Výpočetní biologie - Computational biology

Výpočetní biologie zahrnuje vývoj a aplikaci datově analytických a teoretických metod, matematické modelování a techniky výpočetní simulace ke studiu biologických, ekologických, behaviorálních a sociálních systémů.[1] Pole je široce definováno a zahrnuje základy v biologie, aplikovaná matematika, statistika, biochemie, chemie, biofyzika, molekulární biologie, genetika, genomika, počítačová věda, a vývoj.[2]

Výpočetní biologie se liší od biologické výpočty, což je podpole počítačová věda a počítačové inženýrství použitím bioinženýrství a biologie postavit počítače.

Úvod

Výpočetní biologie, která zahrnuje mnoho aspektů bioinformatika, je věda o využívání biologických dat k vývoji algoritmy nebo modely abychom porozuměli biologickým systémům a vztahům. Až donedávna biologové neměli přístup k velmi velkému množství dat. Tato data jsou nyní běžná, zejména v molekulární biologie a genomika. Vědci byli schopni vyvinout analytické metody pro interpretaci biologických informací, ale nebyli schopni je rychle sdílet mezi kolegy.[3]

Bioinformatika se začala rozvíjet počátkem 70. let. Byla považována za vědu o analýze informatických procesů různých biologických systémů. V tuto chvíli proveďte výzkum v umělá inteligence používal síťové modely lidského mozku, aby vytvořil nové algoritmy. Toto použití biologických dat k vývoji dalších oblastí přimělo biologické vědce, aby přehodnotili myšlenku používání počítačů k hodnocení a porovnávání velkých datových souborů. Do roku 1982 byly informace sdíleny mezi vědci pomocí děrovacích štítků. Na konci osmdesátých let začalo množství sdílených dat exponenciálně růst. To vyžadovalo vývoj nových výpočetních metod, aby bylo možné rychle analyzovat a interpretovat relevantní informace.[3]

Od konce 90. let se výpočetní biologie stala důležitou součástí vývoje nových technologií v oblasti biologie.[4]Pojmy výpočetní biologie a evoluční výpočet mají podobné jméno, ale nesmí být zaměňovány. Na rozdíl od výpočetní biologie se evoluční výpočet netýká modelování a analýzy biologických dat. Místo toho vytváří algoritmy založené na myšlenkách evoluce napříč druhy. Někdy se označuje jako genetické algoritmy, lze výzkum tohoto oboru aplikovat na výpočetní biologii. Zatímco evoluční výpočet není ve své podstatě součástí výpočetní biologie, výpočetní evoluční biologie je jeho dílčím polem.[5]

Výpočetní biologie byla použita k pomoci sekvenovat lidský genom, vytvořit přesné modely lidského mozku a pomoci při modelování biologických systémů.[3]

Podpole

Výpočetní anatomie

Hlavní článek: Výpočetní anatomie

Výpočetní anatomie je disciplína zaměřená na studium anatomického tvaru a formy ve viditelném nebo hrubý anatomický stupnice morfologie. Zahrnuje vývoj a aplikaci výpočetních, matematických a datově analytických metod pro modelování a simulaci biologických struktur. Zaměřuje se spíše na zobrazované anatomické struktury než na lékařské zobrazovací zařízení. Vzhledem k dostupnosti hustého 3D měření pomocí technologií, jako je magnetická rezonance (MRI) se výpočetní anatomie jeví jako podpole lékařské zobrazování a bioinženýrství pro extrakci anatomických souřadnicových systémů ve stupnici morfomu ve 3D.

Původní formulace výpočetní anatomie je jako generativní model tvaru a formy z příkladů, na které se působí prostřednictvím transformací.[6] The difeomorfismus skupina se používá ke studiu různých souřadnicových systémů pomocí transformace souřadnic generované prostřednictvím Lagrangian a Eulerian rychlosti proudění z jedné anatomické konfigurace v jinému. Týká se to statistika tvarů a morfometrie s tím rozdílem difeomorfismy se používají k mapování souřadnicových systémů, jejichž studium je známé jako diffeomorfometrie.

Výpočetní biomodeling

Hlavní článek: Modelování biologických systémů

Výpočetní biomodeling je obor zabývající se stavbou počítačové modely biologických systémů. Výpočetní biomodeling si klade za cíl vyvinout a použít vizuální simulace za účelem posouzení složitosti biologických systémů. Toho je dosaženo použitím specializovaných algoritmů a vizualizačního softwaru. Tyto modely umožňují předpovědět, jak budou systémy reagovat v různých prostředích. To je užitečné pro určení, zda je systém robustní. Robustní biologický systém je systém, který „udržuje svůj stav a funguje proti vnějším a vnitřním poruchám“,[7] což je nezbytné pro přežití biologického systému. Výpočetní biomodeling generuje velký archiv takových dat, což umožňuje analýzu od více uživatelů. Zatímco současné techniky se zaměřují na malé biologické systémy, vědci pracují na přístupech, které umožní analyzovat a modelovat větší sítě. Většina vědců věří, že to bude zásadní při vývoji moderních lékařských přístupů k vytváření nových léků a genové terapie.[7]Užitečným přístupem k modelování je použití Petriho sítě prostřednictvím nástrojů, jako je esyN [8]

Výpočetní genomika

Částečně sekvenovaný genom.
Hlavní článek: Výpočetní genomika

Výpočetní genomika je pole uvnitř genomika který studuje genomy buněk a organismů. To je někdy označováno jako Výpočetní a statistická genetika a zahrnuje většinu z Bioinformatika. The Projekt lidského genomu je jedním příkladem výpočetní genomiky. Tento projekt má za cíl sekvenovat celý lidský genom do souboru dat. Jakmile bude plně implementován, mohlo by to lékařům umožnit analyzovat genom konkrétního pacienta.[9] Tím se otevírá možnost personalizované medicíny, která předepisuje léčbu na základě již existujících genetických vzorců jednotlivce. Tento projekt vytvořil mnoho podobných programů. Vědci hledají sekvenci genomů zvířat, rostlin, bakterií a všech ostatních druhů života.[10]

Jedním z hlavních způsobů srovnání genomů je sekvenční homologie. Homologie je studium biologických struktur a nukleotidových sekvencí v různých organismech, které pocházejí od společného předka. Výzkum naznačuje, že tímto způsobem lze identifikovat 80 až 90% genů v nově sekvenovaných prokaryotických genomech.[10]

Tato oblast je stále ve vývoji. Nedotčeným projektem ve vývoji výpočetní genomiky je analýza intergenních oblastí. Studie ukazují, že zhruba 97% lidského genomu tvoří tyto oblasti.[10] Výzkumní pracovníci v oblasti výpočetní genomiky pracují na porozumění funkcím nekódujících oblastí lidského genomu vývojem výpočetních a statistických metod a prostřednictvím velkých projektů konsorcií, jako jsou ZAKÓDOVAT (The Encyclopedia of DNA Elements) and the Roadmap Epigenomics Project.

Výpočetní neurověda

Hlavní článek: Výpočetní neurověda

Výpočtová neurověda je studium funkce mozku, pokud jde o vlastnosti zpracování informací struktur, které tvoří nervový systém. Jedná se o podmnožinu oboru neurovědy a snaží se analyzovat mozková data a vytvářet praktické aplikace.[11] Vypadá to, že modeluje mozek, aby zkoumal specifické typy neurologického systému. Mezi různé typy modelů mozku patří:

  • Realistické modely mozku: Tyto modely vypadají tak, že představují všechny aspekty mozku, včetně co nejvíce podrobností na buněčné úrovni. Realistické modely poskytují nejvíce informací o mozku, ale mají také největší rezervu pro chyby. Více proměnných v mozkovém modelu vytváří možnost výskytu více chyb. Tyto modely nezohledňují části buněčné struktury, o kterých vědci nevědí. Realistické modely mozku jsou výpočetně nejnáročnější a nejdražší na implementaci.[12]
  • Zjednodušení modelů mozku: Tyto modely se snaží omezit rozsah modelu, aby posoudily konkrétní fyzikální vlastnosti neurologického systému. To umožňuje řešení intenzivních výpočetních problémů a snižuje množství potenciálních chyb z realistického modelu mozku.[12]

Je to práce výpočetních neurologů na vylepšení algoritmy a datové struktury, které se v současné době používají ke zvýšení rychlosti těchto výpočtů.

Výpočetní farmakologie

Výpočtová farmakologie (z hlediska výpočetní biologie) je „studium účinků genomových dat k nalezení vazeb mezi konkrétními genotypy a chorobami a poté screening údajů o drogách ”.[13] The farmaceutický průmysl vyžaduje posun v metodách analýzy údajů o drogách. Farmakologové byli schopni použít Microsoft Excel k porovnání chemických a genomických údajů souvisejících s účinností léků. Průmysl však dosáhl takzvané barikády Excel. Vyplývá to z omezeného počtu buněk přístupných v tabulce. Tento vývoj vedl k potřebě výpočetní farmakologie. Vědci a vědci vyvíjejí výpočetní metody pro analýzu těchto obrovských datových sad. To umožňuje efektivní srovnání mezi významnými datovými body a umožňuje vývoj přesnějších léků.[14]

Analytici předpokládají, že pokud hlavní léky selžou kvůli patentům, bude nezbytná výpočetní biologie, která nahradí současné léky na trhu. Studenti doktorského studia v oboru výpočetní biologie jsou vybízeni k tomu, aby se raději věnovali kariéře v průmyslu, než aby zastávali postdoktorandské pozice. Jedná se o přímý důsledek toho, že velké farmaceutické společnosti potřebují kvalifikovanější analytiky velkých souborů dat potřebných pro výrobu nových léků.[14]

Výpočetní evoluční biologie

Výpočetní biologie pomohla poli evoluční biologie v mnoha funkcích. To zahrnuje:

Výpočetní biologie rakoviny

Výpočetní biologie pro rakovinu je obor, jehož cílem je určit budoucí mutace v rakovině pomocí algoritmického přístupu k analýze dat. Výzkum v této oblasti vedl k použití vysoce výkonného měření. Vysoce výkonné měření umožňuje sbírat miliony datových bodů pomocí robotiky a dalších snímacích zařízení. Tato data jsou shromažďována z DNA, RNA a dalších biologických struktur. Zaměřujeme se na stanovení charakteristik nádorů, analýzu molekul, které jsou deterministické při vzniku rakoviny, a pochopení toho, jak lidský genom souvisí s příčinou nádorů a rakoviny.[16]

Výpočetní neuropsychiatrie

Výpočetní neuropsychiatrie je rozvíjející se obor, který využívá matematické a počítačové modelování mozkových mechanismů zapojených do duševních poruch. Několik iniciativ již prokázalo, že výpočetní modelování je důležitým příspěvkem k porozumění neuronovým obvodům, které by mohly generovat mentální funkce a dysfunkce.[17][18][19]

Software a nástroje

Výpočetní biologové používají širokou škálu softwaru. Ty sahají od programů příkazového řádku po grafické a webové programy.

Software s otevřeným zdrojovým kódem

Software s otevřeným zdrojovým kódem poskytuje platformu pro vývoj výpočetních biologických metod. Otevřený zdroj konkrétně znamená, že každá osoba nebo entita může přistupovat a využívat software vyvinutý ve výzkumu. PLOS uvádí čtyři hlavní důvody pro používání softwaru s otevřeným zdrojovým kódem, včetně:

  • Reprodukovatelnost: To vědcům umožňuje používat přesné metody používané k výpočtu vztahů mezi biologickými daty.
  • Rychlejší vývoj: vývojáři a výzkumní pracovníci nemusí znovu objevovat stávající kód pro drobné úkoly. Místo toho mohou použít již existující programy, aby ušetřily čas na vývoj a implementaci větších projektů.
  • Zvýšená kvalita: Mít vstup od více výzkumníků studujících stejné téma poskytuje jistotu, že chyby nebudou v kódu.
  • Dlouhodobá dostupnost: Programy s otevřeným zdrojovým kódem nejsou vázány na žádné podniky ani patenty. To umožňuje jejich zveřejnění na více webových stránkách a zajištění jejich dostupnosti v budoucnu.[20]

Konference

Existuje několik velkých konferencí, které se zabývají výpočetní biologií. Některé pozoruhodné příklady jsou Inteligentní systémy pro molekulární biologii (ISMB), Evropská konference o výpočetní biologii (ECCB) a Výzkum v oblasti výpočetní molekulární biologie (RECOMB).

Časopisy

Existuje mnoho časopisů věnovaných výpočetní biologii. Některé pozoruhodné příklady zahrnují Journal of Computational Biology a PLOS výpočetní biologie. Časopis PLOS pro výpočetní biologii je recenzovaný časopis, který má mnoho pozoruhodných výzkumných projektů v oblasti výpočetní biologie. Poskytují recenze na software, výukové programy pro software s otevřeným zdrojovým kódem a zobrazují informace o nadcházejících konferencích o výpočetní biologii. PLOS výpočetní biologie je otevřený přístupový deník. Publikace může být otevřeně použita za předpokladu, že je citován její autor.[21]

Související pole

Výpočetní biologie, bioinformatika a matematická biologie jsou interdisciplinární přístupy k vědám o živé přírodě, které čerpají z kvantitativních oborů, jako je matematika a informační věda. The NIH popisuje výpočetní / matematickou biologii jako využití výpočetních / matematických přístupů k řešení teoretických a experimentálních otázek v biologii a naopak bioinformatiku jako aplikaci informační vědy k pochopení komplexních údajů o biologických vědách.[1]

Konkrétně NIH definuje

Výpočetní biologie: Vývoj a aplikace datově-analytických a teoretických metod, matematického modelování a technik výpočetní simulace ke studiu biologických, behaviorálních a sociálních systémů.[1]

Bioinformatika: Výzkum, vývoj nebo aplikace výpočetních nástrojů a přístupů k rozšíření využívání biologických, lékařských, behaviorálních nebo zdravotních údajů, včetně těch, které slouží k získávání, ukládání, organizaci, archivaci, analýze nebo vizualizaci těchto údajů.[1]

I když je každé pole odlišné, na jejich rozhraní může docházet k významnému překrývání.[1]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E „Pracovní definice NIH bioinformatiky a výpočetní biologie“ (PDF). Biomedicínská informační věda a technologická iniciativa. 17. července 2000. Archivovány od originál (PDF) dne 5. září 2012. Citováno 18. srpna 2012.
  2. ^ „O CCMB“. Centrum pro výpočetní molekulární biologii. Citováno 18. srpna 2012.
  3. ^ A b C Hogeweg, Paulien (7. března 2011). „Kořeny bioinformatiky v teoretické biologii“. PLOS výpočetní biologie. 3. 7 (3): e1002021. Bibcode:2011PLSCB ... 7E2021H. doi:10.1371 / journal.pcbi.1002021. PMC  3068925. PMID  21483479.
  4. ^ Bourne, Philip (2012). „Vzestup a zánik bioinformatiky? Slib a pokrok“. PLOS výpočetní biologie. 8 (4): e1002487. Bibcode:2012PLSCB ... 8E2487O. doi:10.1371 / journal.pcbi.1002487. PMC  3343106. PMID  22570600.
  5. ^ Foster, James (červen 2001). "Evoluční výpočet". Genetika hodnocení přírody. 2 (6): 428–436. doi:10.1038/35076523. PMID  11389459. S2CID  205017006.
  6. ^ Grenander, Ulf; Miller, Michael I. (01.12.1998). „Výpočetní anatomie: rozvíjející se disciplína“. Q. Appl. Matematika. 56 (4): 617–694. doi:10.1090 / qam / 1668732.
  7. ^ A b Kitano, Hiroaki (14. listopadu 2002). "Biologie výpočetních systémů". Příroda. 420 (6912): 206–10. Bibcode:2002 Natur.420..206K. doi:10.1038 / nature01254. PMID  12432404. S2CID  4401115. ProQuest  204483859.
  8. ^ Favrin, Bean (2. září 2014). "esyN: Vytváření, sdílení a publikování sítí". PLOS ONE. 9 (9): e106035. Bibcode:2014PLoSO ... 9j6035B. doi:10.1371 / journal.pone.0106035. PMC  4152123. PMID  25181461.
  9. ^ „Sekvence genomu nám ostatním“. Scientific American.
  10. ^ A b C Koonin, Eugene (6. března 2001). "Výpočetní genomika". Curr. Biol. 11 (5): 155–158. doi:10.1016 / S0960-9822 (01) 00081-1. PMID  11267880. S2CID  17202180.
  11. ^ "Výpočetní neurovědy | Neurovědy". www.bu.edu.
  12. ^ A b Sejnowski, Terrence; Christof Koch; Patricia S. Churchland (9. září 1988). "Výpočetní neurovědy". Věda. 4871. 241 (4871): 1299–306. Bibcode:1988Sci ... 241.1299S. doi:10.1126 / science.3045969. PMID  3045969.
  13. ^ Cena, Michael (2012-04-13). „Výpočetní biologové: další vědci ve farmacii?“.
  14. ^ A b Jessen, Walter (15.04.2012). „Strategie přesunu společnosti Pharma znamená více pracovních míst pro výpočetní biologové“.
  15. ^ Antonio Carvajal-Rodríguez (2012). „Simulace genů a genů vpřed v čase“. Současná genomika. 11 (1): 58–61. doi:10.2174/138920210790218007. PMC  2851118. PMID  20808525.
  16. ^ Yakhini, Zohar (2011). „Cancer Computational Biology“. BMC bioinformatika. 12: 120. doi:10.1186/1471-2105-12-120. PMC  3111371. PMID  21521513.
  17. ^ Dauvermann, Maria R .; Whalley, Heather C .; Schmidt, Andrã ©; Lee, Graham L .; Romaniuk, Liana; Roberts, Neil; Johnstone, Eva C .; Lawrie, Stephen M .; Moorhead, Thomas W. J. (2014). „Výpočetní neuropsychiatrie - schizofrenie jako porucha kognitivní mozkové sítě“. Hranice v psychiatrii. 5: 30. doi:10.3389 / fpsyt.2014.00030. PMC  3971172. PMID  24723894.
  18. ^ Tretter, F .; Albus, M. (2007). ""Výpočetní neuropsychiatrie „Poruchy pracovní paměti u schizofrenie: Síťové připojení v prefrontální kůře - data a modely“ (PDF). Farmakopsychiatrie. 40: S2 – S16. doi:10.1055 / s-2007-993139. S2CID  18574327.
  19. ^ Marin-Sanguino, A .; Mendoza, E. (2008). "Hybridní modelování ve výpočetní neuropsychiatrii". Farmakopsychiatrie. 41: S85 – S88. doi:10.1055 / s-2008-1081464. PMID  18756425.
  20. ^ Prlić, Andreas; Lapp, Hilmar (2012). „Sekce softwaru PLOS pro výpočetní biologii“. PLOS výpočetní biologie. 8 (11): e1002799. Bibcode:2012PLSCB ... 8E2799P. doi:10.1371 / journal.pcbi.1002799. PMC  3510099.
  21. ^ „PLOS Computational Biology: A Peer-reviewed Open-Access Journal“. journals.plos.org.

externí odkazy