Обчислювальна біологія

Обчислювальна біологія — міждисциплінарна газуль науки, що утворюється на співпраці біології та обчислювальної науки[en], спрямована на розуміння біологічних систем за допомогою обчислювальних методів і інструментів.

Обчислювальна біологія використовує досягнення інформатики, обчислювальної техніки, прикладної математики і статистики для аналізу біологічних даних, моделювання біологічних процесів, розуміння механізмів, що лежать в основі біологічних явищ, та вирішення біологічних та біомедичних проблем.

Використовуючи алгоритми, статистичні моделі та комп’ютерне моделювання, обчислювальна біологія вирішує різноманітні біологічні питання, від розуміння генетичних послідовностей і молекулярних структур до вивчення складних біологічних мереж і систем.

Сфери досліджень і застосувань

ред.

Обчислювальна біологія відіграє вирішальну роль у наукових відкриттях в науках про життя і має практичне застосування в різних областях, включаючи розробку ліків, персоналізовану медицину, сільськогосподарську біотехнологію та дослідження навколишнього середовища. Її міждисциплінарний характер сприяє співпраці між біологами, інформатиками, математиками та іншими фахіфцями, що веде до інноваційних підходів у біологічних дослідженнях і значно сприяє нашому розумінню життєвих процесів.

Головними сферами в біології та біомедицині, які застосовують методи обчислювальної біології, є:

  • Молекулярне моделювання, область досліджень, яка привертає теоретичні і обчислювальні методи для моделювання або імітації поведінки молекул, причому молекул в найширшому сенсі — що полягають від декількох атомов і до «гігантських» біологічних ланцюжків.

Історія

ред.
 
Хронологія Проєкту геному людини
 
Хронологія основних технологічних розробок і віх оміксних технологіях

Деякі важливі для галузі обчислювальної біології історичні відкриття й досягнення:

Моделювання

ред.

Пакет молекулярної динаміки NAMD[en] та програмне забезпечення для візуалізації VMD[en] біофізика Шультен використовують щонайменше 300 000 дослідників у всьому світі.

У 2006 з'явилася модель ікосаедричного вірусу супутника тютюнової мозаїки (STMV). Вперше було створено повну модель, яка вимагала ресурсів Національного центру суперкомп'ютерних додатків в Урбані[23] (розмір: 1 млн атомів, час моделювання: 50 нс, програма: NAMD). Моделювання забезпечило нове уявлення про механізми збірки вірусу. Вся частинка STMV складається з 60 однакових копій одного білка, з яких складається капсиди (оболонки), і 1063 нуклеотидного одноланцюгового РНК генома. Одним із ключових висновків те, що капсид дуже нестабільний, коли всередині немає РНК, тобто вірус, який виглядає симетрично на нерухомих зображеннях, насправді імпульсує та асиметричний. Капсида залежить від генетичного матеріалу в РНК-ядрі частинки і руйнується без нього. Це засвідчило, що перш ніж вірус зможе побудувати свою оболонку при розмноженні, повинен бути присутнім генетичний матеріал.

В 2013 році Шультен змоделював капсид ВІЛ (з 64 мільйонів атомів) за допомогою суперкомп'ютера Blue Waters.

У 2015 з'явилась модель світловідбиваючої клітини хроматофор пурпурової фотосинтезуючі бактерії Purpurbakterie (близько 100 мільйонів атомів)[24] за допомогою суперкомп'ютера Титан в Національній лабораторії Oak Ridge. У моделюванні процесів перетворення сонячного світла в хімічну енергію брали участь 100 мільйонів атомів, 16000 ліпідів і 101 білок, хоча вміст крихітної органели займає лише один відсоток від загального обсягу клітини.

Шультен планував більш масштабні моделювання на суперкомп'ютері SUMMIT.

У жовтні 2017 з'явився фреймворк OpenFermion Cirq [en], перша платформа з відкритим кодом для перекладу проблем хімії та матеріалознавства в квантові схеми. OpenFermion — це бібліотека для моделювання систем взаємодіючих електронів (ферміонів), що породжують властивості речовини[25][26]. До OpenFermion розробникам квантових алгоритмів потрібно було вивчити значну кількість хімії та написати велику кількість коду, щоб зламати інші коди, щоб скласти навіть найосновніші квантові симуляції.

Прикладом успішних досягнень обчислювальної біології можна вважати деякі проєкти подібних World Community Grid розподілених мереж.

Далі приклади волонтерських проєктів з обчислювальної біології, в яких можна взяти участь:

  • Folding@home - це проєкт, який досліджує структуру білків і їх взаємодії з ліками та хворобами, такими як рак, цукровий діабет та COVID-19. Кожен може стати волонтером та використовувати свій комп'ютер, щоб допомогти в обробці великих обсягів даних.
  • Rosetta@home - це ще один проєкт з вивчення структури білків. Волонтери можуть використовувати свій комп'ютер, щоб моделювати складні молекулярні системи, які допомагають в розумінні хімії життя та розробці нових ліків.
  • BOINC - це платформа для волонтерських проєктів з обчислювальної науки, включаючи біологію. До проєктів, які можна підключитися, належать World Community Grid, який досліджує хвороби, такі як рак, малярія та туберкульоз, та GPUGRID, який вивчає структуру білків та використовує їх для розробки нових ліків.
  • Phylo[en] - це волонтерський проєкт з обчислювальної біології, який досліджує еволюційну історію генів. Волонтери можуть грати в гру, де їхні рухи допомагають у побудові дерева філогенетичного дерева, яке вказує на еволюційні зв'язки між генами.

Ці проєкти відкриті для всіх бажаючих та дозволяють внести свій вклад у розвиток науки, допомагаючи досліджувати складні біологічні системи та розробляти нові ліки.

Див. також

ред.

Додаткова література

ред.

Книги

ред.

Журнали

ред.

Наукові журнали, що охоплюють теми обчислювальної біології включають наступні, а також біоінформатичні журнали (див. Біоінформатика):

Статті

ред.

Примітки

ред.
  1. Hasin, Yehudit; Seldin, Marcus; Lusis, Aldons (5 травня 2017). Multi-omics approaches to disease. Genome Biology. Т. 18, № 1. с. 83. doi:10.1186/s13059-017-1215-1. ISSN 1474-760X. PMC 5418815. PMID 28476144. Процитовано 11 червня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  2. Bersanelli, Matteo; Mosca, Ettore; Remondini, Daniel; Giampieri, Enrico; Sala, Claudia; Castellani, Gastone; Milanesi, Luciano (1 січня 2016). Methods for the integration of multi-omics data: mathematical aspects. BMC Bioinformatics. 17 (2): S15. doi:10.1186/s12859-015-0857-9. ISSN 1471-2105. PMC 4959355. PMID 26821531.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  3. Bock, Christoph; Farlik, Matthias; Sheffield, Nathan C. (August 2016). Multi-Omics of Single Cells: Strategies and Applications. Trends in Biotechnology. 34 (8): 605—608. doi:10.1016/j.tibtech.2016.04.004. PMC 4959511. PMID 27212022.
  4. Vilanova, Cristina; Porcar, Manuel (26 липня 2016). Are multi-omics enough?. Nature Microbiology. 1 (8): 16101. doi:10.1038/nmicrobiol.2016.101. PMID 27573112.
  5. Watson, J. D.; Crick, F. H. C. (1953-04). Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature (англ.). Т. 171, № 4356. с. 737—738. doi:10.1038/171737a0. ISSN 1476-4687. Процитовано 20 грудня 2023.
  6. M.O. Dayhoff. Atlas of Protein Sequence and Structure (PDF).
  7. Smith, T.F.; Waterman, M.S. (1981-03). Identification of common molecular subsequences. Journal of Molecular Biology (англ.). Т. 147, № 1. с. 195—197. doi:10.1016/0022-2836(81)90087-5. Процитовано 20 грудня 2023.
  8. Needleman, Saul B.; Wunsch, Christian D. (1970-03). A general method applicable to the search for similarities in the amino acid sequence of two proteins. Journal of Molecular Biology (англ.). Т. 48, № 3. с. 443—453. doi:10.1016/0022-2836(70)90057-4. Процитовано 20 грудня 2023.
  9. Watson, James D. (6 квітня 1990). The Human Genome Project: Past, Present, and Future. Science (англ.). Т. 248, № 4951. с. 44—49. doi:10.1126/science.2181665. ISSN 0036-8075. Процитовано 20 грудня 2023.
  10. Powledge, Tabitha M (2003). Human genome project completed. Genome Biology (англ.). Т. 4. с. spotlight–20030415–01. doi:10.1186/gb-spotlight-20030415-01. ISSN 1465-6906. Процитовано 20 грудня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  11. Venter, J. Craig; Adams, Mark D.; Myers, Eugene W.; Li, Peter W.; Mural, Richard J.; Sutton, Granger G.; Smith, Hamilton O.; Yandell, Mark; Evans, Cheryl A. (16 лютого 2001). The Sequence of the Human Genome. Science (англ.). Т. 291, № 5507. с. 1304—1351. doi:10.1126/science.1058040. ISSN 0036-8075. Процитовано 20 грудня 2023.
  12. Bradbury, Jane (22 груд. 2003 р.). Human Epigenome Project—Up and Running. PLOS Biology (англ.). Т. 1, № 3. с. e82. doi:10.1371/journal.pbio.0000082. ISSN 1545-7885. PMC 300691. PMID 14691553. Процитовано 20 грудня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  13. Lieberman-Aiden, Erez; van Berkum, Nynke L.; Williams, Louise; Imakaev, Maxim; Ragoczy, Tobias; Telling, Agnes; Amit, Ido; Lajoie, Bryan R.; Sabo, Peter J. (9 жовтня 2009). Comprehensive Mapping of Long-Range Interactions Reveals Folding Principles of the Human Genome. Science (англ.). Т. 326, № 5950. с. 289—293. doi:10.1126/science.1181369. ISSN 0036-8075. PMC 2858594. PMID 19815776. Процитовано 20 грудня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  14. Engelhardt, Barbara E.; Stephens, Matthew (16 вересня 2010). Walsh, Bruce (ред.). Analysis of Population Structure: A Unifying Framework and Novel Methods Based on Sparse Factor Analysis. PLoS Genetics (англ.). Т. 6, № 9. с. e1001117. doi:10.1371/journal.pgen.1001117. ISSN 1553-7404. PMC 2940725. PMID 20862358. Процитовано 20 грудня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  15. Jinek, Martin; Chylinski, Krzysztof; Fonfara, Ines; Hauer, Michael; Doudna, Jennifer A.; Charpentier, Emmanuelle (17 серпня 2012). A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity. Science (англ.). Т. 337, № 6096. с. 816—821. doi:10.1126/science.1225829. ISSN 0036-8075. PMC 6286148. PMID 22745249. Процитовано 20 грудня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  16. Jinek, Martin; Chylinski, Krzysztof; Fonfara, Ines; Hauer, Michael; Doudna, Jennifer A.; Charpentier, Emmanuelle (17 серпня 2012). A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity. Science (англ.). Т. 337, № 6096. с. 816—821. doi:10.1126/science.1225829. ISSN 0036-8075. PMC 6286148. PMID 22745249. Процитовано 6 серпня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  17. Doudna, Jennifer A.; Charpentier, Emmanuelle (28 листопада 2014). The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science (англ.). Т. 346, № 6213. doi:10.1126/science.1258096. ISSN 0036-8075. Процитовано 6 серпня 2023.
  18. Cox, David B. T.; Gootenberg, Jonathan S.; Abudayyeh, Omar O.; Franklin, Brian; Kellner, Max J.; Joung, Julia; Zhang, Feng (24 листопада 2017). RNA editing with CRISPR-Cas13. Science (англ.). Т. 358, № 6366. с. 1019—1027. doi:10.1126/science.aaq0180. ISSN 0036-8075. PMC 5793859. PMID 29070703. Процитовано 20 грудня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  19. Jumper, John; Evans, Richard; Pritzel, Alexander; Green, Tim; Figurnov, Michael; Ronneberger, Olaf; Tunyasuvunakool, Kathryn; Bates, Russ; Žídek, Augustin (2021-08). Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold. Nature (англ.). Т. 596, № 7873. с. 583—589. doi:10.1038/s41586-021-03819-2. ISSN 1476-4687. Процитовано 20 грудня 2023.
  20. Rozenblatt-Rosen, Orit; Stubbington, Michael J. T.; Regev, Aviv; Teichmann, Sarah A. (2017-10). The Human Cell Atlas: from vision to reality. Nature (англ.). Т. 550, № 7677. с. 451—453. doi:10.1038/550451a. ISSN 1476-4687. Процитовано 20 грудня 2023.
  21. Regev, Aviv; Teichmann, Sarah A; Lander, Eric S; Amit, Ido; Benoist, Christophe; Birney, Ewan; Bodenmiller, Bernd; Campbell, Peter; Carninci, Piero (5 грудня 2017). The Human Cell Atlas. eLife (англ.). Т. 6. doi:10.7554/eLife.27041. ISSN 2050-084X. PMC 5762154. PMID 29206104. Процитовано 20 грудня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  22. Rood, Jennifer E.; Maartens, Aidan; Hupalowska, Anna; Teichmann, Sarah A.; Regev, Aviv (2022-12). Impact of the Human Cell Atlas on medicine. Nature Medicine (англ.). Т. 28, № 12. с. 2486—2496. doi:10.1038/s41591-022-02104-7. ISSN 1546-170X. Процитовано 20 грудня 2023.
  23. Molecular Dynamics of Viruses. www.ks.uiuc.edu. Архів оригіналу за 21 жовтня 2021. Процитовано 1 травня 2021.
  24. Koepke, Juergen; Hu, Xiche; Muenke, Cornelia; Schulten, Klaus; Michel, Hartmut (1 травня 1996). The crystal structure of the light-harvesting complex II (B800–850) from Rhodospirillum molischianum. Structure (English) . Т. 4, № 5. с. 581—597. doi:10.1016/S0969-2126(96)00063-9. ISSN 0969-2126. PMID 8736556. Архів оригіналу за 30 червня 2013. Процитовано 1 травня 2021.
  25. Архівована копія. Архів оригіналу за 29 квітня 2021. Процитовано 1 травня 2021.{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title (посилання)
  26. Архівована копія. Архів оригіналу за 1 травня 2021. Процитовано 1 травня 2021.{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title (посилання)