BİYOİNFORMATİK GİZEM BAKKAL ZEYNEP TURAN ŞEYDA KARŞIYAKA ÜMMÜHAN YOZGAN GİZEM BOLAT

BİYOİNFORMATİK GİZEM BAKKAL ZEYNEP TURAN ŞEYDA KARŞIYAKA ÜMMÜHAN YOZGAN GİZEM BOLAT

BİYOİNFORMATİK NEDİR? Biyoinformatik, kabaca söyleyecek olursak, biyolojik bilginin bilgisayar yardımı ile incelenmesi ve işlenmesidir. İnterdisipliner bir bilim olan biyoinformatik, biyolojik veriyi depolama teknikleri ve depodan bulma teknikleri geliştirir, düzenler ve analiz eder.

İstatistik Matematik BİYOİNFORMATİK Bilgisayar Bilimleri Biyoloji

Biyoinformatik bilimi biyoloji biliminin yanı sıra, bilgisayar mühendisliği ve istatistiği de kullanır. Bu sebepten biyoinformatikçilerin en az bir programlama dili bilmeleri beklenir.

KULLANIMLARI Bilgisayarların moleküler biyolojide kullanımı Moleküllerin üç boyutlu grafik temsili Moleküler dizilimler Üç boyutlu yapı moleküler veritabanları

Kısa sürede yüksek miktarda veri üretilmesi Protein-protein ilişkileri Biyolojik olarak aktif moleküllerin araştırılması Bakteri, maya, insan, hayvan, bitki genom projelerinden elde edilen bilgiler Biyolojik problemlerin çözümünde bilişim teknolojilerinin kullanılması

BİYOİNFORMATİĞİN AMACI

BİYOİNFORMATİĞİN AMACI Biyoinformatiğin amaçları üç bölümde incelenebilir. Bunlardan ilki verileri, araştırmacıların kolaylıkla ulaşabileceği şekilde düzenlemek ve yeni veriler üretildikçe hızlı bir şekilde kaydetmektir. Veri bankalarında depolanan bilgiler bunların incelemesi yapılana kadar kullanışsızdırlar

Bu yüzden biyoinformatiğin ikinci amacı; bu verilerin anlamlı duruma gelmesini sağlayan araçlar ve kaynaklar geliştirmektir. Bu kaynakların geliştirilmesi hesaplamalı bilimler konusunda uzmanlık gerektirmektedir.

Biyoinformatiğin üçüncü amacı ise üretilen bu araçları kullanarak verileri analiz etmek ve biyolojik olarak anlamlı bilgiler haline dönüştürmektir. (Baldi ve Brunak, 2001)

Biyoinformatik, sonuç itibariyle yaşayan bir hücreyi ve bu hücrenin moleküler seviyedeki fonksiyonlarını daha iyi anlamamızı sağlar. Ham moleküler diziler ve yapısal verilerin analiziyle biyoinformatik araştırmaları yeni anlayışlar meydana getirmekte ve hücreye evrensel bir bakış açısı sağlamaktadır.

Hücresel fonksiyonlar, görevleri dizileri ile belirlenen proteinler tarafından gerçekleştirilir. Bu nedenle dizi veya yapısal yaklaşımların kullanılarak fonksiyonel problemlerin çözümünün sonuç veren bir çaba olduğunu kanıtlamıştır.

Geleneksel biyolojik çalışmalarda sistemler tek başlarına detaylı olarak incelenmiş ve yakın birkaç türle karşılaştırılma yapılabilmiştir.

Biyoinformatikte ise kullanılabilir tüm veriler ile analizleri birleştirmek ve pek çok sistem üzerinde uygulanan prensipleri açığa çıkararak yeni özelliklere dikkat çekmek mümkündür.

Bilgi kaynaklarını ham DNA dizileri, protein dizileri, makromoleküler yapılar, genom dizileri ve tüm genom verileri olarak gruplandırmak mümkündür. Ham DNA dizileri dört bazın harflerinden oluşmaktadır. Proteinler 20 aminoasidin harflerinden oluşurlar.

Makromoleküler yapılar ise çok daha karmaşık bir bilgi şekli oluşturmaktadır. Protein Veri Bankasına aktarılan bilgilerin çoğu protein yapısı hakkındadır. Ortalama boyuttaki bir proteinin Protein Veri Bankası dosyası xyz koordinatlarında yaklaşık 2000 atom içerir.

Tüm genom sekanslanmasına odaklanmış olan bilimsel araştırmalar Haemophilus influenzae da 1.6 milyondan başlayıp insan genomunda 3 milyar baz uzunluğuna kadar değişen boyutlardaki dizileri ortaya koymuştur. Bütün haldeki genomların en önemli özellikleri, özellikle ökaryotlarda, kodlanmayan bölgeleri yani tekrarlı yığın bölgeleri içermeleridir.

Belirli bir hücrenin tüm genomundaki genlerin ekspresyon seviyeleri, bu tip verilere ulaşılabilirlik konusunda hala sınırlamalar olmasına rağmen ölçülebilir. Ekspresyon seviyesinin belirlenmesi, farklı çevresel koşullarda, hücre döngüsünün farklı aşamalarında ve çok hücrelilerin farklı hücre tiplerinde yapılmaktadır.

Genomik ölçekteki diğer veriler, metabolik yolizlerindeki biyokimyasal bilgileri, düzenleme ağlarını, iki hibrid deneylerinden elde edilen protein-protein etkileşim verilerini ve bir organizmanın canlılığını test etmek için yapılan sistematik tek gen eliminasyonlarını içermektedir

BİYOİNFORMATİĞİN TARİHSEL GELİŞİMİ

BİYOİNFORMATİĞİN TARİHSEL GELİŞİMİ Tıptaki araştırmaların ilerlemesi ve yeni yöntemlerin kullanılması merak edilen yeni soruların kaynağı olmuştur. Uzun süredir bilim insanları birçok organizmanın eksiksiz genom dizisini elde etmek için uğraşmaktadır.

Biyoinformatik bilimi de bu çabaların sonucu olarak gelişmiştir. Pauling ve Corey in 1951 yılında proteinlerin sekonder yapılarının doğru tahmini için geliştirdikleri yaklaşım biyoinformatik için başlangıç kabul edilebilir.

Ancak asıl anlamda biyoinformatik biliminin başlangıcı olarak, 1966 yılında bilgisayarla moleküler grafiklerin çizimine ait ilk makalenin Scientific American dergisinde yayımlanması olarak kabul edilebilir.

Bununla beraber Biyoinformatik terimi 1980 li yılların ortalarından sonra kullanılmaya başlanmıştır. Temel moleküler ve genetik süreçlerin anlaşılmasında ve karmaşık verilerin analizi ve yorumlanması için yeni yöntemler geliştirilmesinde en etkin kurum olan National Center for Biotechnology Information (NCBI) 1988 de kurulmuştur.

Biyoinformatik alanındaki en önemli projelerden biri olan İnsan Genom Projesi (İGP) ise Ekim 1990 da başlamıştır. Projenin amaçları: İnsan DNA sındaki yaklaşık 20.000-25.000 genin tanımlanması, İnsan DNA sını oluşturan yaklaşık 3 milyar kimyasal baz çiftinin diziliminin belirlenmesi,

DNA ve protein bilgilerinin veri tabanlarında tutulması, Fonksiyonlarının önceden bilinmesi, Hastalıkların nüksetmeden tedavi edilmesinin sağlanması,

Veri analizi için araçlar geliştirilmesi, İlgili teknolojilerin özel sektöre transfer edilmesi, bu projeden ortaya çıkabilecek, yasal, etik ve sosyal konuların ele alınması olarak özetlenebilir. İGP çalışmaları biyoinformatiğin gelişiminde çok önemli bir yere sahiptir.

BİYOİNFORMATİK UYGULAMALARI

Peki bu genetik veriyi nerelerde ve nasıl kullanırız?

Genetik veriyi endüstride nasıl kullanırız? Küresel çapta en hızlı ilerleyen birkaç sektörden biri, biyoteknolojidir. Biyoteknoloji sektörü biyolojik bilimlerin pek çoğundan faydalanır.

Mesela, sıcaklığı yüksek ve asitli bir kraterdeki ekosistemden, birçok farklı canlıyı içeren bir örnek aldığınızı düşünün.

Aldığınız örnekten elde ettiğiniz toplam DNA yı sekanslamak 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, 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

Tıpta genetik bilgi nasıl kullanılır? 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.

Bir insanın genomuna biyoinformatik analiz uygulayarak hangi hastalıkları taşıdığını veya hangi hastalıklara yatkın olduğunu tayin edebilirsiniz

Homoloji Araştırmaları Farklı biyomoleküller arasındaki benzerliklerin araştırılması biyoinformatiğin temel uygulamalarından biridir.

Homoloji özellikle birbiriyle bağlantılı proteinler arasında bilgi transferi açısından önemlidir.

Örneğin çok iyi karakterize edilmemiş bir proteinin yapısı, fonksiyonu, iyi bilinen diziler ile homolog bölgelerinin araştırılması sayesinde protein hakkında daha fazla bilgi edinilmekte ve yorum yapılabilmektedir.

Ayrıca genomik çalışmalarda da yararlanılmaktadır. Dizisi yeni analiz edilen genomlarda; homolog bölgelerin bulunması kodlama bölgelerinin belirlenmesinde fonksiyonel verilerin belirli genlere transferinin gerçekleştirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Burada verdiğimiz bir kaç örnek, biyoinformatikçilerin en yoğun çalıştığı alanlardır, fakat bununla sınırlı değildir

GÜNCEL BİYOİNFORMATİK YAKLAŞIMLARI

İçinde bulunduğumuz yüzyılda, tıp sadece klinik ve temel bilimlerden oluşan bir bilim olmaktan çıkmış, bilişim teknolojileri ile iç içe ilerleyen multidisipliner bir hal almıştır.

Biyologların, DNA nın üç boyutlu yapısını saptayarak hücre içindeki bilgilerin kromozomlar tarafından nesilden nesile taşındığı keşfetmeleri sonrası gen projeleri ve bu projelerde bilişim araçlarının kullanılması kaçınılmaz olmuştur

Biyoinformatik dalında çalışan uzmanlar organizmadaki tüm işlevleri yapmaktan sorumlu olan; proteinlerin üç boyutlu yapısını belirlemek, protein veri bankaları oluşturmak, proteinlerin birbirleriyle etkileşim mekanizmalarını tayin ederek, genetik hastalıklara çareler bulmak için çalışırlar. Bu sayede elde edilen veriler yeni ilaç hedeflerinin belirlenmesine de yardımcı olacaktır.

Genetik ve elektronik alanlara karşı son zamanlarda yoğunlaşan ilgi, biyoinformatik uygulamaların takip edilemez bir hızla ilerlemesine yol açmıştır.

Gen Aktivasyonu Genlerin aktivasyonu sıkı sıkıya DNA ya bağlanan protein kompleksleriyle ilişkilidir. Bu bağlanmalardaki en ufak bir hata, bir hastalığa neden olabilir.

Bu protein kompleksi çok faktörlü bir komplekstir. Birçok hastalığın sebebi ve çözümleri tamamen bu bozuklukların giderilmesinde yatmaktadır.

Mikroarray Kullanımı Bioformatik dalının elektrik, elektronik ve bilgisayar mühendislerini ilgilendiren bölümü de mikroarray kullanımıdır. Mikroarray ler diğer adıyla mikroçipler yada mikrodizilimler yüksek çıktılı genleri ifade etmede kullanılan bir teknolojidir.

Mikroarray ler, çok sayıda DNA molekülünün lamlar yada naylon membranlar üzerine noktalanması ile oluşturulur. Araştırmacıya aynı anda birçok gen ile ilgili hızlı bilgiler veren bir uygulamadır.

Biyoinformatik dalında uzmanlaşan araştırmacılar, temel olarak yukarıda açıklanan bilgiler doğrultusunda her birey için farklı olan DNA sıra ve dizilimini araştırırlar. Bunun yanı sıra genin aktive olmasını sağlayan ve DNA ya sıkı sıkıya bağlanan proteinlerin sıra ve dizilimini de incelerler.

Moleküler yapıların ve küçük moleküllerin etkileşimini ortaya koyarlar. Araştırmacılar elde ettikleri bu bilgiler ışığında daha sonra yapılacak çalışmalar için veri tabanları organize ederler, bu da elde edilen bulguların tüm dünya üzerinde gerek hekimler, gerek mühendisler, gerekse toplumlar tarafından paylaşımını kolaylaştırır.

Bu alanda yapılan çalışmalar sayesinde; genetik bozukluğu olan kişilerin DNA özellikleri saptanarak incelenen hastalığın karakteristik özellikleri, tıbbi literatürler altında açıklanmaya çalışılmaktadır.

Bunun yanı sıra DNA özellikleri tanımlanan genetik bozukluklar için ailesel geçiş açısından incelemelere ve dolayısıyla hastalıklı bireylerin doğmasının önlenmesine de yardımcı olmaktadır.

Bugün hemen hemen bütün kadın doğum kliniklerinde rutin olarak yapılan genetik tarama testleri bu alandaki gelişmeye güzel bir örnektir.

Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi (NCBI) Washington da bulunan Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi tarafından idare edilen GenBank bünyesinde 100.000 den fazla canlı türüne ait 65 milyar baz çiftinden daha fazla sekans verisi depolanmaktadır. Bu sayı, her 14 ayda bir iki katına çıkmaktadır. NCBI, biyoinformatiğin beslendiği altın madenidir.

DNA veritabanı araştırması: Kendiniz de deneyebilirsiniz!!! Elinizde, dizisini yeni tespit ettiğiniz bir DNA parçası ya da gen bölgesi bulunduğunu varsayalım. NCBI nın aşağıda belirtilen web sayfasına gidelim: www.ncbi.nlm.nih.gov/blas

NCBI web sayfası

Nucleotid Blast seçeneğine tıklayalım.

Aşağıdaki kutucuğa, elimizdeki sekans dizisini yazalım ve sayfanın altındaki BLAST butonuna tıklayalım.

Sonuçların görüntülenmesi 1-2 dk sürecektir. Format butonuna basarak araştırma sonuçlarını görüntüleyebilirsiniz.

Ne buldunuz?

Biyoinformatik biliminin beslendiği altın madeni olarak tanımlanan ve GenBank bünyesinde 100.000 den fazla canlı türüne ait 65 milyar baz çiftinden daha fazla sekans verisi depolanmakta olan Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi aşağıdakilerden hangisidir? A. NCBI B. EMBL C. DDBJ D. ENTREZ E. BLOCKS Cevap A

Aşağıdakilerden hangisi Biyoinformatiğin kullanım alanlarından biri değildir? A. Bilgisayarların moleküler biyolojide kullanımı B. Genom dizisi elde etmede kullanımı C. Biyolojik problemlerin çözümünde bilişim teknolojilerinin kullanımı D. Moleküler dizilimde kullanımı E. Biyolojik olarak aktif moleküllerin araştırılmasında kullanımı Cevap B

I. Bilginin depolanması II. Bilgiye ulaşma III. Bilgiyi düzenleme ve analiz etme Yukarıda verilenlerden hangileri Biyoinformatiğin işlevsel temelini oluşturan unsurlardandır? A. Yalnız I B. I ve II C. Yalnız II D.II ve III E. I-II-III

İnterdisipliner bir bilim olan Biyoinformatik hangi bilimlerle ortak çalışır? A. Matematik, Bilgisayar Bilimleri B. Biyoloji, Matematik C. İstatistik, Matematik, Biyoloji, Bilgisayar Bilimleri D. İstatistik, Biyoloji, Bilgisayar Bilimleri E. Biyoloji, Bilgisayar Bilimleri Cevap C