ΒΙΟΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΙΙ

Αλγόριθμοι στη Βιοπληροφορική, Γλώσσα προγραμματισμού Perl, Ειδικά θέματα Βιοπληροφορικής

H γλώσσα προγραμματισμού Perl είναι μια ιδιαίτερα εύχρηστη γλώσσα με πολλές εφαρμογές στη βιοπληροφορική. Η Perl είναι γλώσσα scripting και κατασκευάστηκε αρχικά για να διευκολύνει τους διαχειριστές συστημάτων UNIX στην καθημερινή τους δουλειά, δηλαδή στην επεξεργασία μεγάλων αρχείων, σε μαζικές αποστολές μηνυμάτων κ.ο.κ., γι’ αυτό και βρήκε πολλές εφαρμογές στη βιοπληροφορική, όπου ο χειρισμός μεγάλων αρχείων και η αναζήτηση προτύπων, είναι μέρος της καθημερινής σχεδόν ενασχόλησης. Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιάσουμε τα βασικά στοιχεία της γλώσσας (Συναρτήσεις, Λίστες, Πίνακες, Ευρετήρια, Δομές ελέγχου) και θα δείξουμε τη χρησιμότητά της σε πλήθος πρακτικών προβλημάτων που προκύπτουν στην ανάλυση βιολογικών (κυρίως μοριακών) δεδομένων.

Η κατά ζεύγη στοίχιση ακολουθιών είναι από τα πιο σημαντικά προβλήματα στην Υπολογιστική Βιολογία. Η ομοιότητα δυο ακολουθιών αντανακλά κατά βάση την κοινή εξελικτική προέλευση. Σημαντικά ζητήματα στη στοίχιση ακολουθιών είναι: Το σύστημα βαθμονόμισης (scoring system), Ο αλγόριθμος που θα χρησιμοποιήσουμε για την έυρεση της καλής ή και της βέλτιστης στοίχισης, Ο τρόπος προσδιορισμού της στατιστικής σημαντικότητας μιας στοίχισης.

Ο Δυναμικός Προγραμματισμός έχει εφαρμογές σε διάφορα ερωτήματα της Βιολογίας και της Βιοπληροφορικής όπως:
• Στοίχιση (τοπική-ολική)
• RNA secondary structure prediction
• Διαμεμβρανικά τμήματα
• Hidden Markov Models

Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζονται οι υπολογιστικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται στη μελέτη ολόκληρων γονιδιωμάτων. Εκτός από το ξεκάθαρο ενδιαφέρον που έχουν αυτές οι τεχνικές στη φυλογενετική ανάλυση και στην εξέλιξη, υπάρχει και άλλος πιο πρακτικός λόγος για τη χρησιμότητά τους. Παρόλο που τεχνικές που αναπτύχθηκαν σε προηγούμενα κεφάλαια όπως η στοίχιση και οι προγνώσεις είναι εύκολο να χρησιμοποιηθούν σε ολόκληρα γονιδιώματα, η ταυτόχρονη αξιολόγηση της θέσης του κάθε γονιδίου στα γονδιώματα συγγενικών οργανισμών (συγκριτική γονιδιωματική) μπορεί να δώσει πολλές επιπλέον πληροφορίες για μια σειρά από λειτουργικές ιδιότητες οι οποίες δεν θα μπορούσαν να είχαν προβλεφθεί με άλλον τρόπο.

Στο κεφάλαιο αυτό θα μελετήσουμε μια γενικότερη κατηγορία μεθόδων, τις υπολογιστικές γραμματικές, οι οποίες περιλαμβάνουν σαν ειδικές περιπτώσεις μοντέλα που είδαμε σε προηγούμενα κεφάλαια (πρότυπα, ΗΜΜ), αλλά και πιο σύνθετες δομές οι οποίες μπορούν να μοντελοποιήσουν καλύτερα μια σειρά από βιολογικά προβλήματα. Θα δούμε τις ιστορικές καταβολές αυτών των μεθόδων και θα μελετήσουμε τις κατηγορίες εκείνες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην πρόγνωση της δευτεροταγούς δομής του RNA καλύπτοντας και το ζευγάρωμα των βάσεων. Θα μιλήσουμε για τις γνωστές εφαρμογές και το λογισμικό που βασίζεται σε τέτοιες μεθοδολογίες, και στο τέλος θα δούμε και κάποιες εφαρμογές στην πρόγνωση δευτεροταγούς δομής πρωτεϊνών, εφαρμογές που κάνουν ένα πρώτο βήμα στην πρόγνωση των μακρινών αλληλεπιδράσεων.

Μελέτη και ανάλυση διάφορων τύπων Βιολογικών Δικτύων όπως: Δίκτυα Πρωτεϊνικών Αλληλεπιδράσεων, Μεταγραφικά Ρυθμιστικά Δίκτυα, Δίκτυα Μεταγωγής Σήματος, Μεταβολικά - Βιοχημικά Δίκτυα, Δίκτυα Ασθενειών κα.

Οι Μικροσυστοιχίες DNA είναι μια τεχνολογία που επιτρέπει την ταυτόχρονη ανάλυση του τρόπου έκφρασης χιλιάδων γονιδίων σε διαφορετικά δείγματα ή σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης, τη σύγκριση έκφρασης σε φυσιολογικές και παθολογικές καταστάσεις, την ανταπόκριση σε φαρμακευτικές ουσίες ή θεραπείες κα.

Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες μεθόδων αναζήτησης μακρινών ομολόγων και στοίχισης προφίλ-προφίλ. Οι μεθοδολογίες αυτές χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό ομολόγων με μικρή ομοιότητα (<30%) και είναι απαραίτητες για τον χαρακτηρισμό νέων αλληλουχιών αλλά και στις μεθόδους πρόγνωσης δομής. Η ενότητα περιλαμβάνει τις κλασικές μεθόδους (PSI-BLAST, HMMER κλπ), τις μεθόδους στοίχισης προφίλ (FFAS, PROF_SIM κλ), τις πιο εξεζητημένες μεθόδους στοίχισης ΗΜΜ-ΗΜΜ (HHsearch κ.α.) αλλά και κάποιες προσεγγιστικές ευριστικές μεθοδολογίες.

Δομική Βιοπληροφορική, είναι ο κλάδος της βιοπληροφορικής ο οποίος ασχολείται με την ανάλυση και την πρόγνωση της τρισδιάστατης δομής των βιολογικών μακρομορίων, όπως οι πρωτεΐνες, το DNA, και το RNA. Ασχολείται με όλα τα επίπεδα της ανάλυσης των τρισδιάστατων δομών, από την αναπαράσταση και την οπτικοποίηση, τις συγκρίσεις και τις ομαδοποιήσεις των δομών, τις μελέτες του πρωτεϊνικού διπλώματος, την κατασκευή μοντέλων, τη μελέτη των εξελικτικών σχέσεων έως και τη μελέτη της σχέσης δομής και λειτουργίας. Σαν κλάδος έχει ιδιαίτερες σχέσεις με τη μοριακή βιοφυσική και τη δομική βιολογία. Στο κεφάλαιο αυτό θα ασχοληθούμε με τις βασικές μεθοδολογίες της δομικής βιοπληροφορικής και θα δούμε τα πιο γνωστά πακέτα λογισμικού που χρησιμοποιούνται στον τομέα αυτό.

Στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται η χρήση των Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων (ΤΝΔ) στη Βιοπληροφορική. Αναπτύσσονται οι βασικές ιδέες και αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο εμφαρμόζονται σε προβλήματα ανάλυσης βιολογικών αλληλουχιών. Η ενότητα ολοκληρώνεται με εργαστηριακή άσκηση στην οποία οι φοιτητές κατασκευάζουν ένα ΤΝΔ για την πρόβλεψη της κυτταρικής θέσης των πρωτεϊνών.