Wir erzĂ€hlen von den Menschen der Zukunft, die organische Big Data entschlĂŒsseln. In den letzten zwei Jahrzehnten ist die Menge biologischer Daten, die analysiert werden können, dank der EntschlĂŒsselung des menschlichen Genoms exponentiell gewachsen. Zuvor konnten wir uns nicht einmal vorstellen, dass Informationen, die buchstĂ€blich in unserem Blut gespeichert sind, uns helfen könnten, unsere Herkunft zu bestimmen, zu ĂŒberprĂŒfen, wie der Körper auf bestimmte Medikamente reagiert, und sogar unsere biologische Vererbung zu verĂ€ndern.
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Die Merkmale eines durchschnittlichen Bioinformatikers sind die gleichen wie die eines Programmierers â rote Augen, krumme Haltung und Kaffetassenflecken auf dem Schreibtisch. Doch an diesem Schreibtisch wird nicht an abstrakten Algorithmen und Programmen gearbeitet, sondern am Code der Natur selbst, der uns vieles ĂŒber uns und die Welt um uns herum erzĂ€hlen kann.
Spezialisten auf diesem Gebiet haben es mit riesigen Datenmengen zu tun (zum Beispiel belegt die Genomsequenzierung eines einzelnen Menschen etwa 100 Gigabyte). Daher erfordert die Verarbeitung solcher Datenmengen AnsĂ€tze und Werkzeuge aus der Datenwissenschaft. Es liegt auf der Hand, dass ein erfolgreicher Bioinformatiker sowohl in Biologie und Chemie als auch in Methoden der Datenanalyse, Statistik und Mathematik bewandert sein muss â das macht seinen Beruf ziemlich selten und gefragt. Solche Spezialisten sind besonders in den Bereichen der innovativen Medizin und Arzneimittelentwicklung gefragt. Technologieriesen wie IBM und Intel , die sich mit dem Studium der Bioinformatik beschĂ€ftigen.
Was braucht man, um Bioinformatiker zu werden?
- Biologie und Chemie (UniversitÀtsniveau);
- Mathematikstatistik, lineare Algebra, Wahrscheinlichkeitsrechnung;
- Programmiersprachen (Python und R, oft auch C++);
- FĂŒr die strukturelle Bioinformatik: VerstĂ€ndnis des mathematischen Analyse und der Theorie der Differentialgleichungen.
Einstieg in die Bioinformatik ist sowohl mit einem biologischen Hintergrund als auch mit Kenntnissen in Programmierung und Mathematik möglich. FĂŒr Erstere eignet sich die Arbeit mit bestehenden bioinformatischen Programmen, fĂŒr Letztere ein eher algorithmisches Profil der Spezialisierung.
Womit beschÀftigen sich Bioinformatiker?
Moderne Bioinformatik gliedert sich in zwei Hauptzweige â strukturelle Bioinformatik und Sequenzbioinformatik. Im ersten Fall sehen wir einen Menschen, der vor dem Computer sitzt und Programme ausfĂŒhrt, die helfen, biologische Objekte (wie DNA oder Proteine) in 3D-Visualisierungen zu studieren. Sie erstellen Computer-Modelle, die es ermöglichen vorherzusagen, wie ein Medikament mit einem Protein interagiert, wie die rĂ€umliche Struktur eines Proteins in einer Zelle aussieht, welche Eigenschaften die MolekĂŒle haben, die ihre Wechselwirkungen mit Zellstrukturen erklĂ€ren, usw.
Die Methoden der strukturellen Bioinformatik werden sowohl in der akademischen Wissenschaft als auch in der Industrie aktiv eingesetzt: Es ist schwer vorstellbar, dass ein Pharmaunternehmen ohne solche Spezialisten auskommt. In den letzten Jahren haben computerbasierte Methoden den Prozess der Suche nach potenziellen Medikamenten erheblich vereinfacht, wodurch die pharmazeutische Entwicklung wesentlich schneller und kostengĂŒnstiger geworden ist.
Die RNA-abhĂ€ngige RNA-Polymerase SARS-CoV-2 (links) sowie deren Verbindung mit dem RNA-Duplex.Â
Was ist ein Genom?
Ein Genom ist die gesamte Information ĂŒber den Aufbau der Erbsubstanz eines Organismus. Praktisch bei allen lebenden Wesen ist die DNA der TrĂ€ger des Genoms, aber es gibt Organismen, die ihre Erbinformation in Form von RNA ĂŒbermitteln. Das Genom wird von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben, und wĂ€hrend dieses Ăbertragungsprozesses können Fehler â Mutationen â auftreten.
Die Wechselwirkung des Medikaments Remdesivir mit der RNA-abhĂ€ngigen RNA-Polymerase des Virus SARS-CoV-2.Â
Die Sequenzbioinformatik arbeitet auf einer höheren Organisationsebene lebender Materie â von einzelnen Nukleotiden, DNA und Genen bis hin zu ganzen Genomen und deren Vergleich miteinander.
Stellen Sie sich einen Menschen vor, der vor sich eine Gruppe von Buchstaben des Alphabets sieht (aber nicht einfach, sondern genetisch oder amino-sĂ€ureartig) und in ihnen Muster sucht, sie erklĂ€rt und statistisch bestĂ€tigt, unter Verwendung von Computertechniken. Die Bioinformatik der Sequenzen erklĂ€rt, mit welcher Mutation eine bestimmte Krankheit verbunden ist oder warum schĂ€dliche Substanzen im Blut des Patienten angesammelt werden. Neben medizinischen Daten untersuchen Bioinformatiker auch die Muster der Verbreitung von Organismen auf der Erde, populĂ€ren Unterschiede zwischen Tiergruppen, Rollen und Funktionen spezifischer Gene. Dank dieser Wissenschaft kann die Wirksamkeit von Medikamenten geprĂŒft und die biologischen Mechanismen studiert werden, die ihre Wirkungen erklĂ€ren.
Durch bioinformatische Analysen wurden beispielsweise Mutationen entdeckt und beschrieben, die zur Entwicklung von Mukoviszidose fĂŒhren â einer monogenen Erkrankung, die durch das Versagen eines Gens eines der ChloridkanĂ€le verursacht wird. AuĂerdem wissen wir jetzt viel besser, wer der nĂ€chstliegende biologische Verwandte des Menschen ist und wie unsere Vorfahren sich auf dem Planeten verbreitet haben. DarĂŒber hinaus kann jeder Mensch, der sein Genom liest, erfahren, woher seine Familie stammt und zu welcher ethnischen Gruppe er gehört. Viele auslĂ€ndische (, ) und russische (, ) Dienstleistungen bieten diese Dienstleistung zu einem vergleichsweise geringen Preis (etwa 20.000 Rubel) an.
Die Ergebnisse des DNA-Tests zur Herkunft und populÀren Zugehörigkeit von MyHeritage.
Die Ergebnisse des DNA-Tests zur populÀren Zugehörigkeit von 23andMe.
Wie liest man ein Genom?
Heute ist das Sequenzieren des Genoms ein routinemĂ€Ăiges Verfahren, das fĂŒr jeden Interessierten etwa  tausend Rubel kostet (auch in Russland). Um Ihr Genom zu lesen, mĂŒssen Sie einfach in einem speziellen Labor Blut aus einer Vene abgeben: Nach zwei Wochen erhalten Sie das fertige Ergebnis mit einer detaillierten Beschreibung Ihrer genetischen Merkmale. Neben Ihrem Genom können Sie auch die Genome der Mikrobiota im Darm analysieren: Sie erfahren die Eigenschaften der Bakterien, die Ihr Verdauungssystem besiedeln, und erhalten eine Beratung von einem professionellen ErnĂ€hrungsberater.
Das Genom kann mit verschiedenen Methoden gelesen werden, wobei eine der Hauptmethoden heutzutage das sogenannte "Next-Generation-Sequencing" ist. FĂŒr dieses Verfahren mĂŒssen zuerst biologischen Proben entnommen werden. In jeder Zelle des Organismus ist das Genom identisch, daher werden zur Genomlesung meistens Blutproben verwendet (das ist am einfachsten). Danach werden die Zellen zerstört und die DNA wird von allem anderen getrennt. AnschlieĂend wird die erhaltene DNA in viele kleine StĂŒcke zerbrochen und jedes dieser StĂŒcke wird mit speziellen Adaptern versehen â kĂŒnstlich synthetisierten, bekannten Nukleotidsequenzen. Dann werden die DNA-StrĂ€nge getrennt, und die EinzelstrĂ€nge werden mithilfe der Adapter an eine spezielle Plattform angeschlossen, auf der das Sequencing durchgefĂŒhrt wird. WĂ€hrend des Sequencings werden komplementĂ€re fluoreszenzmarkierte Nukleotide an die DNA-Sequenz angehĂ€ngt. Jedes markierte Nukleotid sendet beim Anheften einen Lichtstrahl einer bestimmten WellenlĂ€nge aus, der am Computer erfasst wird. So liest der Computer kurze Sequenzen der ursprĂŒnglichen DNA, die anschlieĂend mithilfe spezieller Algorithmen zum ursprĂŒnglichen Genom zusammengesetzt werden.
Ein Beispiel fĂŒr Daten, mit denen Bioinformatiker arbeiten: die Ausrichtung von AminosĂ€uresequenzen.
Wo arbeiten und wie viel verdienen Bioinformatiker?
Der Weg eines Bioinformatikers wird traditionell in zwei Hauptbereiche unterteilt â Industrie und Wissenschaft. Die Karriere eines Bioinformatikers beginnt in der Regel mit einer Doktorandenstelle an einem der groĂen Institute. ZunĂ€chst erhalten Bioinformatiker ein Grundgehalt, das von ihrem Institut, der Anzahl der Grants, an denen sie beteiligt sind, sowie der Anzahl ihrer Affiliationen â der Orte, an denen sie offiziell beschĂ€ftigt sind â abhĂ€ngt. Im Laufe der Zeit wĂ€chst die Anzahl der Grants und Affiliationen, und nach ein paar Jahren in der akademischen Umgebung erhĂ€lt ein Bioinformatiker problemlos ein durchschnittliches Gehalt (70-80 Tausend Rubel), jedoch ist vieles von FleiĂ und Arbeitsaufwand abhĂ€ngig. Die erfahrensten Bioinformatiker grĂŒnden schlieĂlich eigene Labore in ihren Spezialgebieten.
Wo kann man Bioinformatik studieren?
- MSU â FakultĂ€t fĂŒr Bioingenieurwesen und Bioinformatik
- HSE â Datenanalyse in Biologie und Medizin (Masterprogramm)
- MIPT â Lehrstuhl fĂŒr Bioinformatik
- Institut fĂŒr Bioinformatik (NPO)
Im Gegensatz zur Akademie wird in der Industrie niemand Zeit damit verbringen, Mitarbeiter in den notwendigen FĂ€higkeiten auszubilden, weshalb es in der Regel schwieriger ist, dort einen FuĂ in die TĂŒr zu bekommen. Der Karriereweg eines Bioinformatikers in der Industrie variiert stark je nach seiner Spezialisierung und dem Arbeitsort. Im Durchschnitt schwankt das Gehalt in diesem Bereich  Rubel, abhĂ€ngig von Erfahrung und Spezialisierung.Â
Bekannte Bioinformatiker
Die Geschichte der Bioinformatik beginnt mit Frederick Sanger, einem britischen Wissenschaftler, der 1980 den Nobelpreis fĂŒr Chemie fĂŒr die Entdeckung einer Methode zur Bestimmung der DNA-Sequenz erhielt. Seitdem werden die Methoden zur Sequenzierung jedes Jahr verbessert, aber die Sanger-Sequenzierung diente als Grundlage fĂŒr alle weiteren Forschungen in diesem Bereich.
Ăbrigens werden viele Programme, die von russischen Wissenschaftlern entwickelt wurden, heute weltweit eingesetzt â zum Beispiel der Genom-Assembler , â ein Genom-Assembler aus St. Petersburg, der am St. Petersburger Institut entwickelt wurde, hilft Wissenschaftlern auf der ganzen Welt, kurze DNA-Sequenzen zu langen Sequenzen zusammenzufĂŒgen, um die ursprĂŒnglichen Genome von Organismen zu rekonstruieren.
Entdeckungen und Errungenschaften der Bioinformatik
Heutzutage machen Bioinformatiker viele nĂŒtzliche Entdeckungen. Es wĂ€re undenkbar gewesen, Medikamente gegen das Coronavirus zu entwickeln, ohne das EntschlĂŒsseln seines Genoms und die komplexe bioinformatische Analyse der AblĂ€ufe wĂ€hrend der Erkrankung. Internationale  Wissenschaftler konnten mithilfe von Methoden der vergleichenden Genomik und maschinellem Lernen verstehen, was die Coronaviren mit anderen Pathogenen gemeinsam haben.
Es stellte sich heraus, dass eines dieser Merkmale das wĂ€hrend der Evolution stattfindende VerstĂ€rken von Signalen fĂŒr die nukleare Lokalisierung (NLS) pathogener Viren ist. Diese Forschung kann bei der Untersuchung von Virusvarianten helfen, die potenziell in der Zukunft gefĂ€hrlich fĂŒr den Menschen sein könnten, und möglicherweise die prĂ€ventive Entwicklung von Arzneimitteln einleiten.Â
DarĂŒber hinaus haben Bioinformatiker eine SchlĂŒsselrolle bei der Entwicklung neuer Genome-Editing-Methoden gespielt, insbesondere des CRISPR/Cas9-Systems (eine Technologie, die auf dem Immunsystem von ). Durch die bioinformatische Analyse der Struktur von Proteindaten und ihrer evolutionĂ€ren Entwicklung ist die Genauigkeit und Effizienz dieses Systems in den letzten Jahren exponentiell gestiegen, was es ermöglicht hat, gezielte Genomeditierungen bei vielen Organismen (einschlieĂlich des Menschen) durchzufĂŒhren.
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Quelle: habr.com
