BİYOİNFORMATİK AYÇA İŞLEK OĞUZHAN DEMİROK HURİYE VERİM ADEM DUMAN

Transkript

1 BİYOİNFORMATİK AYÇA İŞLEK OĞUZHAN DEMİROK HURİYE VERİM ADEM DUMAN

2 BİYOİNFORMATİKNEDİR? Biyoinformatik, biyomedikal araştırmaların, tıpta ve biyolojide elde edilen bilgilerin bilgisayar yardımı ile bu alandaki veri ve bilginin toplanması, temsil edilmesi, erişilmesi ve analizi ile ilgili problemleri çözümlemeye yönelik en son teknolojik yöntemler ve tasarımlar geliştirerek incelenmesi, işlenmesi ve depolanmasıdır.

3 İnterdisipliner bir bilim olan biyoinformatik, matematik, istatistik, bilgisayar bilimleri ve biyoloji alanlarının birleşmesi ile oluşmaktadır. Bu alanlarda yapılan araştırmalarda elde edilen mevcut veriler 1986 da 3939 iken, 1999 yılında e çıkmıştır yılında insan genom projesi açıklanmasıyla elde edilen verilere göre gen keşfedildi. Günümüzde ise yaklaşık veri sayısı i geçmiştir. Bu verilerin çıktı olarak alınması ve saklanmasının getirdiği zorluklar neticesi ile biyoinformatik bilim dalı ortaya çıktı. Şu an bir çok üniversitede lisans düzeyinde biyoinformatik ve genetik programı, yüksek lisans düzende ise biyoinformatik programı uygulanmaktadır.

4 BİYOİNFORMATİKARAŞTIRMALARIN TEMELDE 3 AMACI VARDIR 1. Analiz araçlarını kullanarak, verileri biyolojik olarak yorumlayabilmek 2. Var olan verilerin analizleri için araçlar geliştirmek 3. Var olan biyolojik verileri araştırmacıların ulaşabileceği biçimde organize etmek ve yeni bilgiler üretildikçe veriler üzerine ekleme yapabilmeye imkan vermek

5 KULLANIM ALANLARI Biyoinformatik, sadece verileri depolamak için kullanılmaz. Biyolojik bilgiler ile ilgili veritabanı oluşturup yönetilmesi, genom ve analizleri, işlevsel genomik ve ilgili veri analizleri, birincil protein dizisinden protein 3 boyutlu tahmini, hücresel olayların modellenmeli gibi projelerde de kullanılmaktadır.

6 Biyoinformatiğin önemli bir fonksiyonu ise biyolojik olayların moleküler düzeyde açıklanmasına yardımcı olmasıdır. Biyoinformatikte yapılan biyolojik çalışmalar, protein yapı ve fonksiyonun belirlenmesi, herhangi bir biyolojik fonksiyonu arttıran ya da engelleyen küçük moleküllerin tasarlanması, karmaşık genetik fonksiyon ya da regülasyonlarla faaliyetlerinin tanımlanması, tıbbi ya da endüstriyel amaçlı yeni makromoleküller üretmek ve genetik faktörlerin hastalık yatkınlığına etkinliğini ortaya çıkarmaktadır.

7 VERİ TABANLARI Birbirleriyle ilişkili olan verilerin birlikte tutulduğu yönetilebilir, güncellenebilir, taşınabilir ve anlamlandırılabilir kullanım anacına uygun olarak sistemli bir şekilde toplanmış düzenli bilgiler topluluğuna veri tabanları denir.

8 Veri tabanları, biyolojik enformasyonun paylaşımının kolaylaştırılması, bilgisayar ile otomize edilmiş veri analizi ve iletiminde, etkileşimde bulunan gen ürünleri için bilgi ağları oluşturulmasında, kimyasal reaksiyonlardan hücreler arası iletişime kadar pek çok biyolojik faaliyet sürecinin simülasyonunda ve büyük çaplı biyolojik deneylerden (genom projeleri gibi) çıkan sonuçların analizlerinin kayıt altına alınmasında kullanılır. Biyoinformatik veri tabanları, DNA ve proteinlerin sıra ve dizilimleri ile makromoleküler yapıların (DNA,RNA, protein) 3 boyutlu dizilim araştırmaları gibi bilgileri içermektedir.

9 Biyoinformatik sayesinde hastalıkların önlemlenmesinde önemli gelişmeler sağlanması hedeflenmektedir. Veri tabanlarındaki bilgiler, farklı hastalıklardan etkilenen hücrelerin bilgilerinin kıyaslanması yöntemiyle aradaki farklılıklardan yararlanarak, hastalıkların teşhisine yönelik ilaç üretiminde kullanılmaktadır.

10 GENETİK VERİ NEDİR? Biyoinformatik biliminin işlediği veri tipi çoğunlukla genetik veri ve buna bağlı gen ifadesidir. Peki nedir genetik veri? Canlının, kalıtsal olan ve kalıtsal olmayan DNA özellikleridir.

11 Bu özellikleri inceleme yöntemleri Mendel den bu yana dolaylı analizlerken (linkage analizi, karyotip vs.) bu yüzyılda yerini sekanslama teknolojisine bıraktı. Sekanslama, bir nükleik asit zincirini (DNA/RNA) oluşturan nükleotidlerin (A, T, C, G, U) sırası ile belirlenmesidir.

12 DNA DNA VE KROMOZOM GENETİK VERİ NE İŞİMİZE YARAR? Her canlı türünün kendine özgü genleri ve genetik elementleri vardır. Her geçen gün daha hızlı ve daha düşük maliyetle çalışan sekanslama teknolojisi ve genetik analiz, hayat kalitemizi yükseltmek için envaitürlü kullanılmaya başlandı. Örneğin genetik analiz canlının var olup olmadığına kanıt olarak kullanılabilir.

13 Bu ilk duyduğunuzda size garip gelebilir, o yüzden şu örneği verelim. Kanınızda sıtma mikrobunun (Plasmodium) olup olmadığını anlamanın en güvenilir yolu mikroskop altında gözden kaçabilecek Plasmodium türlerini de yakaladığı için, PCR yardımı ile genetik analizdir. (McCutchan, 2008).

14 Ya da bir grup canlıyı sınıflandırmak istediğinizi düşünün. Bu tür sınıflandırmalar, yani akrabalık ilişkilerini kurmak, taksonomi bilimi ve pratik uygulamaları için (bakteriler için antibiyotik geliştirme, dayanıklılığı yüksek bitkiler vs.) son derece önemlidir.

15 Aristo döneminde renk, büyüklük gibi özellikler yardımıyla yapılan sınıflandırma ve filogenetik ağaçlar, artık canlıların genomlarını (canlının tüm DNA bilgisi) karşılaştırarak, çok daha gerçekçi biçimde yapılmaktadır..

16 Bu sınıflandırmayı yapan bilimadamları, genetik desenleri tanımak için genetik, takip etmek için istatistik, ve bunları bilgisayar ortamında organize edebilmek için bilgisayar mühendisliği bilen biyoinformatikçilerdir. Başka bir örnekte, mitokondrinin geçirmiş olduğu evrimsel basamakları anlamaya çalıştığınızı düşünün

17 Mitokondrinin zaman içinde geçirdiği değişimleri, küçük genetik izlerden takip ederek evrimsel hikayesine ulaşanlar, hem genetik bilen, hem de bu küçük izleri takip edebilecek kadar istatistik bilen bioinformatikçilerdir (Gray et al., 1999).

18 Mitokondriyel DNA ile bakteri türlerinin genomunu karşılaştıran bilimadamları, endosimyiboza kanıt sunmuşlardır. Benzer biçimde türleşmeyi ve canlıların göç yollarını geriye doğru takip etmek, yani evrimin geri geri saymak, biyoinformatikçilerin uzmanlık alanına girmektedir.

19 GENETİK VERİYİ ENDÜSTRİDE NASIL KULLANIRIZ?

20 Küresel çapta en hızlı ilerleyen bir kaç sektörden biri biyoteknolojidir. Biyoteknoloji sektörü biyolojik bilimlerin pek çoğundan faydalanır. Mesela, sıcaklığı yüksek ve asitli bir kraterdeki ekosistemden, bir çok farklı canlıyı içeren bir örnek aldığınızı düşünün; Aldığınız örnekten elde ettiğiniz toplam DNA yı sekanslamak (metagenomik analiz) size örnekteki canlı türleri, ve değişik canlıların yüksek sıcaklık/düşük ph ile hangi genler yardımıyla başa çıktığına dair önemli ipuçları verir; hatta bu ortamda hayatta kalmalarına izin veren yeni genler keşfedebilirsiniz. Biyoteknoloji çalışmalarında orijinal gen keşfi hayati önem taşır. Yüksek sıcaklıkta kararlılığı yüksek polimeraz enziminden (PCR teknolojileri için gereklidir), selülozdan alkol üreten bakteriye kadar (biyo-yakıt teknolojileri için gereklidir) pek çok amaç için, biyoteknoloji firmaları ve devletler yeni gen keşfi ve gen sınıflandırmasına dev bütçeler ayırmaktadırlar.

21 Aldığınız örnekten elde ettiğiniz toplam DNA yı sekanslamak (metagenomik analiz) size örnekteki canlı türleri, ve değişik canlıların yüksek sıcaklık/düşük ph ile hangi genler yardımıyla başa çıktığına dair önemli ipuçları verir; hatta bu ortamda hayatta kalmalarına izin veren yeni genler keşfedebilirsiniz. Biyoteknoloji çalışmalarında orijinal gen keşfi hayati önem taşır. Yüksek sıcaklıkta kararlılığı yüksek polimeraz enziminden (PCR teknolojileri için gereklidir), selülozdan alkol üreten bakteriye kadar (biyo-yakıt teknolojileri için gereklidir) pek çok amaç için, biyoteknoloji firmaları ve devletler yeni gen keşfi ve gen sınıflandırmasına dev bütçeler ayırmaktadırlar.

22 TIPTA GENETİK BİLGİ NASIL KULLANILIR?

23 Genetik bilgi, türün bireyleri arasında çeşitlilik gösterir. Bu çeşitlilik adaptasyonu arttırdığı için türün hayatta kalma şansını güçlendirse de, bazı bireylerin bazı hastalıklara yatkın olmasına, veya bazı kalıtsal hastalıklarla doğmasına sebep olur. Görülen hastalıklar ile sorumlu gen veya sorumlu mutasyonlar arasındaki bağlantıyı kurabilmek için yoğun biyoinformatik çalışmaya ihtiyaç vardır.

24 Bir insanın genomuna biyoinformatik analiz uygulayarak hangi hastalıkları taşıdığını veya hangi hastalıklara yatkın olduğunu tayin edebilirsiniz. Genetik bilimciler biyoinformatik teknikleri kendileri uygulayabildikleri gibi, biyoinformatik uzmanlarıyla beraber de çalışmaktadır. Yaygınlaşan sekanslama teknikleri günümüzde genetik tanının en sık kullanılan şekli olmuştur (Illumina 1000 dolarlık tüm genom sekanslama tekniğini yakın zamanda sundu).

25 Türkiye de ise genetik tanı sektörü oldukça gelişmiştir ve çevre ülkelerden yoğun talep görmektedir. Fakat belirttiğimiz gibi, 3 milyar bazlık veriye sahip olmak hiç bir işimize yaramaz. Bu devasa veriden anlamlı bilgileri, biyoinformatikçiler çıkarır.

26 Kanser tedavisinde tümörün kökeni, evresi ve geçirdiği mutasyonlar hayati önem taşır. Kişiye özgü tıp ile, uygulanan tedavi tümörün özelliklerine göre tamamen değişmektedir. Tümörü tanımlamak ise, ıslak laboratuvarda hücre biyologlarının, kuru laboratuvarda biyoinformatikçilerin işidir. Uygulamada olan tümör tanımlama görevi, buzdağının sadece görebildiğimiz kısmıdır.

27 Göremediğimiz kısmını su yüzüne çıkarmak için, tümörleri tanımlayacak uygun parametreler (biomarker) aranmaktadır. Bu araştırma süreci için, biyoteknoloji ve ilaç sektörünün önde giden bütün firmaları, ünlü enstitüler ve araştırma grupları muazzam bütçeler ve insan gücü kullanmaktadır. Mikroarray gibi deneylerle moleküler biyologların ve genetikçilerin başlattığı biomarker sürecini, bilgisayar ortamında biyoinformatikçiler tamamlamaktadır

28 MEME, AKCİĞER VE YUMURTALIK KANSERİ İÇİN, DNA METİLASYONUNU KULLANARAK BİOMARKER ARAŞTIRMASI Ülkemizde, çoğunlukla biyoteknoloji araştırmaları ile beraber olarak, belli başlı biyoinformatik şirketleri mevcuttur; Genometri, PHI-Tech, HGM Biyoinformatik, AG Biyoinformatik, Done Genetik, Genomize. Uluslararası sularda ise öne çıkan bioinformatik firmalarından bir kaçı şöyledir: Celera Genomics (ABD, İnsan Genom Projesini gerçekleştirdi) Accelrys Inc. (ABD), Invitrogen (ABD), DNASTAR (ABD), Ingenuity Systems (ABD), Rosetta Biosoftware (ABD) Genedata (İsviçre), CLC bio (Danimarka), Biobase (Almanya).

29 TEMEL ARAŞTIRMALARDA BİYOİNFORMATİK Şimdiye kadar hastalık durumlarından bahsettik. Oysa bütün bilgimize rağmen hayat gizemini halen korumaktadır. Bir hücrenin nasıl işlediği ve bunun DNA molekülü tarafından nasıl kontrol edildiğine dair halen çok az bilgi sahibiyiz.

30 3.2 milyar baz uzunluktaki insan genomunun sahip olduğu yaklaşık 25,000 gen, moleküler biyologlar ve genetikçiler tarafından çeşitli açılardan incelenmektedir.

31 Fakat bu 25,000 genin nasıl kontrol edildiğine, birbirleriyle nasıl bir ilişki içinde olduklarına, özetle nasıl hareket ettiklerine dair elimizde çok az ipucu var. Örneğin gebelik başladığı andan itibaren vücuttaki pek çok doku ve hücre türü bu olaya farklı tepkiler verir, ve gen ifadelerini uygun biçimde ayarlar. Genetik olarak tamamen aynı olan bu hücre gruplarının fizyolojik çıktılarındaki farklılık, tek tek genlerin değil, genetik yolakların, ağların ve sistemlerin koordinasyonun bir sonucudur.

32 Bu açıdan, moleküler biyoloji ve genetik uzmanları yap-boz un parçalarını (genleri) tek tek tanımlamakla görevliyse, bu parçaları bir araya getirip büyük resmi meydana çıkarmak biyoinformatikçilerin işidir. Bu tür genomik çalışmalar yapan pek çok biyoinformatikçi, gen ağlarını ve sistemleri tanımlayıp, bunların değişen çevresel etkilere verdikleri tepkiyi simüle etmektedirler.

33 BUNUN DIŞINDA BİYOİNFORMATİKÇİLER Burada verdiğimiz bir kaç örnek, biyoinformatikçilerin en yoğun çalıştığı alanlardır, fakat kat a bununla sınırlı değildir. Son 10 yılda yaşanan gelişmeler göstermiştir ki, en hızlı ve etkili ilerleyen, devrim yaratır nitelikte projeler, enstitülerde veya özel şirketlerde büyük çalışma gruplarının yürüttüğü multidisipliner projelerdir.

34 Projenin multidisipliner doğası gereği, örneğin sentetik biyoloji, biyomühendislik veya sibernetik araştırmalarında, genetikçiler, hücre biyologları, kimyacılar, mühendisler, biyoinformatikçiler hatta hekimler bir arada çalışır.

35 Her iddialı proje yoğun miktarda verinin bulunması, yaratılması ve işlenmesini içerdiği için biyoinformatikçiler multidisipliner çalışmaların vazgeçilmez üyeleridir. Yanı sıra, Avrupa da, Amerika da ve Uzak Doğu da bütün saygın enstitüler, bilimsel gruplara danışmanlık yapması için en az bir biyoinformatikçi işe almaktadırlar. Biyoinformatik eğitiminin en rutin kullanıldığı iş alanı budur.

36 Biyoinformatikçiler genetik veriyi işler; bu yüzden genetik temelleri çok iyi olmak zorundadır. Fakat yaptıkları iş prensip olarak diğer veri işleyen mühendisler ile aynıdır. Bu yüzden dünya çapında biyoinformatik eğitimi alıp arama motorlarında veya sosyal medyada çalışan örnekler bile mevcuttur. Bu açıdan, aslında biyoinformatik eğitimi size hayli geniş bir dünyanın kapılarını açacaktır

37 SORULAR 1-İnterdisipliner bir bilim olan biyoinformatik aşağıdakilerden hangi alanı kapsamaz? A) Matematik B) Biyoloji C) Kimya D) İstatistik E) Bilgisayar bilimleri CEVAP C

38 2- Aşağıdakilerden hangisi biyoinformatiğin amaçları arasında yer almaz? A) Bilimsel verileri organize etmek B) Verilerin analiz edilmesine yardımcı olacak kaynaklar geliştirmek C) Verilerin analiz edilmesi için araçlar geliştirmek D) Biyolojik çalışma sonuçlarını yorumlamak E) Kimya ve matematiğe yön vererek gelişmesini sağlamak CEVAP E

39 3- Sekanslama teknolojisi nedir? A) Nükleik asit zincirini oluşturan nükleotidlerin sırası ile belirlenmesi B) Hücredeki kromozomların özdeş çift kromozomlar halinde eşlendikten sonra sıralanması C) Ailedeki hasta kişilerde belirleyici lokusların tespit edilmesi D) Mitokonidrinin geçirdiği değişimleri takip ederek evrimsel hikayesine ulaşılması E) Canlıların genomlarını inceleyerek sınıflandırma yapılması CEVAP A

40 4- Aşağıda biyoinformatikçiler ile ilgili verilen bilgilerden hangisi yanlıştır? A) Genetik bilgileri iyi olmalıdır. B) Arama motorlarında veya sosyal medyada çalışan biyoinformatikçiler mevcuttur. C) Bilimsel gruplarda danışmanlık yaparlar. D) Her iddialı proje yoğun miktarda verinin bulunması, yaratılması ve işlenmesini içerdiği için biyoinformatikçiler multidisipliner çalışmaların vazgeçilmez üyeleridir. E) Kimya ve Matematik alanında çok fazla bilgiye sahip olmalılardır. CEVAP E