BIOLOGIA COMPUTAŢIONALĂ:

TRECUT, PREZENT ŞI VIITOR

Sorana D. BOLBOACĂ

Universitatea de Medicină şi Farmacie “Iuliu Haţieganu“ Cluj-NapocaUniversitatea de Ştiinţe Agricole şi Medicină Veterinară Cluj-Napoca

22 Aprilie 2010

2

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

CUPRINS

DEFINIŢII

TRECUT

PREZENT

DIN EXPERIENŢA PERSONALĂ ...

22 Aprilie 2010

3

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

BIOLOGIE COMPUTAŢIONALĂ?Aplicarea teoriei biologice prin utilizarea modelelormatematice, statistice, fizice şi a calculatorului în analiza sistemelor complexe biologice Simularea experimentelor biologice cu ajutorul calculatorului (neurobiologia, prelucrarea imaginii)

22 Aprilie 2010

4

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

BIOLOGIE COMPUTAŢIONALĂ?

Utilizarea calculatorului în găsirea soluţiilor unor probleme complexe biologice:

Complexitatea algoritmului:Problema are din punct de vedere teoretic cel puţin o soluţie?

Care este cea mai eficientă soluţie?

Stadiul actual al evoluţiei calculatorului:Memorie

Viteză

Cost

22 Aprilie 2010

5

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

SISTEME DE CALCUL

Douglas EngelbartInterfaţa grafică şi mouse-ul

1964

Jack Kilby & Robert NoyceCircuit integrat1958

William Shockley, John Bardeen & Walter BrattainTranzistor1947

J. Presper Eckert & John W. MauchlyENIAC1946

John von NeumannVon Neumann1945

Alan TuringColossus1943

Claude ShannonCircuit boolean1938

Konrad ZuseCalculatorul YI1939

Ladz Ada LovelanceCalculatorul1831

Blaise PascalMaşina de calcul1942

William OughtredRigla de calcul1621

Leonardo da VinciCalculatorul mecanic1500

Chinese & BabylonianAbacul1000BC

22 Aprilie 2010

6

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

SISTEME DE CALCUL

Tom Truscott, Jim Ellis & Steve BellovinUsenet1978

Steven Wozniak & Steve JobsApple1976

Bill Gates & Paul AllenMicrosoft Corporation1975

Vint Cerf & Robert KahnTCP1974

Alex McKenzieFTP

Robert MetcalfeEthernet

Dennis Ritchie & Brian KernighanC1973

Jon PostelTelnet1972

Roy TomlinsonE-mail1971

Ken Thomson & Dennis RitchieUNIX

UCLA, Stanford, UC Santa Barbara & University of Utha

ARPAnet1969

22 Aprilie 2010

7

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

SISTEME DE CALCUL

IBM CorporationIBM PC1981

Apple ComputerOS X2001

Marc AndreessenMosaic1993

Linus TorvaldsLinux1991

Tim Breners-LeeHTML & HTTP1989

Steve JobsNeXT Computer1986

Microsoft CorporationWindows1985

Jon PostelDNS1984

ARRPATCP/IP1982

22 Aprilie 2010

8

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

EVOLUŢIA SISTEMELOR DE OPERARE

22 Aprilie 2010

9

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

BIOLOGIE COMPUTAŢIONALĂ: CÂND ? CE ?

Allan Maxam & Walter GilbertSecveţierea ADN-ului1977

HIH/NLMMEDLINE1971

Hamilton Smith, John HopkinsEnzime de restricţie1970

Marshall Nirenberg, Robert Hollez & Har Khorana

Codul genetic1966

Sidney Brenner & Francis CrickCodonul1961

Fred SangerSecvenţierea proteinelor1955

James Watson & Francis CrickDublul helix – Structura ADN1953

Claude ShannonTeoria informaţiei1948

Oswald Avery, Maclz McCarty & Colin MacLoad

Transformarea AND-ului1944

Frankil GriffinghPrincipiile tranformării1928

Robert FeulgenAND cromozomal1924

Johann Friedrich MiescherADN1869

22 Aprilie 2010

10

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

BIOLOGIE COMPUTAŢIONALĂ: CÂND ? CE ?

Leonard AdelmanDNA computer (nanocomputer)1994

NCBIPubMed1997

...

Haemopkhilus influentzae (1,8Mb)1995

Proiectul genomului uman1990

Stephan Altschul & David LipmanBLAST*1990

Christian MarckDNA Strider*

William Pearson & David LipmanFASTA*

NIH-NLMNCBI1988

LANL-EMBL-NCBIGenBank1982

Temple Smith & David WatermanAlgoritmul Smith-Waterman1981

Roger StadenProgramul Staden*1977

22 Aprilie 2010

11

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

http://www.sanger.ac.uk/HGP/ & R.Harding & HMG (2004) p 245

GENOMUL UMAN (2001)

22 Aprilie 2010

12

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

BIOLOGIE COMPUTAŢIONALĂ?

Algoritmul: o secvenţă de instrucţiuni care trebuie aplicate pentru a putea găsi o soluţie la o problemă formulată corect:

Identică corect problema

Problema = o clasă de sarcini computaţionale

Evoluţie strict legată de evoluţia calculatorului:Viteza CPU vs. memorie: determinarea structurii unei proteine necesită multe calcule dar memorie limitată; căutarea genomului necesită puţine calcule dar capacitate de memorare mare.

22 Aprilie 2010

13

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

BIOLOGIE COMPUTAŢIONALĂ: PREZENT

Baze de date:

> 1000 baze de date biologice online (mărime, calitate, conţinut, nivel de interes)

National Center for BiotechnologyInformation: : 30 baze de date

Jurnale:Journal of Computational Biology (FI = )

PLoS Computational Biology

Journal of Bioinformaticsand Computational Biology

Genome Biology

Genome Research

Computational Biology and Chemistry

Molecular Systems Biology

22 Aprilie 2010

14

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

BIOLOGIE COMPUTAŢIONALĂ: PREZENT

Căi metabolicewww.genome.ad.jpKEGGStructură proteinewww.rcsb.org/pdb/PDBEnzimewww.chem.qmul.ac.ukEnzymesBoli genetice umanewww.ncbi.nlm.nih.govOMIMDomeniu proteinewww.ebi.ac.ukInterProSecvenţe proteinewww.expasy.chSWISS-PROTSecvenţe proteinewww.ncbi.nlm.nih.govNRLiteratură de specialitatewww.ncbi.nlm.nih.govPubMedGenom (uman, şoarece, etc.)www.ensembl.orgEnsemblSecvenţe nucleotidewww.ncbi.nlm.nih.govGenBankDescriereAdresăDenumire

22 Aprilie 2010

15

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

BIOLOGIE COMPUTAŢIONALĂ: PREZENT

22 Aprilie 2010

16

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

REZULTATE PERSONALE

AT93/2007 – CNCSISStatistică Aplicată (Serii de Timp, Analiza Componentelor Principale) – Colagen - Caracterizare

Structură-ProprietăţiAnaliză relaţii structură-proprietate amino-acizi (24 scale de hidrofobicitate + alte proprietăţi): http://l.academicdirect.org/Agriculture/Colagen/AminoAcidsProp/

Analiza similarităţii lanţurilor de colagen tip I (α1 şi α2 ): Rattus norvegicus; ± Bos taurus; Danio rerio; Canis lupus; şi Homo sapiens:http://l.academicdirect.org/Agriculture/Colagen/Chains/http://l.academicdirect.org/Agriculture/Colagen/StringAnalysis/

22 Aprilie 2010

17

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

REZULTATE PERSONALE

22 Aprilie 2010

18

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

REZULTATE PERSONALE

22 Aprilie 2010

19

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

REZULTATE PERSONALE: REFERINŢE

Bolboacă SD, Jäntschi L. 2007. Amino Acids Sequences Analysison Collagen. Bull Univ Agric Sci Med Vet Anim Sci Biotechnol63-64:311-316.Bolboacă SD, Jäntschi L. 2007. Is Amino Acids Hydrophobicity a Matter of Scale?. Rec Adv Synt Chem Biol 6:P2.Bolboacă SD, Jäntschi L. 2007. Modeling Analysis of Amino Acids Hydrophobicity. Proc ChemMod 2007:6. Bolboacă SD, Jäntschi L. 2008. A structural informatics studyon collagen. Chem Biol Drug Des 71(2):173-179.Bolboacă SD, Jäntschi L. 2008. Cyclicity Analysis of Amino-Acids on Type I Collagen Chains. Bull Univ Agric Sci Med Vet Anim Sci Biotechnol 65(1-2):404-409.Bolboacă SD, Jäntschi L. 2008. Homo Sapiens Type I Collagen: Patterns Analysis. Appl Med Inform 22(1-2):39-46.Bolboacă SD, Jäntschi L. 2008. Modelling Analysis of Amino Acids Hydrophobicity. Commun Math Comput Chem (MATCH) 60(3):1021-1032.

22 Aprilie 2010

20

BioArta - SOCIETATEA ŞI PERCEPŢIA BIOTEHNOLOGIEI

”We are swimming in a rapidly rising sea of data. . . how do

we keep from drowning?”

Roos (2001). Science. 291:1260

Bio WikicaBIG