Bioinformatik
1. Definition
Die Bioinformatik ist ein Wissenschaftsgebiet, das die Computer- und IT-gestützte Lösung und Bearbeitung von biologischen Sachverhalten als Hauptziel hat.
2. Hintergrund
Mit Hilfe der Bioinformatik konnten in den Biowissenschaften große Fortschritte erzielt werden, beispielsweise wäre die gesamte Sequenzierung des menschlichen Genoms nicht ohne die modernen Computeranalysen der Bioinformatik und der weltweiten Open-Source-Bewegung gelungen.
Die Bioinformatik nimmt zahlreiche Aufgaben im Bereich der biologischen, aber auch der biochemischen, medizinischen und genetischen Forschung wahr. Zu den wichtigen Einsatzgebieten zählen unter anderem:
- Verwaltung, Integration und Analyse von biologischen Daten
- Auflistung und Interpretation von Datenmaterial aus den Hochdurchsatzmethoden
- Strukturbioinformatik
- Systembiologie
- Sequenzanalyse
Bioinformatik ist mittlerweile auch im Bereich der Lehre ein eigenständiges Wissenschaftsgebiet, von dem ein Studiengang existiert.
3. Anwendungsgebiete (Beispiele)
3.1. Datenverwaltung
- Die rasch ansteigende Menge an biologischen Daten wie Aminosäuresequenzen, 3D-Proteinstrukturen, DNA-Sequenzen und Interaktionen von biologischen Molekülen und Hochdurchsatzdaten verlangen eine immer ausgereiftere computergestützte Verarbeitungsmethode im biologischen Bereich.
- Erstellung von geeignet indizierten und verlinkten biologischen Datenbanken.
- Die Protein Data Bank ist die bisher am längsten existierende Datenbank. In ihr sind zahlreiche Daten über die Aminosäuresequenz und 3D-Strukturen von biologisch wichtigen Makromolekülen gespeichert.
- In den letzten zwanzig Jahren kamen zahlreiche Nukleotidfrequenz-Datenbanken hinzu, welche sich unter der Internationalen Nukleotidsequenz-Datenbank-Zusammenarbeit zusammengeschlossen haben.
3.2. Sequenzanalyse
Die ersten bioinformatischen Anwendungen wurden im Bereich der Sequenzanalyse von DNA-Abschnitten und dem Sequenzvergleich getätigt. Durch den Sequenzvergleich kann getestet werden, ob zwei Gene miteinander verwandt sind. Hierbei setzt die Bioinformatik auf Algorithmen der dynamischen Programmierung und auf heuristische Algorithmen.
Die Bioinformatik spielt außerdem eine wichtige Rolle bei der Analyse von Genomen. Hier werden kleine DNA-Bruchstücke mit Hilfe von bioinformatischen Anwendungen zusammengefügt. Die Bioinformatik umfasst hierbei weitere Methoden zum Auffinden von Genen in ansonsten unbekannten DNA-Sequenzen z.B. statistische Sequenzanalyse, Markow-Ketten, künstliche neuronale Netze zur Mustererkennung, etc.
3.3. Strukturbioinformatik
- Bearbeitung der Fragestellung der Proteomik, also der Frage der Proteinstruktur, der Proteinfaltung, sowie der Strukturanalyse
- Analyse der Sekundär- und Tertiärstruktur, vorausgesetzt die Aminosäuresequenz ist bekannt
- Untersuchung der Interaktion von Proteinen mit diversen Liganden
- Erforschung des Verhaltens mutierter Proteine und Abschätzung, welche Auswirkungen ein solches verändertes Makromolekül auf die Funktionen des menschlichen Körpers hat.
4. Grundlagen
Die Grundlagen der Bioinformatik sind jeweils auf den Anwendungszweck vertiefte Programmierkenntnisse und fundierte Kenntnisse der jeweiligen Fachdisziplinen. Elementares Rüstzeug bilden das Erlernen von Programmiersprachen, von Programmiertechniken und die Entwicklung und Optimierung von Algorithmen.
Mindestens Grundkenntnisse der Programmierung sollte jeder Naturwissenschaftler besitzen. Neben einem Computer ist dazu lediglich ein Texteditor (keine Textverarbeitung!) notwendig. Komfortabler erweist sich die Programmierung mit einer Entwicklungsumgebung (IDE), die Hilfestellungen zu den einzelnen Befehlen bietet und bei der Strukturierung der Programme behilflich ist.