Bioinformatik ist eine neu entstandene Wissenschaft zur computergestützten Analyse und Speicherung biologischer Daten. Die Bioinformatik hat sich zu einem vollwertigen interdisziplinären Fach entwickelt, das die Entwicklung der Informatik und Informationstechnologie mit der Biowissenschaft verbindet.

Das Wort Bioinformatik wurde aus zwei Wörtern abgeleitet:

• -Biografie bedeutet Biologie (lebendig)
• Datenverarbeitung (abgeleitet aus dem Französischen) bedeutet „Datenverarbeitung“.

In der Bioinformatik verschmelzen Biologie, Informatik und Informationstechnologie zur Signaldisziplin zur Verwaltung und Analyse biologischer Daten mithilfe fortschrittlicher Computertechniken.

Das Wort „Bioinformatik“ wurde erstmals 1978 von „Paulien Hogeweg“, einem niederländischen theoretischen Biologen, und „Ben Hesper“ entdeckt, um Informatikprozesse im biotischen System zu untersuchen.

„Fredj Tekaia“ am Institut Pasteur in Paris definierte Bioinformatik genauer als mathematische, statistische und rechnerische Methoden, die darauf abzielen, biologische Probleme mithilfe von DNA, Aminosäuresequenzen und zugehörigen Informationen zu lösen.

CONCEPT:

Die Bioinformatik konzentriert sich hauptsächlich auf den Teilbereich der Biologie, indem sie biologische Datenbanken und Algorithmen entwickelt, die bei der Erforschung von Genen und Proteinen helfen.

Die Bioinformatik erregte im Rahmen des Humangenomprojekts große Aufmerksamkeit. Dies ermöglichte die Sequenzierung des großen und komplexen menschlichen Genoms und die Identifizierung des Gens in der menschlichen DNA.

Bioinformatik-Tools sagen Strukturen anhand ihrer Funktionen voraus; Mehrere Methoden des maschinellen Lernens werden verwendet, um die Funktionen aus Sequenzstrukturen vorherzusagen.

Es gibt drei Komponenten der Bioinformatik:

1. Die Entwicklung des Algorithmus und der Statistiken für Zugriffsbeziehungen zwischen den verlorenen biologischen Daten.
2. Die Anwendung für Werkzeuge zur Analyse und Interpretation der biologischen Daten umfasst Nukleotidsequenzen.
3. Entwicklung von Datenbanken zur effizienten Speicherung und Verwaltung großer Mengen biologischer Informationen, d. h. der molekularen Evolution.

BIOINFORMATIK: EIN MULTIDISZIPLINÄRER ANSATZ

Die Bioinformatik hat sich zu einer vielversprechenden und wesentlichen Disziplin für die akademische Forschung und industrielle Anwendung zur Datenspeicherung und Analyse der Sequenzen entwickelt, die die wissenschaftliche, technische und wirtschaftliche Entwicklung der Welt beeinflusst haben.

Die Bioinformatik beschränkt sich jedoch nicht nur auf die Berechnung biologischer Daten, sondern kann auch dazu genutzt werden, viele biologische Probleme zu entschlüsseln und herauszufinden, wie Lebewesen funktionieren.

Das ultimative Konzept der Bioinformatik besteht darin, mithilfe von Computern und Biologie neue biologische Erkenntnisse zu gewinnen, die die Zusammenarbeit und Anwendung anderer Fachgebiete wie Mathematik, Statistik, Physik und suchbezogener Wissenschaft erfordern, um das lebende System zu verstehen.

BIOINFORMATIK: DAS GEHIRN DER BIOTECHNOLOGIE

Der praktische Aspekt der Bioinformatik besteht darin, den Code des Lebens zu verstehen, d. h. die in Nukleotidsequenzen enthaltenen Informationen zu entschlüsseln.

Die Nukleotidsequenzen stellen die Gene dar, die als Protein ausgedrückt werden. Jede Variation und jeder Fehler in den Nukleotidsequenzen der genomischen DNA oder Mutation kann zu genetischen Störungen oder Stoffwechselveränderungen führen. Deshalb wollen Forscher in der Biotechnologie etwas über die Natur einzelner Genome wissen.

Viele DNA-Sequenzierungsprojekte sind bereits abgeschlossen und viele weitere sind im Gange, was zu einer riesigen Menge an biologischen Informationen führt. Dies hat zum Wachstum der Wissenschaft der Bioinformatik beigetragen. Der Umgang mit solch enormen Informationen und Interpretationen wäre ohne Bioinformatik nicht möglich. Daher kann die Bioinformatik als das Gehirn der Biotechnologie bezeichnet werden.

ANWENDUNGEN DER BIOINFORMATIK:

1. Genetisch bedingte Anwendung

• Analyse einzelner bis übermäßiger Ähnlichkeiten unbekannter Gene.
• Typische Merkmale wie Bindungsstellen und abgeleitete evolutionäre Beziehungen werden durch phylogenetische Bäume identifiziert.
• Vollständige Genomanalyse zur Identifizierung von Mitgliedern der Genfamilie und zur Bestimmung der chromosomalen Position des Gens.

2. Sequenzanalyse

• BlASTA: Das primäre Tool zur lokalen Ausrichtungssuche
• SCHNELL: Um einen fairen Vergleich zwischen der interessierenden Sequenz durchzuführen.

3. Genomik und Proteomik

Im letzten Jahrzehnt hat sich die Bioinformatik zu einem leistungsstarken Instrument zur Erforschung der Behandlung genetischer Störungen entwickelt, indem der genomische Ansatz und eine Proteinebene genutzt werden, um eine genaue 3D-Struktur für alle bekannten Proteinfamilien oder -domänen zu erhalten.

4. Phylogenomische und evolutionäre Studien

Bioinformatik-Tools können Anzahl, Lage und biochemische Funktionen des Gens und verschiedener Organismen vergleichen.

5. Pharmakogenetik

Bioinformatik-Tools werden auch verwendet, um Informationen zum Arzneimitteldesign, zur Arzneimittelentdeckung und zur klinischen Entwicklung anzuwenden.

6. Strukturanalyse

Zur Visualisierung der 3D-Form von Proteinen und Nukleotiden wurden mehrere Programme und Datenbanken entwickelt, die eine hervorragende 3D-Ansicht auf dem Computermonitor ermöglichen.

7. Agrarinformatik

• Die Anwendung der Bioinformatik in der Landwirtschaft konzentriert sich auf die Sequenzierung des Genoms von Pflanzen, die Vorteile bieten.
• Bioinformatische Werkzeuge können eingesetzt werden, um in Genomen nach Genen zu suchen, um vitalere und insektenresistentere Nutzpflanzen zu produzieren.

8. Herstellung von Biowaffen

Die in der Datenbank verfügbaren Genomdaten von Krankheitserregerarten können Biowaffen bilden.

9. Proteinsequenzanalyse

Die Datenbanken des National Center for Biotechnology Information (NCBI) und der DNA Data Bank of Japan (DDBJ) verwendeten Sequenzabruf und Proteinsequenzidentifizierung.

BIOINFORMATIK-WERKZEUGE

• BLAST

Das Basic Local Alignment Search Tool wurde 1990 von Altschul et al. für eine schnelle und sensible Datenbanksuche zum Auffinden ähnlicher Sequenzen entwickelt. Es handelt sich um eine Familie benutzerfreundlicher Ähnlichkeitssuchtools. BLAST wird zur Messung der DNA-Datenbankähnlichkeit verwendet.

NCBI unterstützt den BLAST-Server.

Das von BLAST verwendete Programm

– BLAST P- Es vergleicht Proteinsequenzen mit den Proteindatenbanken.

– BLAST X- Es handelt sich um ein Programm, das übersetzte Nukleotidsequenzen mit Aminosäuren und anschließend mit der Proteindatenbank vergleicht.

– BLAST M- Es vergleicht Nukleotidsequenzen mit der Nukleotiddatenbank.

Wie verwende ich den BLAST-Server für Nukleotidsequenzen?

Schritt 1: Nukleotidsequenz (DNA/RNA) im BLAST-Format eingeben.

Schritt 2: Wählen Sie das BLAST-Programm je nach Art des durchzuführenden Vergleichs aus.

Schritt 3: Wählen Sie die Datenbank aus, die zum Vergleich verwendet werden soll.

Schritt 4: Sequenz, die zur BLAST-Analyse eingereicht wurde

Homologiesuche

Schritt 5: Ausgabedatei

Das Ergebnis der Suche kann über die BLAST-Schnittstelle abgerufen werden. 

• Ensemble:

Ensembl ist eine Genomdatenbank, die 1999 vom Europäischen Institut für Bioinformatik ins Leben gerufen wurde, um zur Vervollständigung des Humangenomprojekts beizutragen. Es bietet außerdem eine Anwendungsprogrammierschnittstelle, die biologische Objekte wie Gene modelliert und den Datenabruf ermöglicht. Mit Hilfe von Ensembl kann eine Datenbank für Forscher bereitgestellt werden, die die Genome von Homo Sapiens und anderen Wirbeltieren untersuchen.