Биоинфарматика

Что такое биоинформатика.
Биоинформатика как наука появилась на стыке молекулярной биологии, генетики,
математики и компьютерных технологий. Ее основная задача - разработка
вычислительных алгоритмов для анализа и систематизации данных о структуре и
функциях биологических молекул, прежде всего нуклеиновых кислот и белков. Объем
генетической информации, накапливаемой в банках данных, начал увеличиваться с
возрастающей скоростью после того, как были разработаны быстрые методы
секвенирования (расшифровки нуклеотидных последовательностей ДНК).
Биоинформатические методы позволяют не просто обрабатывать этот огромный
массив данных, но и выявлять закономерности, которые не всегда можно заметить при
обычном эксперименте, предсказывать функции генов и зашифрованных в них белков,
строить модели взаимодействия генов в клетке, конструировать лекарства.
В 1975 году была создана первая известная количественная модель управления
развитием фага "лямбда". Его геном содержит 48 генов (совсем немного по нынешним
меркам), но имеет сложную управляющую систему. Эта и более сложные системы уже
требовали использования компьютеров. Из математической биологии стала выделяться
отдельная ветвь - биоинформатика, которая предполагает применение информационных
технологий для изучения биологических систем. Следует отметить большую роль
Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН в развитии биоинформатики.
Это область со своей проблематикой и методикой, которые немыслимы без компьютеров.
Накапливается много данных, идет вал информации о первичных последовательностях
геномов молекул ДНК".
Сравнительно недавно в науке появился термин "биология in silico", буквальный
смысл которого - "биология на кремнии", говоря иными словами, проведение
биологического эксперимента на компьютере.
Биоинформатика - это способ делать биологические утверждения, не наблюдая
непосредственно природу (как, например, в зоологии) и не ставя эксперименты (как в
молекулярной биологии), а путем анализа уже полученных массовых экспериментальных
результатов. Конечно, основой всего является геном: только зная все гены организма,
можно делать надежные выводы. А массовые данные получаются из экспериментов,
поставленных на индустриальный поток: это расшифровка геномов, изучение синтеза
закодированных в генах белков, определение белок-белковых взаимодействий в
различных организмах, клетках, условиях роста… Раньше для получения такого рода
данных ставились специальные эксперименты, но представьте себе: у средней бактерии
примерно 3000 генов, у человека - на порядок больше, 30 000, белков еще больше сколько же надо провести экспериментов, например, для того, чтобы проверить все пары
белков, взаимодействуют ли они. И при этом основное время как раз уйдет на "пустые"
эксперименты, с невзаимодействующими белками. Массовый эксперимент - это сотня
экспериментов одновременно, которые выполняют несколько десятков роботов. Однако
при этом возникает высокий уровень "шума" - случайных ошибок, и задача
биоинформатики - извлечь из этих данных достоверные утверждения.
http://www.nkj.ru/archive/articles/310/
компания Organovo намерена первой (или одной из первых) вывести на рынок
напечатанные человеческие органы (фото с сайта organovo.com).
Биопринтер создал действующий кусок сердечной мышцы
24 марта 2008 membrana
В технологии печати человеческих органов наметился прорыв. Первые образцы
напечатанных живых тканей и построенных из них пространственных структур, пока
довольно простых, биологи уже изучают в лабораториях. Впереди ещё много работы. Но,
по словам учёных, первые "товарные" ткани из принтера появятся на рынке в самые
ближайшие годы.
Несколько лет назад было показано, что печать биологических тканей — это не
фантастика. Однако от ранних опытов до массового применения такой технологии в
медицине пройдёт ещё не один год. Простой вроде принцип: наращивание клеточной
ткани слой за слоем при помощи принтера, напоминающего по устройству обычный. Но
тут главное — продумать все тонкости технологии, выявить её подводные камни.
Этим и занимаются профессор Габор Форгач (Gabor Forgacs) и его лаборатория
Forgacslab в рамках проекта Organ Printing.
Форгач и его коллеги из университета Миссури (University of Missouri-Columbia)
создали функциональные кровеносные сосуды и кусочки сердечной ткани при помощи
своего перспективного способа печати органов, о чём и написали статью в журнале Tissue
Engineering.
Конёк Габора Форгача — биофизика. Говоря упрощённо, в экспериментах
университета Миссури используется трёхмерный биопринтер (построенный по заказу
учёных компанией nScrypt), заправляемый живыми "чернилами". Он по командам
компьютера и выстраивает нужную "конструкцию" слой за слоем.
Cуществуют разные способы культивирования тканей для тех же целей (в качестве
имплантата). В частности тканей сердца (вот только три примера таких исследований: 1, 2
и 3). Однако во всех них для выращивания даже простой сердечной заплатки необходимо
сначала создать "монтажный каркас", который задавал бы форму будущего органа или
трансплантата.
Преимущество нового метода в том, что такая основа вообще не требуется — форму
сосуда, кусочка печени или сердечной мышцы задаёт сам принтер. А ведь любой "каркас"
для клеток, попавший в организм в составе имплантата, это потенциальный инициатор
воспаления, отмечает Габор. Мы уже говорили, что экспериментатор ведёт печать не
отдельными клетками (как пробуют другие учёные, работающие на той же ниве), но
конгломератами, насчитывающими десятки тысяч клеток. Как же получается, что они
формируют нужную по составу и структуре ткань?
Вот подробности технологии.
Общая схема печати органа "по Форгачу". Пояснения — в тексте (иллюс-ия Forgacs et al).
Сначала (смотрите рисунок) специальное устройство нарезает заранее
культивированную ткань (не являющуюся, однако, органом) или, точнее, плотную
клеточную суспензию на микроскопические цилиндрики с соотношением диаметра и
длины 1 : 1 (a). Далее цилиндрики эти скругляют в питательной среде, формируя
микросферы – "биочернила". Одна их капля показана на фото. Диаметр её составляет 500
микрометров. Оранжевый цвет ей придаёт специальный краситель, введённый в
мембраны клеток (b).
Картридж (c) принтера содержит микропипетки, заполняемые такими микросферами
одна за другой. Трёхмерный принтер (d) может по очереди выдавать эти шарики (учёные
также называют их "сфероиды") с микронной точностью. Микропипетки и область работы
печатающей головки исследователи могут наблюдать в реальном времени при помощи
камер, встроенных в принтер (e).
Печатает прибор сразу тремя "цветами". Два из них — это сфероиды с целевыми
клетками (в последних опытах Форгача это были клетки сердечной мышцы и
эпителиальные клетки), а третий — скрепляющий гель, содержащий коллаген, фактор
роста и ряд других веществ. Он нужен будущему органу, чтобы сохранить свою форму до
того момента, когда целевые клетки срастутся между собой.
Важно, что печатается гель вместе с "запчастью", в виде последовательно наносимых
двухмиллиметровых слоёв, в которые и оказываются погружены микросферы с клетками
разного типа (f).
Нанесённые вперемешку с гелем сфероиды (с тысячами клеток каждый) постепенно
объединяются в нужную ткань, гель же удаляется (иллюстрация organprint.missouri.edu).
"Мы никогда не сможем полностью напечатать печень, со всеми её деталями, —
говорит Габор, — но этого и не требуется. Если вы сможете инициировать процесс,
природа доделает всё за вас". Иными словами, метод Форгача предполагает не печать
совершенно готовых органов, ничем не отличающихся от тех, что работают в теле
человека, а создание живых заготовок, к органам очень близких. Заготовок, доводку
которых до ума возьмут на себя законы биологии развития.
Авторы опытов говорят, что происходящее в отпечатанном куске ткани идентично
процессам, идущим в эмбрионе на ранних стадиях развития органов.
Специализированные клетки, следуя внутренним "инструкциям", объединяются именно в
ту систему, которую от них ждут.
Как пишет Nature, при печати клетками эндотелия в смеси с клетками сердца группа
Форгача получила кусочек работоспособной мышцы, в которой все клетки объединились
в единую систему через 70 часов после печати и начали синхронно сокращаться через 90
часов. При этом клетки эндотелия собирались в некие трубочки, напоминающие
капилляры.
Примеры напечатанных Габором тканей и биологических "запчастей": (a)
расположенные кольцом частицы "биочернил" (флуоресцирующие благодаря красителю
двумя цветами) сразу после печати и через 60 часов; (b) эволюция трубки, набранной из
колец, показанных на картинке (a); (c, вверху) 12-слойная трубка, составленная из клеток
гладких мышечных волокон пуповины; (c, внизу) разветвлённая трубка (прообраз сосудов
для трансплантации); (d) построение сокращающейся сердечной ткани. Слева показана
решётка (6 х 6) из сфероидов с клетками сердечной мышцы (без эндотелия),
распечатанных на коллагеновой "биобумаге". Если в те же "чернила" добавляются клетки
эндотелия (второй рисунок — красный цвет, кардиомиоциты же тут показаны зелёным),
они заполняют сначала пространство между сфероидами, а через 70 часов (d, справа) вся
ткань становится единым целым. Внизу: график сокращения клеток полученной ткани.
Как видно, амплитуда (отмерена по вертикали) сокращений составляет примерно 2
микрона, а период — около двух секунд (время отмечено по горизонтали) (фото и
иллюстрации Forgacs et al).
Аналогично учёные печатали и просто отдельные небольшие сосуды. В процессе
"набора" их стенок коллагеновый гель (иначе — "биобумага") подавался не только на
края, но и в середину сосуда. Уже после соединения клеток в ткань сердцевина легко
удалялась, оставляя проход для кровотока. Таким способом команда Форгача уже может
создавать ветвящиеся сосудики на заказ, любой желаемой формы.
Сейчас исследователи работают над способом наращивания мышц на таких трубках,
чтобы сделать их (напечатанные сосуды) достаточно прочными для сшивания с
настоящими сосудами в ходе операции.
При этом группа работает над особо трудными для изготовления сосудами,
диаметром меньше 6 миллиметров. Дело в том, что для сосудов более крупных давно
существуют удачные синтетические заменители, применяемые в качестве трансплантатов.
А вот создать из голой синтетики хорошие мелкие сосуды, и тем более – капилляры, пока
не удаётся. Потому их выращивание и было бы настоящим выходом.
Структура полученных учёными тканей сердца (фотографии Forgacs et al).
Форгач и его коллеги создали компанию Organovo, также базирующуюся в Миссури,
которая и займётся развитием технологии и выводом её на рынок. Причём теперь они
заявляют: в течение нескольких лет в продаже должен появиться первый продукт фирмы.
Это будут простые фрагменты тканей, предназначенные для токсикологических тестов
(например напечатанные кусочки человеческой печени). Такие образцы могли бы
заменить лабораторных животных.
Чуть позже должны появиться и напечатанные трансплантаты. Сперва это будут
кровеносные сосуды.
Ну а дальше можно будет понемногу подобраться и к печати более сложных органов
на заказ. Например, говорят разработчики данной технологии, одними из первых таких
"запчастей" они начнут печатать человеческие почки. Интересно, что внешне органы эти,
вероятно, и не будут выглядеть как почки, сообщают экспериментаторы, но работать в
организме должны ничуть не хуже.
И пусть очередь органов, устроенных куда сложнее и работающих не столь просто,
наступит позже, первые предвестники этих рукотворных, но при этом живых
трансплантатов уже созданы. Так что работоспособность метода, хотя бы в его основе,
можно считать доказанной.
http://www.membrana.ru/articles/health/2008/03/24/210900.html
Зуб IntelliDrug
Практически каждому человеку хоть раз в жизни приходилось принимать какие-либо
лекарства три раза в сутки каждый день в течение, положим, двух недель. А кому-то такие
средства приходится глотать чуть ли не всю жизнь, причём и по ночам тоже. Для этих
людей, а также для тех, кто постоянно забывает принять таблетку вовремя, учёные
придумали искусственный зуб-дозатор.Уникальное изобретение под названием IntelliDrug
– плод многолетней работы учёных из Германии, Польши, Италии, Испании, Швейцарии
и Израиля.
"Новинка хороша тем, что предоставляет альтернативу классическим методам
лечения, когда необходимо потреблять большое количество лекарств или даже делать
болезненные уколы", — говорит Энди Вольфф (Andy Wolff), один из основателей
немецкой компании Saliwell. Она была организована на основе сети медицинских центров
в Тель-Авиве (Assuta Medical Centers), где и начиналось создание IntelliDrug.
Внешний вид и схема работы датчика скорости потока. Она определяется по
разности показаний двух сенсоров температуры, расположенных в потоке лекарства,
между которыми стоит нагреватель (фото и иллюстрация с сайта intellidrug.org).
http://www.membrana.ru/articles/health/2008/02/13/192600.html
Шелкопряд помог сплести исчезающее оптоволокно
30 декабря 2008membrana
Коконы тутового шелкопряда – уникальная находка человека, обеспечившая ему
появление нежной и роскошной ткани. Однако американские учёные нашли прочному и
натуральному волокну другое применение. После несложной обработки его можно
использовать в качестве оптических устройств, применение которых поможет медицине
безопасно контролировать многие процессы в живом организме.
Коконы тутового шелкопряда доставляют в Америку из Японии. Большинство из них
уходит на производство шёлковых тканей и одежды, однако часть достаётся и научным
группам.
Биоинженер Фьоренцо Оменетто (Fiorenzo Omenetto) из американского университета
Тафтс однажды задумался над другими возможными применениями прочных белковых
волокон, которые навивают вокруг себя гусеницы.
Оменетто, будучи физиком, быстро понял, что если из нитей тутового шелкопряда
(после соответствующей обработки) можно создать заменитель роговицы глаза, то почему
бы не использовать эту же технологию для создания особого оптоволокна?
Ранее Оменетто и его коллеги разрабатывали сенсоры на основе шёлка, которые
были чувствительны к бактериям E.coli и вредным веществам в пищевых продуктах.
Однако, поработав с Капланом, учёный увлёкся шёлковыми волокнами и оптическими
свойствами фиброина (фото Porter Gifford).
Вместе с Капланом они продумали и разработали технологию создания из шёлковых
волокон оптических материалов, которые стали основой для различных биологических
сенсоров и прочих устройств.
Почему же предпочтение отдаётся именно шёлку? Во-первых, потому что его
волокна одни из самых прочных (среди натуральных материалов). Кроме того, белки
этого природного продукта растворяются в теле человека без каких-либо последствий для
его здоровья.
Создание устройств на основе шёлка не требует обработки исходного продукта
едкими и ядовитыми химическими соединениями, нет необходимости использовать
высокие температуры (как в случае со стеклом и различными пластиками).
Как следствие, в процессе обработки к белкам шёлка можно "пришить" другие
биологические молекулы, которые не выжили бы в агрессивной среде.
http://www.membrana.ru/articles/health/2008/12/30/162000.html
Искусственные биологические часы отсчитали первое время
25 ноября 2008membrana
Генетический осциллятор с настраиваемым периодом
колебаний способен "показывать время" раз в 13
минут, чаще пока не может (кадр UCSD).
Искусственно созданные генетические часы, эти
микроскопические "механизмы", обладая по сути всё
тем же стандартным набором функций, могут
послужить, например, датчиками и помочь решить
многие проблемы современной медицины, химической
и пищевой промышленности. Причём биологическим часам даже не нужно какое-то
дополнительное оборудование, ведь их показания – свет.
Учёные из университета Калифорнии в Сан-Диего (UCSD) первыми в мире создали
стабильно работающие, быстрые, программируемые на генетическом уровне
биологические часы. Время они отсчитывают весьма необычным способом: через
определённые интервалы значительно повышается светимость флуоресцентных белков
внутри клеток бактерий Escherichia coli.
Биологи использовали для этих целей трёхступенчатый подход. Сначала
исследователи построили несколько расчётных моделей для конкретной системы (в
данном случае для генетических часов), затем на основе моделей определили критерии
конструирования и, наконец, создали генетические цепочки и проверили их
работоспособность.
http://www.membrana.ru/articles/inventions/2008/11/25/200100.html
Суперкомпьютеры против тромбозов
Новые лекарственные средства против тромбообразования успешно создаются
российскими учеными с использованием суперкомпьютеров и распределенных
вычислений в рекордно-короткие сроки.
Ученые НИВЦ МГУ совместно с Гематологическим научным центром РАМН и
Институтом органической химии РАН нашли соединения, которые могут стать основой
новых эффективных лекарств от тромбозов и компонентом кровезаменителей.
Тромбообразование в сосудах – весьма частое явление, которое может случиться как
у пациентов с сосудистыми заболеваниями, так и, например, при процедуре гемодиализа
или переливании крови. Ключевой фермент в сложной системе свертываемости крови –
тромбин. Сегодня самым распространенным средством против тромбообразования служит
гепарин, но это лишь помощник в работе природного ингибитора тромбина –
антитромбина (вещества, которое препятствует работе другого вещества). При недостатке
в крови антитромбина введение гепарина неэффективно, а при некоторых заболеваниях
крови – вообще противопоказано. Выход в том, чтобы ввести пациенту непосредственно
ингибитор тромбина. На сегодняшний день существует только один разрешенный к
клиническому применению прямой синтетический ингибитор тромбина – аргатробан, и
создание других лекарственных средств с подобным действием – насущная задача.
Как рассказали авторы исследования на международном конгрессе «ЕвразияБИО2008», для решения этой задачи они применили метод молекулярного моделирования.
Мишенью действия лекарств служат белки, которые связаны с тем или иным
патологическим процессом, приводящим к заболеванию. Молекула вещества-ингибитора
связывается с активным центром белка-мишени и блокирует его работу. Именно эту
молекулу и надо было найти. Поиск эффективных ингибиторов тромбина вели с
использованием разработанного в НИВЦ МГУ программного комплекса KeenBASE и
входящей в него оригинальной программы SOL. Эта программа «помещала» молекулыкандидаты в активный центр тромбина и оценивала энергию их связывания с белком. Чем
больше энергия связывания, тем сильнее эта молекула препятствует работе тромбина, и
тем эффективнее будет лекарство. Применяя метод распределенных вычислений, в
котором были задействованы несколько суперкомпьютеров семейства СКИФ в разных
городах, ученые смогли всего за 1,5 года провести расчеты тысяч молекул-кандидатов,
синтезировать и испытать в экспериментах наиболее перспективные из них и уже
передать новые соединения для испытаний на животных. В результате они синтезировали
и запатентовали новый класс прямых синтетических низкомолекулярных ингибиторов
тромбина, которые по эффективности значительно превосходят аргатробан. Более того,
эти вещества могут использоваться для создания новых кровезаменителей. Благодаря
компьютерным вычислениям, эта работа была сделана в рекордно короткие сроки с
затратами, значительно меньшими по сравнению с «обычными» методами поиска
биологически активного вещества: так в качестве кандидатов в общей сложности было
рассмотрено и рассчитано около 6000 молекул, а первый рекордсмен был синтезирован
под номером 20. Если действовать, как это принято сейчас, то пришлось бы синтезировать
и испытывать экспериментально все 6000 молекул. На практике фармафирмы чаще всего
перебирают экспериментально сотни тысяч и миллионы молекул, прежде чем найдут
молекулу-рекордсмена. http://www.nkj.ru/news/13235/
Штрихкодовый чип
Обычно доктора в госпиталях ограничиваются небольшим числом белков,
выявляемых в крови своих подопечных. Для проведения такого анализа из руки пациента
берётся энное количество крови, её направляют в центрифугу для отделения плазмы,
которую затем тестируют на наличие интересующих медиков биомаркеров. Занимает этот
трудоёмкий процесс в лучшем случае часы, а стоимость тестового набора для одного
белка составляет $50.
А если их нужно проверить несколько десятков сразу? Легко! И дешевле в десятки
раз, чем с традиционными методами. Всё это можно сделать по новой технологии,
проходящей ныне первые клинические испытания. Причём на весь тест уходит всего 10
минут.
Лидер команды исследователей из Калифорнийского технологического института
Джеймс Хит (James Heath) говорит: "По мере того как развивается персонализированная
медицина, анализ больших групп белковых биомаркеров становится всё более важным.
Но эти тесты также должны стать очень дешёвыми. Мы надеемся, что IBBC позволят
выполнять такие недорогие комплексные замеры" (фото с сайта caltech.edu).
Эта яркая разработка группы учёных из Калифорнийского технологического (Caltech) и
Института системной биологии (Institute For Systems Biology) называется "Комплексный
штрихкодовый чип крови" (Integrated Blood-Barcode Chip — IBBC).
По сравнению с ним даже некоторые опытные наладонные лаборатории покажутся
гигантами. Пластинка IBBC обладает размерами примерно как у предметного стекла для
микроскопа, да и сделана она тоже из стекла. Вернее, стекло тут — основа, на которую
нанесено силиконовое покрытие.
По общему принципу действия IBBC во многом напоминает давешние генетический
чип и клеточный биочип.
Коль скоро мы хотим установить наличие определённых молекул (в нашем случае —
белков), нужно, чтобы весь поток прошёл через разветвлённую сеть специфических
ловушек, в которых остались бы только те молекулы, на которые эти ловушки настроены.
Дальше нужно сделать так, чтобы прореагировавшие ловушки засветились. Тогда,
посмотрев на чип под микроскопом, можно свериться с картой и узнать — какие белки
присутствуют в образце.
Весь прореагировавший чип выглядит как набор штрихкодов, однозначно
показывающий, сколько и каких белков присутствует в плазме. (Детали можно найти в
статье создателей IBBC в Nature Biotechnology.)
Сейчас, чтобы прочитать этот штрихкод крови, учёные пользуются лабораторным
сканером, тем же, что применяется для генетических исследований. Но, по словам
участников проекта, в будущем чтение чипов IBBC можно будет выполнять при помощи
небольшого приборчика, сходного по облику с ручным сканером штрихкодов в кассах
супермаркета. http://www.membrana.ru/