Собираем мозаику: протеомика и биоинформатика
08.06.2006
6673
0
66730
Начало брошюры см. здесь.
Протеомика
Каждая клетка продуцирует тысячи белков, каждый из которых выполняет специфическую функцию. Набор белков клетки называется ее протеомом, а наука протеомика занимается изучением структуры, функций, локализации и взаимодействия белков внутри клетки и между клетками. Организация по изучению человеческого протеома (Human Proteome Organization), исходя из того, что потенциально один ген может кодировать тысячи белков, оценивает возможность идентификации в человеческом протеоме по крайней мере миллиона белков.
Функции генов проявляются посредством синтеза (экспрессии) соответствующих белков. В окончательном счете для полного понимания взаимосвязей между генами, продукцией белков и проявлением признаков мы должны сопоставить данные структуральной геномики, функциональной геномики и протеомики. Но, в любом случае, по сравнению с геномикой, протеомика ставит перед исследователями гораздо более многочисленные и трудные задачи.
Структура белковых молекул гораздо сложнее, чем структура молекул ДНК, которые представляют собой линейные молекулы, состоящие из четырех нерегулярно повторяющихся элементов (нуклеотидов). Белковая молекула – это цепочка из 22 элементов (аминокислот) соединенных в последовательности, закодированной в нуклеотидах соответствующего гена. Эти цепочки скручены в сложные запутанные структуры, форма которых обеспечивает выполнение специфических функций протеинов. Известно, что форма, которую принимает белковая молекула, зависит от последовательности аминокислот, однако все механизмы скручивания и складывания аминокислотной цепочки до конца не изучены. Это ограничивает наши возможности по прогнозу того, какую форму примет та или иная последовательность аминокислот и для выполнения каких функций будет предназначен белок, который при этом образуется.
В организме присутствуют тысячи структурно отличающихся друг от друга белков, в то время как молекулы ДНК имеют практически одинаковую форму. Кроме того, в отличие от неизменного генома, протеом организма настолько динамичен, что можно говорить о практически бесконечно большом количестве возможных комбинаций составляющих его белков. Геном организма не меняется ни в зависимости от типа клетки, ни в зависимости от возраста организма, протеом же варьирует от клетки к клетке, от года к году и даже от момента к моменту. Он меняется в ответ на сигналы, посылаемые другими клетками и поступающие из окружающей среды. Один-единственный ген может отвечать за синтез различных вариантов белка, каждый из которых обладает своей собственной функцией.
Первоочередной задачей исследователей, работавших над Human Genome Project, была разработка методов, которые позволили бы им добиться поставленных целей. Ученые, занимающиеся протеомикой, и по сей день находятся в подобном положении: им необходимо разработать достаточное количество методов и приемов, которые могли бы обеспечить эффективную работу над огромным количеством вопросов. Здесь приведены лишь некоторые из них:
– каталогизация всех белков, синтезируемых различными типами клеток;
– выяснение характера влияния возраста, условий окружающей среды и заболеваний на синтезируемые клеткой протеины;
– выяснение функций идентифицированных белков;
– составление схем связей между повышением или понижением уровня синтеза белков и происходящими в организме процессами, например, при развитии заболевания, инфицировании организма или биохимическими реакциями сельскохозяйственного растения, происходящимиая в ответ на нападение насекомых;
– изучение взаимодействий различных белков с другими белками, содержащимися внутри клетки и во внеклеточном пространстве.
Биоинформатика
Совершенно очевидно, что биотехнология невозможна без компьютеров и Интернета. Универсальные методы общения через компьютеры позволяют исследователям всего мира делиться полученными данными и пользоваться результатами работы других групп, а универсальный язык живого мира делает возможной совместную работу специалистов, занимающихся изучением любых растений, животных или микроорганизмов.
Одна из основных трудностей, стоящих на пути ученых – это проблема эффективной обработки массы информации, полученной в результате использования мощных методов и подходов, используемых в биотехнологических исследованиях. К основным задачам биоинформатики относится разработка методов сбора, хранения и поиска информации. Организация данных должна быть обеспечена таким образом, чтобы доступ к любой информации не был затруднен в результате ее неудачного размещения или перекрытия ссылок. Необходим также интегрированный подход к анализу информации и создание методов визуализации молекулярных и клеточных данных.
Для согласованной организации данных, обеспечения доступа к информации, а также ее обработки и интегрирования биоинформационные технологии используют вычислительные приборы и методы, созданные в результате революции информационных технологий, такие как пакеты программ для статистической обработки данных, графическое моделирование, алгоритмы и методы управления базами данных.
Биоинформатика делится на два основных направления. Задачей первого является сбор, хранение, обеспечение доступа и визуализация данных. Второе направление, зачастую называемое вычислительной биологией, специализируется на интеграции и анализе информации и моделировании биологических процессов.
Системная биология представляет собой направление биологии, использующее биологическую информацию для создания моделей биологических процессов на всех уровнях, от отдельных биохимических реакций до клеток и целых организмов. Системные биологи заняты разработкой набора математических моделей биологических процессов и механизмов с целью выяснения всей сложности взаимодействий, происходящих в живых системах. Только многократное биомоделирование, осуществляемое с помощью компьютеров, может позволить воспроизвести полную картину изучаемой системы. Доказательством исключительной важности наличия компьютеров в биотехнологических лабораториях может служить тот факт, что выражение in silico («в кремнии» – моделируемый на компьютере) в настоящее время используется для описания условий эксперимента наравне с традиционными in vivo (в организме) и in vitro (в пробирке).
Со временем характер действия биотехнологических препаратов будет постепенно менять направленность от воздействия на единичные молекулы и гены к влиянию на системы и механизмы. Биоинформационная технология станет неотъемлемой частью всех этапов изучения, разработки и коммерциализации продуктов прикладной биотехнологии.
Евгения Рябцева
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/ по материалам BIO.org.
Продолжение следует.
Протеомика
Каждая клетка продуцирует тысячи белков, каждый из которых выполняет специфическую функцию. Набор белков клетки называется ее протеомом, а наука протеомика занимается изучением структуры, функций, локализации и взаимодействия белков внутри клетки и между клетками. Организация по изучению человеческого протеома (Human Proteome Organization), исходя из того, что потенциально один ген может кодировать тысячи белков, оценивает возможность идентификации в человеческом протеоме по крайней мере миллиона белков.
Функции генов проявляются посредством синтеза (экспрессии) соответствующих белков. В окончательном счете для полного понимания взаимосвязей между генами, продукцией белков и проявлением признаков мы должны сопоставить данные структуральной геномики, функциональной геномики и протеомики. Но, в любом случае, по сравнению с геномикой, протеомика ставит перед исследователями гораздо более многочисленные и трудные задачи.
Структура белковых молекул гораздо сложнее, чем структура молекул ДНК, которые представляют собой линейные молекулы, состоящие из четырех нерегулярно повторяющихся элементов (нуклеотидов). Белковая молекула – это цепочка из 22 элементов (аминокислот) соединенных в последовательности, закодированной в нуклеотидах соответствующего гена. Эти цепочки скручены в сложные запутанные структуры, форма которых обеспечивает выполнение специфических функций протеинов. Известно, что форма, которую принимает белковая молекула, зависит от последовательности аминокислот, однако все механизмы скручивания и складывания аминокислотной цепочки до конца не изучены. Это ограничивает наши возможности по прогнозу того, какую форму примет та или иная последовательность аминокислот и для выполнения каких функций будет предназначен белок, который при этом образуется.
В организме присутствуют тысячи структурно отличающихся друг от друга белков, в то время как молекулы ДНК имеют практически одинаковую форму. Кроме того, в отличие от неизменного генома, протеом организма настолько динамичен, что можно говорить о практически бесконечно большом количестве возможных комбинаций составляющих его белков. Геном организма не меняется ни в зависимости от типа клетки, ни в зависимости от возраста организма, протеом же варьирует от клетки к клетке, от года к году и даже от момента к моменту. Он меняется в ответ на сигналы, посылаемые другими клетками и поступающие из окружающей среды. Один-единственный ген может отвечать за синтез различных вариантов белка, каждый из которых обладает своей собственной функцией.
Первоочередной задачей исследователей, работавших над Human Genome Project, была разработка методов, которые позволили бы им добиться поставленных целей. Ученые, занимающиеся протеомикой, и по сей день находятся в подобном положении: им необходимо разработать достаточное количество методов и приемов, которые могли бы обеспечить эффективную работу над огромным количеством вопросов. Здесь приведены лишь некоторые из них:
– каталогизация всех белков, синтезируемых различными типами клеток;
– выяснение характера влияния возраста, условий окружающей среды и заболеваний на синтезируемые клеткой протеины;
– выяснение функций идентифицированных белков;
– составление схем связей между повышением или понижением уровня синтеза белков и происходящими в организме процессами, например, при развитии заболевания, инфицировании организма или биохимическими реакциями сельскохозяйственного растения, происходящимиая в ответ на нападение насекомых;
– изучение взаимодействий различных белков с другими белками, содержащимися внутри клетки и во внеклеточном пространстве.
Биоинформатика
Совершенно очевидно, что биотехнология невозможна без компьютеров и Интернета. Универсальные методы общения через компьютеры позволяют исследователям всего мира делиться полученными данными и пользоваться результатами работы других групп, а универсальный язык живого мира делает возможной совместную работу специалистов, занимающихся изучением любых растений, животных или микроорганизмов.
Одна из основных трудностей, стоящих на пути ученых – это проблема эффективной обработки массы информации, полученной в результате использования мощных методов и подходов, используемых в биотехнологических исследованиях. К основным задачам биоинформатики относится разработка методов сбора, хранения и поиска информации. Организация данных должна быть обеспечена таким образом, чтобы доступ к любой информации не был затруднен в результате ее неудачного размещения или перекрытия ссылок. Необходим также интегрированный подход к анализу информации и создание методов визуализации молекулярных и клеточных данных.
Для согласованной организации данных, обеспечения доступа к информации, а также ее обработки и интегрирования биоинформационные технологии используют вычислительные приборы и методы, созданные в результате революции информационных технологий, такие как пакеты программ для статистической обработки данных, графическое моделирование, алгоритмы и методы управления базами данных.
Биоинформатика делится на два основных направления. Задачей первого является сбор, хранение, обеспечение доступа и визуализация данных. Второе направление, зачастую называемое вычислительной биологией, специализируется на интеграции и анализе информации и моделировании биологических процессов.
Системная биология представляет собой направление биологии, использующее биологическую информацию для создания моделей биологических процессов на всех уровнях, от отдельных биохимических реакций до клеток и целых организмов. Системные биологи заняты разработкой набора математических моделей биологических процессов и механизмов с целью выяснения всей сложности взаимодействий, происходящих в живых системах. Только многократное биомоделирование, осуществляемое с помощью компьютеров, может позволить воспроизвести полную картину изучаемой системы. Доказательством исключительной важности наличия компьютеров в биотехнологических лабораториях может служить тот факт, что выражение in silico («в кремнии» – моделируемый на компьютере) в настоящее время используется для описания условий эксперимента наравне с традиционными in vivo (в организме) и in vitro (в пробирке).
Со временем характер действия биотехнологических препаратов будет постепенно менять направленность от воздействия на единичные молекулы и гены к влиянию на системы и механизмы. Биоинформационная технология станет неотъемлемой частью всех этапов изучения, разработки и коммерциализации продуктов прикладной биотехнологии.
Евгения Рябцева
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/ по материалам BIO.org.
Продолжение следует.
Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Последние комментарии
