Обчислювальна біологія — міждисциплінарна газуль науки, що утворюється на співпраці біології та [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
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:
- Біоінформатика — міждисциплінарна галузь науки, яка поєднує принципи біології, інформатики, математики та статистики для збору, аналізу, інтерпретації та керування біологічними даними. Біоінформатика тісно пов'язана з обчислювальною біологією, і зосереджена на розробці та використанні обчислювальних методів, алгоритмів і програмних засобів для вилучення значущої інформації з величезних і складних наборів біологічних даних, зокрема в геноміці, епігеноміці, протеоміці та інших дисциплінах оміксних аналізів, та їх інтегративного аналізу — мультиоміки.
- Обчислювальна геноміка, підрозділ геноміки, який вивчає геноми клітин і організмів за допомогою високопродуктивного геномного секвенування (що вимагає значної подальшої обробки — так званої збірки геному), і який використовує метод ДНК-мікрочипів для статистичного аналізу виражених в конкретних типах клітин генів.
- Мультиоміка — це підхід до біологічного аналізу, спрямований на використання та інтеграцію великої кількості даних, наданої оміксними дослідженнями – «омами», такими як геном, епігеном, транскриптом, протеом, , і мікробіом (мета-геном, , мета-протеом та ін.), інтерактом тощо, щоб розвинути комплексне розуміння біологічних систем.
- Математична біологія (або обчислювальне біомоделювання), підрозділ біокібернетики, що займається побудовою обчислювальних моделей біологічних систем.
- 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.
- Системна біологія, що ставить за мету моделювання повномасштабних біологічних сигнальних систем і систем передачі сигналів (для цілої клітини або навіть цілого організму), часто використовуючи методи біомоделювання (математичної біології) та методів аналізу електротехнічних мереж.
- Передбачення структури білків і структурна геноміка — роблять спроби обчислювати точні тривимірні моделі структур білків, які не були отримані експериментальним шляхом.
- Обчислювальні підрозділи біохімії і біофізики, що широко використовують структурне моделювання і імітаційні методи, такі як молекулярна динаміка або методи засновані на методі Монте-Карло, в спробі пролити світло кінетику і термодинаміку роботи білків.
Історія
Деякі важливі для галузі обчислювальної біології історичні відкриття й досягнення:
- 1953: Джеймс Уотсон і Френсіс Крік пропонують структуру подвійної спіралі ДНК, з’ясовуючи фундаментальну основу зберігання генетичної інформації.
- Початок 1960-х років: [en] стала піонером обчислювальної біології, започаткувавши аналіз амінокислотної послідовності білків і методології передбачення структури білків.
- 1981: [en] і [en] винаходять [en], для локального вирівнювання послідовностей, революціонізуючи порівняння та [en].
- 1980-ті: Нідлман і Вунш розробляють алгоритм Нідлмена-Вунша для глобального вирівнювання послідовностей, що дозволяє ефективно порівнювати цілу ДНК або білкову послідовність.
- 1990: Проєкт геному людини — міжнародна наукова ініціатива, започаткована в 1990 році з метою картографування та секвенування всього геному людини, ідентифікації та визначення послідовності пар нуклеотидних основ, які складають ДНК людини. Цей монументальний проект, завершений у 2003 році, надав вичерпну довідкову інформацію для розуміння генетичного плану людського життя, пропонуючи розуміння генів, спадкових рис і основи різноманітних генетичних розладів і захворювань.
- 2001: Крейг Вентер та величезна команда дослідників Проєкту геному людини опублікували першу повну послідовність геному людини, розвиваючи геномні дослідження та обчислювальні методи аналізу даних.
- 2003: стартував [en], задля того, щоб скласти карту та зрозуміти епігеном — епігенетичний ландшафт геному людини, за аналогією Проєкту геному людини.
- 2009: [en] і його колеги описали в журналі Science метод [en], який досліджує тривимірну архітектуру цілих геномів шляхом поєднання лігування на основі близькості з [en].
- 2010: [en] і її колеги розробляють інноваційні методи статистичної геноміки для генетики популяцій.
- 2012: Еммануель Шарпентьє та Дженніфер Даудна розробляють систему редагування генів (CRISPR-Cas9), що революціонізує генетичні маніпуляції та можливості лікування. За цей винахід вони отримали Нобелівську премію з хімії у 2020 році та цілу низку престижних наукових нагород та відзнак.
- 2013: Майкл Левітт, Мартін Карплус і Ар’є Варшель отримують Нобелівську премію з хімії за розробку багатомасштабних моделей для складних хімічних систем.
- 2016: Фен Чжан і його колеги розробляють систему CRISPR-Cas13 для редагування РНК, розширюючи можливості редагування цільових послідовностей РНК.
- 2018: [en], розроблений компанією DeepMind, досяг новаторської точності у передбаченні білкових структур за допомогою штучного інтелекту та глибокого навчання.
- 2018: [en] та величезна команда колег оприлюднили першу частину [en], в якому планується відобразити кожен тип клітин людського тіла, використовуючи [en] геноміку та обчислювальний аналіз.
Моделювання
Пакет молекулярної динаміки [en] та програмне забезпечення для візуалізації [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 (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) 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 [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. 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.
- [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
- Біоінформатика
- Моделювання біологічних систем
- Мультиоміка
- Клаус Шультен
- Крейг Вентер
- Синтетична біологія
- Цифровий організм
- [en]
- [en]
- [en]
- [en]
- [en]
- [en]
Додаткова література
Книги
- Серія книг Computational Biology (, 2001-2023+)
Журнали
Наукові журнали, що охоплюють теми обчислювальної біології включають наступні, а також біоінформатичні журнали (див. Біоінформатика):
- PLOS Computational Biology (сайт)
- Journal of Computational Biology
- Nature Computational Science
- IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics
- Computational Biology and Chemistry
- Molecular Systems Biology
Статті
- Інформаційна біологія [ 14 березня 2016 у Wayback Machine.] //Фармацевтична енциклопедія
Примітки
- 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.
{{}}
: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом () Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом () - 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.
{{}}
: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом () - 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.
- Vilanova, Cristina; Porcar, Manuel (26 липня 2016). Are multi-omics enough?. Nature Microbiology. 1 (8): 16101. doi:10.1038/nmicrobiol.2016.101. PMID 27573112.
- 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.
- M.O. Dayhoff. Atlas of Protein Sequence and Structure (PDF).
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
{{}}
: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом () - 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.
- 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.
{{}}
: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом () Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом () - 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.
{{}}
: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом () - 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.
{{}}
: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом () Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом () - 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.
{{}}
: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом () - 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.
{{}}
: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом () - 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.
- 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.
{{}}
: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом () - 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.
- 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.
- 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.
{{}}
: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом () Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом () - 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.
- . www.ks.uiuc.edu. Архів оригіналу за 21 жовтня 2021. Процитовано 1 травня 2021.
- Koepke, Juergen; Hu, Xiche; Muenke, Cornelia; Schulten, Klaus; Michel, Hartmut (1 травня 1996). . 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.
- . Архів оригіналу за 29 квітня 2021. Процитовано 1 травня 2021.
{{}}
: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title () - . Архів оригіналу за 1 травня 2021. Процитовано 1 травня 2021.
{{}}
: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title ()
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Obchislyuvalna biologiya mizhdisciplinarna gazul nauki sho utvoryuyetsya na spivpraci biologiyi ta en spryamovana na rozuminnya biologichnih sistem za dopomogoyu obchislyuvalnih metodiv i instrumentiv Obchislyuvalna biologiya vikoristovuye dosyagnennya informatiki obchislyuvalnoyi tehniki prikladnoyi matematiki i statistiki dlya analizu biologichnih danih modelyuvannya biologichnih procesiv rozuminnya mehanizmiv sho lezhat v osnovi biologichnih yavish ta virishennya biologichnih ta biomedichnih problem Vikoristovuyuchi algoritmi statistichni modeli ta komp yuterne modelyuvannya obchislyuvalna biologiya virishuye riznomanitni biologichni pitannya vid rozuminnya genetichnih poslidovnostej i molekulyarnih struktur do vivchennya skladnih biologichnih merezh i sistem Sferi doslidzhen i zastosuvanObchislyuvalna biologiya vidigraye virishalnu rol u naukovih vidkrittyah v naukah pro zhittya i maye praktichne zastosuvannya v riznih oblastyah vklyuchayuchi rozrobku likiv personalizovanu medicinu silskogospodarsku biotehnologiyu ta doslidzhennya navkolishnogo seredovisha Yiyi mizhdisciplinarnij harakter spriyaye spivpraci mizh biologami informatikami matematikami ta inshimi fahifcyami sho vede do innovacijnih pidhodiv u biologichnih doslidzhennyah i znachno spriyaye nashomu rozuminnyu zhittyevih procesiv Golovnimi sferami v biologiyi ta biomedicini yaki zastosovuyut metodi obchislyuvalnoyi biologiyi ye Bioinformatika mizhdisciplinarna galuz nauki yaka poyednuye principi biologiyi informatiki matematiki ta statistiki dlya zboru analizu interpretaciyi ta keruvannya biologichnimi danimi Bioinformatika tisno pov yazana z obchislyuvalnoyu biologiyeyu i zoseredzhena na rozrobci ta vikoristanni obchislyuvalnih metodiv algoritmiv i programnih zasobiv dlya viluchennya znachushoyi informaciyi z velicheznih i skladnih naboriv biologichnih danih zokrema v genomici epigenomici proteomici ta inshih disciplinah omiksnih analiziv ta yih integrativnogo analizu multiomiki Obchislyuvalna genomika pidrozdil genomiki yakij vivchaye genomi klitin i organizmiv za dopomogoyu visokoproduktivnogo genomnogo sekvenuvannya sho vimagaye znachnoyi podalshoyi obrobki tak zvanoyi zbirki genomu i yakij vikoristovuye metod DNK mikrochipiv dlya statistichnogo analizu virazhenih v konkretnih tipah klitin geniv Multiomika ce pidhid do biologichnogo analizu spryamovanij na vikoristannya ta integraciyu velikoyi kilkosti danih nadanoyi omiksnimi doslidzhennyami omami takimi yak genom epigenom transkriptom proteom i mikrobiom meta genom meta proteom ta in interaktom tosho shob rozvinuti kompleksne rozuminnya biologichnih sistem Matematichna biologiya abo obchislyuvalne biomodelyuvannya pidrozdil biokibernetiki sho zajmayetsya pobudovoyu obchislyuvalnih modelej biologichnih sistem Molekulyarne modelyuvannya oblast doslidzhen yaka privertaye teoretichni i obchislyuvalni metodi dlya modelyuvannya abo imitaciyi povedinki molekul prichomu molekul v najshirshomu sensi sho polyagayut vid dekilkoh atomov i do gigantskih biologichnih lancyuzhkiv Sistemna biologiya sho stavit za metu modelyuvannya povnomasshtabnih biologichnih signalnih sistem i sistem peredachi signaliv dlya ciloyi klitini abo navit cilogo organizmu chasto vikoristovuyuchi metodi biomodelyuvannya matematichnoyi biologiyi ta metodiv analizu elektrotehnichnih merezh Peredbachennya strukturi bilkiv i strukturna genomika roblyat sprobi obchislyuvati tochni trivimirni modeli struktur bilkiv yaki ne buli otrimani eksperimentalnim shlyahom Obchislyuvalni pidrozdili biohimiyi i biofiziki sho shiroko vikoristovuyut strukturne modelyuvannya i imitacijni metodi taki yak molekulyarna dinamika abo metodi zasnovani na metodi Monte Karlo v sprobi proliti svitlo kinetiku i termodinamiku roboti bilkiv IstoriyaHronologiya Proyektu genomu lyudini Hronologiya osnovnih tehnologichnih rozrobok i vih omiksnih tehnologiyah Deyaki vazhlivi dlya galuzi obchislyuvalnoyi biologiyi istorichni vidkrittya j dosyagnennya 1953 Dzhejms Uotson i Frensis Krik proponuyut strukturu podvijnoyi spirali DNK z yasovuyuchi fundamentalnu osnovu zberigannya genetichnoyi informaciyi Pochatok 1960 h rokiv en stala pionerom obchislyuvalnoyi biologiyi zapochatkuvavshi analiz aminokislotnoyi poslidovnosti bilkiv i metodologiyi peredbachennya strukturi bilkiv 1981 en i en vinahodyat en dlya lokalnogo virivnyuvannya poslidovnostej revolyucionizuyuchi porivnyannya ta en 1980 ti Nidlman i Vunsh rozroblyayut algoritm Nidlmena Vunsha dlya globalnogo virivnyuvannya poslidovnostej sho dozvolyaye efektivno porivnyuvati cilu DNK abo bilkovu poslidovnist 1990 Proyekt genomu lyudini mizhnarodna naukova iniciativa zapochatkovana v 1990 roci z metoyu kartografuvannya ta sekvenuvannya vsogo genomu lyudini identifikaciyi ta viznachennya poslidovnosti par nukleotidnih osnov yaki skladayut DNK lyudini Cej monumentalnij proekt zavershenij u 2003 roci nadav vicherpnu dovidkovu informaciyu dlya rozuminnya genetichnogo planu lyudskogo zhittya proponuyuchi rozuminnya geniv spadkovih ris i osnovi riznomanitnih genetichnih rozladiv i zahvoryuvan 2001 Krejg Venter ta velichezna komanda doslidnikiv Proyektu genomu lyudini opublikuvali pershu povnu poslidovnist genomu lyudini rozvivayuchi genomni doslidzhennya ta obchislyuvalni metodi analizu danih 2003 startuvav en zadlya togo shob sklasti kartu ta zrozumiti epigenom epigenetichnij landshaft genomu lyudini za analogiyeyu Proyektu genomu lyudini 2009 en i jogo kolegi opisali v zhurnali Science metod en yakij doslidzhuye trivimirnu arhitekturu cilih genomiv shlyahom poyednannya liguvannya na osnovi blizkosti z en 2010 en i yiyi kolegi rozroblyayut innovacijni metodi statistichnoyi genomiki dlya genetiki populyacij 2012 Emmanuel Sharpentye ta Dzhennifer Daudna rozroblyayut sistemu redaguvannya geniv CRISPR Cas9 sho revolyucionizuye genetichni manipulyaciyi ta mozhlivosti likuvannya Za cej vinahid voni otrimali Nobelivsku premiyu z himiyi u 2020 roci ta cilu nizku prestizhnih naukovih nagorod ta vidznak 2013 Majkl Levitt Martin Karplus i Ar ye Varshel otrimuyut Nobelivsku premiyu z himiyi za rozrobku bagatomasshtabnih modelej dlya skladnih himichnih sistem 2016 Fen Chzhan i jogo kolegi rozroblyayut sistemu CRISPR Cas13 dlya redaguvannya RNK rozshiryuyuchi mozhlivosti redaguvannya cilovih poslidovnostej RNK 2018 en rozroblenij kompaniyeyu DeepMind dosyag novatorskoyi tochnosti u peredbachenni bilkovih struktur za dopomogoyu shtuchnogo intelektu ta glibokogo navchannya 2018 en ta velichezna komanda koleg oprilyudnili pershu chastinu en v yakomu planuyetsya vidobraziti kozhen tip klitin lyudskogo tila vikoristovuyuchi en genomiku ta obchislyuvalnij analiz ModelyuvannyaPaket molekulyarnoyi dinamiki en ta programne zabezpechennya dlya vizualizaciyi en biofizika Shulten vikoristovuyut shonajmenshe 300 000 doslidnikiv u vsomu sviti U 2006 z yavilasya model ikosaedrichnogo virusu suputnika tyutyunovoyi mozayiki STMV Vpershe bulo stvoreno povnu model yaka vimagala resursiv Nacionalnogo centru superkomp yuternih dodatkiv v Urbani rozmir 1 mln atomiv chas modelyuvannya 50 ns programa NAMD Modelyuvannya zabezpechilo nove uyavlennya pro mehanizmi zbirki virusu Vsya chastinka STMV skladayetsya z 60 odnakovih kopij odnogo bilka z yakih skladayetsya kapsidi obolonki i 1063 nukleotidnogo odnolancyugovogo RNK genoma Odnim iz klyuchovih visnovkiv te sho kapsid duzhe nestabilnij koli vseredini nemaye RNK tobto virus yakij viglyadaye simetrichno na neruhomih zobrazhennyah naspravdi impulsuye ta asimetrichnij Kapsida zalezhit vid genetichnogo materialu v RNK yadri chastinki i rujnuyetsya bez nogo Ce zasvidchilo sho persh nizh virus zmozhe pobuduvati svoyu obolonku pri rozmnozhenni povinen buti prisutnim genetichnij material V 2013 roci Shulten zmodelyuvav kapsid VIL z 64 miljoniv atomiv za dopomogoyu superkomp yutera Blue Waters U 2015 z yavilas model svitlovidbivayuchoyi klitini hromatofor purpurovoyi fotosintezuyuchi bakteriyi Purpurbakterie blizko 100 miljoniv atomiv za dopomogoyu superkomp yutera Titan v Nacionalnij laboratoriyi Oak Ridge U modelyuvanni procesiv peretvorennya sonyachnogo svitla v himichnu energiyu brali uchast 100 miljoniv atomiv 16000 lipidiv i 101 bilok hocha vmist krihitnoyi organeli zajmaye lishe odin vidsotok vid zagalnogo obsyagu klitini Shulten planuvav bilsh masshtabni modelyuvannya na superkomp yuteri SUMMIT U zhovtni 2017 z yavivsya frejmvork en persha platforma z vidkritim kodom dlya perekladu problem himiyi ta materialoznavstva v kvantovi shemi OpenFermion ce biblioteka dlya modelyuvannya sistem vzayemodiyuchih elektroniv fermioniv sho porodzhuyut vlastivosti rechovini Do OpenFermion rozrobnikam kvantovih algoritmiv potribno bulo vivchiti znachnu kilkist himiyi ta napisati veliku kilkist kodu shob zlamati inshi kodi shob sklasti navit najosnovnishi kvantovi simulyaciyi Prikladom uspishnih dosyagnen obchislyuvalnoyi biologiyi mozhna vvazhati deyaki proyekti podibnih World Community Grid rozpodilenih merezh Dali prikladi volonterskih proyektiv z obchislyuvalnoyi biologiyi v yakih mozhna vzyati uchast Folding home ce proyekt yakij doslidzhuye strukturu bilkiv i yih vzayemodiyi z likami ta hvorobami takimi yak rak cukrovij diabet ta COVID 19 Kozhen mozhe stati volonterom ta vikoristovuvati svij komp yuter shob dopomogti v obrobci velikih obsyagiv danih Rosetta home ce she odin proyekt z vivchennya strukturi bilkiv Volonteri mozhut vikoristovuvati svij komp yuter shob modelyuvati skladni molekulyarni sistemi yaki dopomagayut v rozuminni himiyi zhittya ta rozrobci novih likiv BOINC ce platforma dlya volonterskih proyektiv z obchislyuvalnoyi nauki vklyuchayuchi biologiyu Do proyektiv yaki mozhna pidklyuchitisya nalezhat World Community Grid yakij doslidzhuye hvorobi taki yak rak malyariya ta tuberkuloz ta GPUGRID yakij vivchaye strukturu bilkiv ta vikoristovuye yih dlya rozrobki novih likiv en ce volonterskij proyekt z obchislyuvalnoyi biologiyi yakij doslidzhuye evolyucijnu istoriyu geniv Volonteri mozhut grati v gru de yihni ruhi dopomagayut u pobudovi dereva filogenetichnogo dereva yake vkazuye na evolyucijni zv yazki mizh genami Ci proyekti vidkriti dlya vsih bazhayuchih ta dozvolyayut vnesti svij vklad u rozvitok nauki dopomagayuchi doslidzhuvati skladni biologichni sistemi ta rozroblyati novi liki Div takozhBioinformatika Modelyuvannya biologichnih sistem Multiomika Klaus Shulten Krejg Venter Sintetichna biologiya Cifrovij organizm en en en en en en Dodatkova literaturaKnigi Seriya knig Computational Biology Springer 2001 2023 Zhurnali Naukovi zhurnali sho ohoplyuyut temi obchislyuvalnoyi biologiyi vklyuchayut nastupni a takozh bioinformatichni zhurnali div Bioinformatika PLOS Computational Biology sajt Journal of Computational Biology Nature Computational Science IEEE ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics Computational Biology and Chemistry Molecular Systems Biology Statti Informacijna biologiya 14 bereznya 2016 u Wayback Machine Farmacevtichna enciklopediyaPrimitkiHasin Yehudit Seldin Marcus Lusis Aldons 5 travnya 2017 Multi omics approaches to disease Genome Biology T 18 1 s 83 doi 10 1186 s13059 017 1215 1 ISSN 1474 760X PMC 5418815 PMID 28476144 Procitovano 11 chervnya 2023 a href wiki D0 A8 D0 B0 D0 B1 D0 BB D0 BE D0 BD Cite news title Shablon Cite news cite news a Obslugovuvannya CS1 Storinki z PMC z inshim formatom posilannya Obslugovuvannya CS1 Storinki iz nepoznachenim DOI z bezkoshtovnim dostupom posilannya Bersanelli Matteo Mosca Ettore Remondini Daniel Giampieri Enrico Sala Claudia Castellani Gastone Milanesi Luciano 1 sichnya 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 a href wiki D0 A8 D0 B0 D0 B1 D0 BB D0 BE D0 BD Cite journal title Shablon Cite journal cite journal a Obslugovuvannya CS1 Storinki iz nepoznachenim DOI z bezkoshtovnim dostupom posilannya 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 Vilanova Cristina Porcar Manuel 26 lipnya 2016 Are multi omics enough Nature Microbiology 1 8 16101 doi 10 1038 nmicrobiol 2016 101 PMID 27573112 Watson J D Crick F H C 1953 04 Molecular Structure of Nucleic Acids A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid Nature angl T 171 4356 s 737 738 doi 10 1038 171737a0 ISSN 1476 4687 Procitovano 20 grudnya 2023 M O Dayhoff Atlas of Protein Sequence and Structure PDF Smith T F Waterman M S 1981 03 Identification of common molecular subsequences Journal of Molecular Biology angl T 147 1 s 195 197 doi 10 1016 0022 2836 81 90087 5 Procitovano 20 grudnya 2023 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 angl T 48 3 s 443 453 doi 10 1016 0022 2836 70 90057 4 Procitovano 20 grudnya 2023 Watson James D 6 kvitnya 1990 The Human Genome Project Past Present and Future Science angl T 248 4951 s 44 49 doi 10 1126 science 2181665 ISSN 0036 8075 Procitovano 20 grudnya 2023 Powledge Tabitha M 2003 Human genome project completed Genome Biology angl T 4 s spotlight 20030415 01 doi 10 1186 gb spotlight 20030415 01 ISSN 1465 6906 Procitovano 20 grudnya 2023 a href wiki D0 A8 D0 B0 D0 B1 D0 BB D0 BE D0 BD Cite news title Shablon Cite news cite news a Obslugovuvannya CS1 Storinki iz nepoznachenim DOI z bezkoshtovnim dostupom posilannya 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 lyutogo 2001 The Sequence of the Human Genome Science angl T 291 5507 s 1304 1351 doi 10 1126 science 1058040 ISSN 0036 8075 Procitovano 20 grudnya 2023 Bradbury Jane 22 grud 2003 r Human Epigenome Project Up and Running PLOS Biology angl T 1 3 s e82 doi 10 1371 journal pbio 0000082 ISSN 1545 7885 PMC 300691 PMID 14691553 Procitovano 20 grudnya 2023 a href wiki D0 A8 D0 B0 D0 B1 D0 BB D0 BE D0 BD Cite news title Shablon Cite news cite news a Obslugovuvannya CS1 Storinki z PMC z inshim formatom posilannya Obslugovuvannya CS1 Storinki iz nepoznachenim DOI z bezkoshtovnim dostupom posilannya Lieberman Aiden Erez van Berkum Nynke L Williams Louise Imakaev Maxim Ragoczy Tobias Telling Agnes Amit Ido Lajoie Bryan R Sabo Peter J 9 zhovtnya 2009 Comprehensive Mapping of Long Range Interactions Reveals Folding Principles of the Human Genome Science angl T 326 5950 s 289 293 doi 10 1126 science 1181369 ISSN 0036 8075 PMC 2858594 PMID 19815776 Procitovano 20 grudnya 2023 a href wiki D0 A8 D0 B0 D0 B1 D0 BB D0 BE D0 BD Cite news title Shablon Cite news cite news a Obslugovuvannya CS1 Storinki z PMC z inshim formatom posilannya Engelhardt Barbara E Stephens Matthew 16 veresnya 2010 Walsh Bruce red Analysis of Population Structure A Unifying Framework and Novel Methods Based on Sparse Factor Analysis PLoS Genetics angl T 6 9 s e1001117 doi 10 1371 journal pgen 1001117 ISSN 1553 7404 PMC 2940725 PMID 20862358 Procitovano 20 grudnya 2023 a href wiki D0 A8 D0 B0 D0 B1 D0 BB D0 BE D0 BD Cite news title Shablon Cite news cite news a Obslugovuvannya CS1 Storinki z PMC z inshim formatom posilannya Obslugovuvannya CS1 Storinki iz nepoznachenim DOI z bezkoshtovnim dostupom posilannya Jinek Martin Chylinski Krzysztof Fonfara Ines Hauer Michael Doudna Jennifer A Charpentier Emmanuelle 17 serpnya 2012 A Programmable Dual RNA Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity Science angl T 337 6096 s 816 821 doi 10 1126 science 1225829 ISSN 0036 8075 PMC 6286148 PMID 22745249 Procitovano 20 grudnya 2023 a href wiki D0 A8 D0 B0 D0 B1 D0 BB D0 BE D0 BD Cite news title Shablon Cite news cite news a Obslugovuvannya CS1 Storinki z PMC z inshim formatom posilannya Jinek Martin Chylinski Krzysztof Fonfara Ines Hauer Michael Doudna Jennifer A Charpentier Emmanuelle 17 serpnya 2012 A Programmable Dual RNA Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity Science angl T 337 6096 s 816 821 doi 10 1126 science 1225829 ISSN 0036 8075 PMC 6286148 PMID 22745249 Procitovano 6 serpnya 2023 a href wiki D0 A8 D0 B0 D0 B1 D0 BB D0 BE D0 BD Cite news title Shablon Cite news cite news a Obslugovuvannya CS1 Storinki z PMC z inshim formatom posilannya Doudna Jennifer A Charpentier Emmanuelle 28 listopada 2014 The new frontier of genome engineering with CRISPR Cas9 Science angl T 346 6213 doi 10 1126 science 1258096 ISSN 0036 8075 Procitovano 6 serpnya 2023 Cox David B T Gootenberg Jonathan S Abudayyeh Omar O Franklin Brian Kellner Max J Joung Julia Zhang Feng 24 listopada 2017 RNA editing with CRISPR Cas13 Science angl T 358 6366 s 1019 1027 doi 10 1126 science aaq0180 ISSN 0036 8075 PMC 5793859 PMID 29070703 Procitovano 20 grudnya 2023 a href wiki D0 A8 D0 B0 D0 B1 D0 BB D0 BE D0 BD Cite news title Shablon Cite news cite news a Obslugovuvannya CS1 Storinki z PMC z inshim formatom posilannya Jumper John Evans Richard Pritzel Alexander Green Tim Figurnov Michael Ronneberger Olaf Tunyasuvunakool Kathryn Bates Russ Zidek Augustin 2021 08 Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold Nature angl T 596 7873 s 583 589 doi 10 1038 s41586 021 03819 2 ISSN 1476 4687 Procitovano 20 grudnya 2023 Rozenblatt Rosen Orit Stubbington Michael J T Regev Aviv Teichmann Sarah A 2017 10 The Human Cell Atlas from vision to reality Nature angl T 550 7677 s 451 453 doi 10 1038 550451a ISSN 1476 4687 Procitovano 20 grudnya 2023 Regev Aviv Teichmann Sarah A Lander Eric S Amit Ido Benoist Christophe Birney Ewan Bodenmiller Bernd Campbell Peter Carninci Piero 5 grudnya 2017 The Human Cell Atlas eLife angl T 6 doi 10 7554 eLife 27041 ISSN 2050 084X PMC 5762154 PMID 29206104 Procitovano 20 grudnya 2023 a href wiki D0 A8 D0 B0 D0 B1 D0 BB D0 BE D0 BD Cite news title Shablon Cite news cite news a Obslugovuvannya CS1 Storinki z PMC z inshim formatom posilannya Obslugovuvannya CS1 Storinki iz nepoznachenim DOI z bezkoshtovnim dostupom posilannya Rood Jennifer E Maartens Aidan Hupalowska Anna Teichmann Sarah A Regev Aviv 2022 12 Impact of the Human Cell Atlas on medicine Nature Medicine angl T 28 12 s 2486 2496 doi 10 1038 s41591 022 02104 7 ISSN 1546 170X Procitovano 20 grudnya 2023 www ks uiuc edu Arhiv originalu za 21 zhovtnya 2021 Procitovano 1 travnya 2021 Koepke Juergen Hu Xiche Muenke Cornelia Schulten Klaus Michel Hartmut 1 travnya 1996 Structure English T 4 5 s 581 597 doi 10 1016 S0969 2126 96 00063 9 ISSN 0969 2126 PMID 8736556 Arhiv originalu za 30 chervnya 2013 Procitovano 1 travnya 2021 Arhiv originalu za 29 kvitnya 2021 Procitovano 1 travnya 2021 a href wiki D0 A8 D0 B0 D0 B1 D0 BB D0 BE D0 BD Cite web title Shablon Cite web cite web a Obslugovuvannya CS1 Storinki z tekstom archived copy yak znachennya parametru title posilannya Arhiv originalu za 1 travnya 2021 Procitovano 1 travnya 2021 a href wiki D0 A8 D0 B0 D0 B1 D0 BB D0 BE D0 BD Cite web title Shablon Cite web cite web a Obslugovuvannya CS1 Storinki z tekstom archived copy yak znachennya parametru title posilannya