1. سمینار درس کاربرد فناوری اطلاعات در پزشکی
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
دانشکده مهندسی پزشکی
Bio Informatics
سمینار درس کاربرد فناوری اطلاعات در پزشکی
اساتید محترم
جناب آقای دکتر توحیدخواه
جناب آقای دکتر احمدی پژوه
ارائه دهندگان
مریم شیرانی - آرزو طاهری
بهمن ماه 1387

2. BioInformatics
فهرست
تاریخچه
تعریف
خصوصیات مشترک سیستم های جاندار
پروتئین و DNAو RNA
اهداف
ضرورت بیوانفورماتیک
فعالیت های اصلی
چالش های اصلی
حوزه های کاربرد
بانک های اصلاعاتی، الگوریتم ها ، نرم افزارها
بیو انفورماتیک در ایران
جمع بندی

3. BioInformatics
تاریخچه
1865 : کشف قوانین پایه وراثت نخودفرنگی توسط Gregor Mendel (پدر علم ژنتیک)
1869 : کشف DNA و نامگذاری به نام نوکلئین توسط Johann Friedrich Miescher
1881: اثبات ترکیب کروموزوم ها از نوکلئین ها توسط Edward Zacharias
1899: تغییر نام نوکلئین به نوکلئواسید توسط Richard Alltman
1902 : اثبات وجود پیوند بین آمینو اسیدها و شکل گیری پروتئین ها از آن توسط Emil Herman Fisher
(دریافت جایزه نوبل)
1911: کشف اینکه ژنهای روی کروموزومها ، واحدهای مجزای وراثت هستند توسط Tomas Hunt Morgan
+ کشف RNA توسط Pheobus Aaron Theodore
1881: تشخیص ساخت پروتئین ها از ژنها توسط George Beedle و Edward Tatum
1943: ساخت اولین کامپیوتر همه منظوره در دانشگاه پنسیلوانیا
1952: ساخت ژن ها از DNA توسطGeorge Beedle Alfred Hershey و Martha Chase
+ پیشنهاد مدل دومارپیچی برای DNA توسط Watson و Crick

4. BioInformatics
تاریخچه
1954: ایجاد روش های اتم سنگین برای حل مسائل فازی در کریستال شناسی پروتئین
1955: یافتن توالی اولین پروتئین جهت آنالیز (انسولین گاوی) توسط Friedrick Sanger
1969: ایجاد ARPANET از طریق پیوند کامپیوترهای دانشگاه های Stanford و USBC و Utah و UCLA
1970: انتشار جزئیات الگوریتم Needleman-Wunsch برای مقایسه توالی ها
1972: ایجاد اولین بانک داده زیست شناسی بنام Protein Identification Resource توسط Margaret Dayhoff
1986: ایجاد مکانیزم توالی دهی اتوماتیک توسط Leroy Hood
1986: پیدایش عبارت ژنومیک، جهت توصیف نظم علمی در نگاشت، توالی دهی و تحلیل ژنها توسط Thomas Roderick
1988: تاسیس مرکز ملی اطلاعات بیوتکنولوژی (NCBI) در موسسه ملی سرطان + شروع پروژه ژنوم (نگاشت و توالی دهی
ژنوم انسان)
1992: تاسیس موسسه تحقیقات ژنومیک (TIGR ) توسط Craig Venter

5. تاریخچه 1994: شکل گیری منطق ژن در Maryland
BioInformatics
تاریخچه
1994: شکل گیری منطق ژن در Maryland
1999: توالی دهی اولین کروموزوم انسانی (شماره 22 )
2001: انتشار اولین پیش نویس توالی دهی ژنوم انسانی در سطح بین المللی
2003 : تکمیل پروژه ژنوم انسانی
2008 : صدها ژنوم از آرایه مختلفی از گونه ها

6. BioInformatics
تعریف
بنا به تعریف NCBI (National Center for Biotechnology Information )
شاخه ای از علم که از تلفیق زیست شناسی، علم کامپیوتر و فناوری اطلاعات ایجاد شده است. و با استفاده از کامپیوتر، نرم افزارهای کامپیوتری و بانک های اطلاعاتی، سعی می‌گردد تا به مسائل بیولوژیکی بخصوص در زمینه‌های سلولی و مولکولی پاسخ داده شود و تحقیقات وسیعتری در خصوص پروتئین ها و ژنها بعمل آید.
تعریف کاربردی:
جمع آوری ، ذخیره سازی، بررسی، تحلیل، تفسیر و توسعه
حجم وسیعی از اطلاعات بیولوژیکی در بانک های اطلاعاتی.
که این اطلاعات عبارتند از:
توالی های ژن
فعالیت های بیولوژیکی
فعالیت های داروشناختی
ساختار بیولوژیکی
توصیف ژن ها
بیوانفورماتیک از کامپیوترهای قدرتمند و تکنیک های آماری
برای انجام اهداف تحقیقاتی استفاده می کند.
کامپیوتر
شیمی و بیوشیمی
زیست شناسی
بیوانفورماتیک
آمار
فیزیک

7. خصوصیات مشترک سیستم های جاندار
BioInformatics
خصوصیات مشترک سیستم های جاندار
مکانیزم رخداد اینها در Central Dogma کپسوله شده است.
گردش اطلاعات از DNA به RNA و سپس به Protein
این سیستمی است که زندگی زمین بر آن استوار است.
ساخت سلول و اداره آن
کسب انرژی برای انجام این کار
پاسخ به محیط
تکثیر و دوباره سازی

8. CENTRAL dOgma DNA RNA Protein PhenoType replication transcription
BioInformatics
CENTRAL dOgma
replication
DNA
GENOTYPE (i.e. Aa)
GENE (DNA)
ATGCAAGTCCACTGTATTCCA
transcription
reverse tr
RNA
MESSENGER (RNA)
UACGUUCAGGUGACAUAAGGG
translation
Protein
PROTEIN
PhenoType
PHENOTYPE (pink)
TRAIT

9. BioInformatics
پروتئین
درشت مولکول هایی که از زیر واحدهایی بنام اسیدهای آمینه ساخته شده اند.
اهمیت آن در زندگی:
عهده دار رفتار سلولی و تمام فعالیت‌‌هایی است که در سلول انجام می‌شود.
ایجاد غشایی که سلول را دربرمی گیرد.
شکست غذاها برای تولید سوخت
گوناگونی اشکال و خواص شیمیایی
دریافت اطلاعات از محیط و گفتگو با سلول پاسخ سلولی
اگر کار پروتئین‌ها از حالت طبیعی خارج شود، می‌توانند باعث بروز بیماری‌های مختلف شوند: - سرطان
- آلزایمر
- پارکینسون

10. BioInformatics
dna
درشت مولکول هایی که از زیر واحدهایی بنام نوکلئوتید ها ساخته شده اند.
اهمیت آن در زندگی:
ذخیره سازی طولانی مدت اطلاعات ژنتیکی
حاوی اطلاعاتی در مورد زمان و چگونگی ساخت پروتئین ها
گوناگونی اشکال و خصوصیات شیمیایی
پایداری بسیار زیاد نوکلئوتیدها ، بطوریکه می توانند دقیقا نسخه عین خود را تولید کنند.
خواص شیمیایی نوکلئوتیدها بسیار بیشتر از آمینو اسیدها است.

11. RNA یک اسید نوکلئیک در سلول ساخت توسط DNA انواع : اهمیت آن در سلول :
BioInformatics
RNA
یک اسید نوکلئیک در سلول
ساخت توسط DNA
انواع :
tRNA ( transfer RNA )
( messenger RNA) mRNA
rRNA (ribosomal RNA )
اهمیت آن در سلول :
اجازه خواندن دستورالعمل ها (mRNA)
ترجمه زبان DNA (نوکلئوتیدها) به زبان پروتئین (آمینواسیدها) (tRNA)
ساخت پروتئین (rRNA)

12. BioInformatics
اهداف
اگر بتوانیم توالی DNA یک ژنوم را تعیین کنیم
پیش بینی کنیم که کدام الگوهای توالی با پردازش های بیولوژیکی مرتبط هستند
استخراج توالی ژنوم برای الگوها و پاسخ به بسیاری از سوالات بیولوژیکی
سازماندهی داده ها بگونه ای که محققان بتوانند به اطلاعات بیولوژیکی موجود دسترسی داشته باشند و نتایج جدید را ارسال نمایند. (مثال : بانک داده پروتئین)
توسعه ابزارهایی برای کمک به تحلیل این داده ها ( مثال :مقایسه توالی یک پروتئین با دیگر پروتئین ها )
استفاده از این ابزارها برای تحلیل داده ها و تفسیر نتایج، بصورتی که از نظر بیولوژیکی با معنا باشد.

13. ضرورت بیوانفورماتیک رشد روز افزون اطلاعات در زمینه :
BioInformatics
ضرورت بیوانفورماتیک
رشد روز افزون اطلاعات در زمینه :
شناسایی انواع مختلف موجودات زنده
عوامل بیماری زا
فرایند های زیستی
ساختارهای ژنتیکی
شناسایی ژنها
پروتئین ها
کمبود دائمی متخصصین آموزش دیده
گوناگونی کاربردهای بیوانفورماتیک
نیاز به انواع مختلف متخصصین بیوانفورماتیک

14. BioInformatics
ضرورت بیوانفورماتیک
بانک ژن، هر 14 ماه دوبرابر می شود:

15. فعالیت های اصلی متابولومیک ژنومیک پروتئومیک
BioInformatics
فعالیت های اصلی
بیوانفورماتیک
متابولومیک
ترانسکریپتومیک
پروتئومیک
ژنومیک
بررسی متابولیت های حاصل از متابولیسم سلولی
بررسی و تحلیل توالی نوکلئوتیدهای mRNA یک جاندار با دیگر mRNA ها و پردازش mRNA
بررسی، شناسایی، تحلیل و مقایسه توالی نوکلئوتیدهای ژن یا ژن های یک جاندار زنده
مطالعه، شناسایی، تحلیل و مقایسه توالی آمینواسیدهای پروتئین ها یا پروتئین های جانداران زنده

16. BioInformatics
چالش های اصلی
تعیین مدلهایی برای تشخیص زمان و مکان وقوع رونویسی در یک ژنوم
تعیین و پیشگویی مدلهایی برای پیوندهای دیگر RNA
تعیین مدل هایی برای خط سیر عبور سیگنال : توانایی پیش بینی پاسخ های سلولی به محرک های خارجی
تعیین کدهای بازشناخت protein:DNA, protein:RNA, protein:protein
پیش بینی صحیح ساختار پروتئین اولیه
طراحی رابطه ای مولکول های کوچک بازدارنده پروتئین ها
فهم مکانیکی تکامل پروتئین
فهم مکانیکی تکامل ژنوم و گونه ها
راه های سیستماتیک توصیف عملکرد ژن و پروتئین
توصیف ژن با استفاده از Microarray ها
آموزش : توسعه رشته بیوانفورماتیک

17. حوزه های کاربرد در حال و آینده
BioInformatics
حوزه های کاربرد در حال و آینده
زیست شناسی مولکولی و سلولی
ژنتیک
علوم تکاملی و تکامل نژادی
حوزه های مختلف بیوتکنولوژی نظیر : صنایع داروسازی ،میکروبیولوژی، نانو بیوتکنولوژی
کشاورزی
مدیریت زیست و فناوری زیستی
پزشکی
کشف دارو
طراحی داروهای مناسب با کمک مدل سازی پروتئین و واکنش آن
تشخيص بيماری ‌ها
شناسايی علل ژنتيک بيماری‌ها
مدیریت بیماری ها
جنین شناسی

18. داده ها انواع : DNA RNA پروتئین Microarray : روال : DNA Microarray
BioInformatics
داده ها
انواع :
DNA
RNA
پروتئین
Microarray :
DNA Microarray
Protein Microarray
Tissue Microarray
Antibody Microarray
روال :
جمع آوری داده
تهیه بانک اطلاعاتی داده ها
ذخیره سازی داده
آنالیز داده
داده کاوی
مدل سازی بیولوژیکی

19. BioInformatics
Microarray
رشته ای از نقطه های DNA، پروتئین یا بافت، مرتب شده روی یک آرایه،برای تحلیل های همزمان
جنس Chip : شیشه، پلاستیک یا سیلیکون
افزایش سرعت تحقیقات
فقدان استاندارد واحد برای همه انواع آن
عدم سازگاری انواع مختلف
پیدا کردن ژنهایی که بیشترین اختلاف را در سطوح عبارات خود بین بافت های سالم و سرطانی نشان می دهند.
بافت سرطانی
بافت سالم

20. BioInformatics
Microarray

21. بانک اطلاعاتی DNA CODIS UK National DNA Database California GEN Bank
BioInformatics
بانک اطلاعاتی DNA
برای تحلیل :
عبارات و قواعد ژنتیکی
بیماری های ژنتیکی
شجره شناسی ژنتیکی
می تواند عمومی یا خصوصی باشد.
CODIS
UK National DNA Database
California
GEN Bank
NIAS DNA Bank
EMBL
DDBJ
The Australian Plant DNA Bank
RBG KEW DNA BAnk
Japan
Duke CHG
Ensembl
DIS
Entrez
BLAST
DNA Bank Netwrok (ZDM,BGBM,DSMZ,ZFMK)

22. بانک اطلاعاتی پروتئین SwissProt PIR International RCSB PDBe PDBj BMRB
BioInformatics
بانک اطلاعاتی پروتئین
برای تحلیل :
ساختار پروتئین های اولیه
عبارات و قواعد پروتئین ها
ساختار 3 بعدی پروتئین ها
سیر تکاملی ارگانیسم ها
منشا زندگی
غالبا عمومی هستند.
SwissProt
PIR International
RCSB
PDBe
PDBj
BMRB
wwPDB
MMDB
PubVast RCSB
PubChem
CDD

23. الگوریتم ها Smith-Waterman Needleman-Wunsch Ullman
BioInformatics
الگوریتم ها
استخراج اطلاعات و ویژگی های با معنا از بین DataSet ها با استفاده از :
روش های آماری
روش های گراف
خوشه بندی
داده کاوی
بازشناخت الگوی محاسباتی
Smith-Waterman
Needleman-Wunsch
Ullman
Hybrid Bayes Classifier
ClustalW
agrep
PHYLIP
BioConductor
Naive Bayes Classifier
Artificial Neural Networks
DEE A*
ChromaSig
GOS
FASTA
BLAST

24. Markup Language حاشیه نویسی و تجسم سازی ذهنی ژنوم AGAVE
BioInformatics
Markup Language
حاشیه نویسی و تجسم سازی ذهنی ژنوم
اطلاعات تجربی برای بیو پولیمرها
توالی های ژنومیک و وظایف بیولوژیکی
مدیریت اطلاعات مولکولی
تبادل داده عبارت ژنی ریز آرایه ای
بیولوژی سیستم ها و شبکه های بیوشیمیایی
AGAVE
BioML
BSML
CML
MAGE-ML
SBML

25. نرم افزارها تحلیل توالی پروتئین و DNA آنالیز مسیر عبور
BioInformatics
نرم افزارها
تحلیل توالی پروتئین و DNA
آنالیز مسیر عبور
محاسبه، مدل سازی ریاضی و شبیه سازی
ساختار پروتئین و DNA
کندوکاو در داده ‌ها و داده های توده ای
یکپارچگی اطلاعات بیولوژیکی
انسجام در پردازش و تجسم ذهنی آن
Sybyl
GPMAW
Cn3D
GeneSpring GX
DNASTAR Lasergene
Gene Construction Kit 2.5
MetaCore
Ingenuity Pathways Analysis 3.1
NeuralWorks Professional II / Plus

26. BioInformatics
ساختار کلی

27. BioInformatics vs Computational Biology
Computers + Biology
مهندسین کامپیوتر، ریاضیدانان، آمار شناسان و مهندسینی که فرضیه ها ، الگوریتم ها و تکنیک هایی را برای ابزارها و سیستم های بیولوژیکی ایجاد می کنند.
کلی تر
توسعه روش های نظری، داده تحلیلی، مدلسازی ریاضی و تکنیک های شبیه سازی محاسباتی
حل مشکلات زیست شناسی، بوم شناسی، روانشناسی و تکامل
Biology + Computers
بیولوژیست هایی که با استفاده از سیستم ها و ابزارهای محاسباتی به مسائل بیولوژی پاسخ می دهند.
بکارگیری فناوری اطلاعات در مطالعه، تحلیل ، ذخیره ، نگهداری و کشف اطلاعات بیولوژیکی (نظیر آنچه که در توالی های DNA و ساختار پروتئین وجود دارد)
حل مشکلات بیولوژی مولکولی
می تواند بعنوان زیر مجموعه ای از بیولوژی محاسباتی باشد.

28. بیو انفورماتیک در ایران
BioInformatics
بیو انفورماتیک در ایران
1383 : تاسیس انجمن بیوانفورماتیک ایران Iran BioInformatic Society (IBS)
اهداف :
گسترش، پیشبرد و ارتقای علمی دانش بیوانفورماتیک
توسعه کیفی نیروهای متخصص
بهبود بخشیدن به امور آموزشی و پژوهشی در زمینه های بیوانفورماتیک و بیولوژی محاسباتی

29. مراجع WWW.NCBI.nlm.nih.gov www.ncgr.org www.ebi.ac.uk www.ensembl.org
BioInformatics
مراجع

30. با سپاس از توجه شما