eget genom kan du også analysere genomerne af tarmmikrobiotaen: du vil lære om bakterierne, der lever i dit fordøjelsessystem, samt få rådgivning fra en professionel diætist.
Genomet kan læses på forskellige måder, og en af de primære metoder i dag er såkaldt "next generation sequencing". Til denne procedure er det nødvendigt først at indsamle biologiske prøver. Genomet er ensartet i hver celle i organismen, derfor tages der oftest blod til at læse genomet (det er det nemmeste). Derefter nedbrydes cellerne, og DNA'et adskilles fra alt det øvrige. Det resulterende DNA klippes i mange små stykker, og der "sys" specielle adaptere — kunstigt syntetiserede kendte sekvenser af nukleotider på hver af dem. Derefter adskilles DNA-strenge, og enkeltstrengede sekvenser forbindes med adapterne til en speciel plade, hvor sekvenseringen finder sted. Under sekvenseringen tilføjes komplementære fluorescerende mærkede nukleotider til DNA-sekvensen. Hver mærkede nukleotid udsender en lysstråle af en bestemt bølgelængde ved tilknytning, som registreres på en computer. På denne måde læser computeren de korte sekvenser af det oprindelige DNA, som derefter samles i det oprindelige genom ved hjælp af specialiserede algoritmer.
Eksempel på data, som bioinformatikere arbejder med: justering af aminosyresekvenser.
Hvor arbejder bioinformatikere, og hvor meget tjener de?
Vejen for en bioinformatiker opdeles traditionelt i to hovedområder — industri og videnskab. Karrieren for en bioinformatiker, der arbejder inden for videnskab, begynder typisk med en postdoc-stilling på et af de store institutter. I starten får bioinformatikere en grundløn, der afhænger af deres institut, antallet af forskningsmidler, de deltager i, samt deres antal af ansættelser — steder, hvor de er officielt ansat. Med tiden stiger antallet af forskningsmidler og ansættelser, og efter et par års arbejde i den akademiske verden får en bioinformatiker uden problemer en gennemsnitsløn (70-80 tusind rubler), men meget afhænger af flid og ihærdighed. De mest erfarne bioinformatikere ender med at starte deres egne laboratorier inden for deres specialiseringsområder.
Hvor kan man studere til at blive bioinformatiker?
- MSU — Fakultetet for bioingeniørvidenskab og bioinformatik
- HSE — Dataanalyse i biologi og medicin (masterprogram)
- MIPT - afdeling for bioinformatik
- Institut for bioinformatik (NPO)
I modsætning til akademiet vil ingen i industrien bruge tid på at træne en medarbejder i de nødvendige færdigheder, så det er ofte sværere at komme ind. Karrierevejen for bioinformatikere i industrien varierer meget afhængigt af deres specialisering og arbejdsplads. I gennemsnit ligger lønnen i dette felt kroner, afhængigt af erfaring og specialisering.
Berømte bioinformatikere
Historien om bioinformatik skal føres tilbage til Frederick Sanger, en engelsk forsker, der modtog Nobelprisen i kemi i 1980 for opdagelsen af metoden til at læse DNA-sekvenser. Siden da er metoderne til at læse sekvenser blevet forbedret hvert år, men Sanger-sekventeringsmetoden har dannet grundlag for al videre forskning på dette område.
Desuden bliver mange programmer, der er udviklet af russiske forskere, i dag bredt anvendt på verdensplan - for eksempel genom-samleren , - St. Petersborg-genom-samleren, der er udviklet ved St. Petersborgs institut, hjælper forskere fra hele verden med at samle korte DNA-sekvenser til større sekvenser for at genopbygge de oprindelige genom af organismer.
Opdagelser og resultater inden for bioinformatik
I dag gør bioinformatikere mange nyttige opdagelser. Det ville ikke have været muligt at udvikle lægemidler mod coronavirus uden at have afkodet dens genom og gennemført komplekse bioinformatiske analyser af de processer, der finder sted under sygdommen. En international af forskere har ved hjælp af metoder inden for komparativ genomik og maskinlæring været i stand til at forstå, hvad coronavirus har til fælles med andre patogener.
Det viste sig, at en af disse træk er en forstærkning af signalerne for nuklear lokalisering (NLS) af patogene vira, der sker under evolutionen. Denne forskning kan være til hjælp i studiet af stammer af vira, der potentielt kan være farlige for mennesker i fremtiden og muligvis starte en forebyggende udvikling af lægemidler.
Derudover har bioinformatikere spillet en central rolle i udviklingen af nye metoder til genredigering, især CRISPR/Cas9-systemet (en teknologi baseret på immunforsvaret ). Takket være bioinformatisk analyse af proteiners datatruktur og deres evolutionære udvikling er præcisionen og effektiviteten af dette system i de seneste år steget markant, hvilket har gjort det muligt at målrettet redigere genomerne af mange organismer (herunder mennesker).
Få en eftertragtet profession fra bunden eller opgradering af færdigheder og løn ved at tage onlinekurser hos SkillFactory:
Flere kurser
Kilde: habr.com
