| Går man rundt på et universitetsinstitut eller forskningscenter
vil man møde et udbredt og uundværligt forskningsudstyr i ethvert
lokale: computeren. Engang blev den først og fremmest brugt til
tekstbehandling og figurtegning, men i løbet af få år er computeren
for de fleste forskere blevet et alment og dagligt videnskabeligt
værktøj. Den er nødvendig for at opsamle og analysere resultater,
søge og læse videnskabelig litteratur, offentliggøre artikler, og
kommunikere med kolleger. Det er resultatet af den tredje videnskabelige
revolution i det 20. århundrede, som nu udfolder sig. Efter atomfysikken
og gensplejsningen revolutionerede naturvidenskaben og menneskeheden,
betød informationsteknologien en endnu større omvæltning. Informationsteknologi
har gjort opsamling af resultater så let indenfor et stigende antal
områder, så adgang til resultater ikke længere er den begrænsende
faktor for at undersøge videnskabelige problemer. Sagt på en anden
måde: Vi bliver oversvømmet af resultater, som vi ikke kan analysere.
Paradoksalt er begrænsningen i dag selve computerteknologien. Indtil
i dag er computere baseret på silicon chips og deres hastighed er
steget eksponentielt. Nærmer vi os den teoretiske grænse for silicon-baseret
teknologi, hvor alternativer som ”quantum computing” kan blive løsningen?
Der er brug for mere computerforskning og udvikling af nye systemer,
som kan skabe sammenhæng i de mængder af informationer, computerne
har gjort os i stand til at samle. Udfordringen er, at udvikle systemer
til at analysere informationer, som er så komplekse, at vi ikke
selv kan overskue dem.
Hvad får millioner af forskere foran computerskærmene
tiden til at gå med? Udover tekstbehandling, figurtegning, e-mails
og webbrowsing bruges computeren til analysering, modellering, simulering,
søgning og visualisering af resultater. I molekylærbiologien udvikles
metoder til at beherske de enorme mængder af ny viden om genomet.
Computere udvikles, så de kan lære under arbejdet og give større
fleksibilitet i indsamling og analyse af resultater. Nye metoder
til at søge information og videnskabelige resultater er under udvikling
af den videnskabelige publikationsindustri.
For godt 10 år siden så en ny disciplin indenfor naturvidenskaben
dagens lys og den har siden vokset sig stor og stærk: Bioinformatik.
Ikke alle anerkender bioinformatik som et selvstændigt forskningsområde
med sit eget teoretiske grundlag og uafhængige anvendelsesområde.
Skeptikerne spørger: Er bioinformatik en videnskab eller bare en
teknologiplatform? Eller sagt ligeud, hvor er forskningen i bioinformatik?
Hvis det er et forskningsområde, hvad er det teoretiske fundament
og de vigtigste fremskridt? Hvilken rolle spiller computerberegninger
(”computation”) i eksperimentel forskning? Er en sammenligning af
hundreder af genomsekvenser for at finde bevarede genstrukturer
bare et biologisk problem undersøgt med computermetoder? Kan alle
tekniske aspekter af computerforskning i molekylær biologi betegnes
som bioinformatik?
Fortalerne svarer: Bioinformatik er en stor succes.
Den dækker over teori og praksis for computation indenfor alle områder
af biologisk forskning, lige fra ren forskning i algoritmer til
computation anvendt i eksperimentel forskning. Bioinformatik har
haft medvind takket være den eksplosive vækst i computerteknologi
samtidig med udviklingen af strømlinet forskning betegnet ”high-throughput”
biologi (genomics, proteomics, etc.). Der er ingen tvivl om at moderne
bioinformatik har bidraget til udviklingen af flere nye områder
i biologien og forøget vores viden om biologiske systemers struktur,
funktion og evolution. Det er derfor relevant at undersøge, hvilke
er de vigtigste bestanddele i bioinformatik og hvad er tilknytningen
til de biologiske videnskaber?
Bioinformatik er et frodigt forskningsområde, som repræsenterer
en ny slags biologi, den resultat-styrede, induktive analyse og
simulering af biologiske systemer. Fundamentale områder indenfor
naturvidenskab bl.a. proteiners sekvenshomologi, analyse af proteinstruktur,
dyrearters fylogeni og taxonomi, simulering af molekylære netværk
og annotering af genomet bliver undersøgt med bioinformatik. Bioinformatik
kan føres tilbage til begyndelsen af 1980’erne samtidig med starten
af molekylærbiologien. Milestene i udviklingen er algoritmer til
sammenligning af proteinsekvenser (tidlige 1980’er), fri adgang
til data og databaser (midt 1980’er), hurtige systemer til databasesøgning
(sene 1980’er), sofistikerede systemer til forudsigelse af proteinstruktur
(tidlige 1990’er), annotering af genomet (midten af 1990’er) og
systemer til functional genomics (sene 1990’er). Svaret på spørgsmålet,
om bioinformatik er et selvstændigt forskningsområde og ikke kun
en teknologiplatform, er bekræftende. Computation er et centralt
element i moderne forskning. Den eksperimentelle biologi bruger
bioinformatik på linie med andre teknologier (gensplejsning, elektronmikroskopi,
massespektrometri, etc.) til at udforske vigtige spørgsmål. Computerforskere
betragter deres sofistikerede og omhyggelige beregninger som virkelige,
”tørre” forsøg med kontroller og testning af hypoteser. I dag rangerer
bioinformatik på linie med de øvrige discipliner i den eksperimentelle
biologi.
Ethvert etableret forskningsområde har sin internationale
konference og sit internationale selskab. Siden 1993 har en gruppe
computerforskere afholdt den årlige International Conference on
Intelligent Systems for Molecular Biology (ISMB) med stigende deltagelse.
I 2001 blev konferencen holdt i København (Tivoli!) med 1300 deltagere.
Initiativtagerne til konferencen var forskere med interesse for
kunstig intelligens. Da computerforskere og biologer med ”cross-over”
interesser mødte hinanden ved de første konferencer var kløften
mellem disciplinerne dyb. Biologerne forstod ikke meget af computerforskningen
og computerforskerne forstod ikke meget af biologien. Biologerne
mente at opbygning af et databaser var et overvældende problem og
computerforskerne ville sige: ”Det er ingen større sag; vi kan lave
en database, som kan rumme det”. Når computerforskere holdt foredrag
om samling af DNA sekvenser sagde biologerne: ”Nej! I mangler alle
de svære dele”. Siden er kløften blevet mindre takket være gensidig
oplæring.
International Society for Computational Biology (ISCB)
blev oprettet i 1997 for at være den officielle og internationale
organisation bag den årlige internationale ISMB konference. ISCB
er et akademisk selskab dedikeret til at fremme den videnskabelige
forståelse af levende systemer gennem computation. Hovedvægten er
på betydningen af informationsteknologi i udviklingen af molekylær
biologi. Bioinformatik - den unikke blanding af molekylær biologi
og computerforskning – er blevet voksen i de sidste år, og har fået
status af en selvstændig videnskabelig disciplin. Et kik på programmet
for den internationale ISMB konference giver et godt indtryk af
bioinformatik: ” Genome Annotation; Functional Genomics; Systems
Biology; Predictive Methods; Microarrays; Structural Biology; Data
Visualization; Phylogeny and Evolution; Data Mining; Sequence Comparison;”.
Enkelte eksempler kan belyse, at bioinformatik har haft
stor betydning i de sidste 10 år. Offentliggørelsen af sekvensen
af det humane genom i 2001 står som en enestående bedrift i naturvidenskaben.
Fremtidige generationer må afgøre om det førte til et paradigme
skift i biologien og biomedicinen, at vi nu kan læse ”Livets Bog”.
Det er uden for al tvivl, at bioinformatik var et væsentlig element
i succesen af det humane genomprojekt. Uden kraftige computersystemer,
sofistikerede algoritmer, avanceret databehandling og ikke mindst,
dygtige computerbiologer, ville indsatsen være dømt til at mislykkes.
I den postgenome fase er udfordringen til bioinformatikken at udvikle
systemer til funktionel genomics.
Systembiologi beskriver kontrol og kommunikation i hele
organismer. I dag kan analyser på systemniveau fortolkes på det
molekylære niveau takket være molekylærbiologien med sekventering
af genomer og måling af genekspression på genchips. Simuleringssoftware
er en vigtig komponent i systembiologien. På baggrund af hypoteser
udarbejdes modeller, som simuleres i ”tørre” forsøg. Computersimulering
forudsiger resultater, som kan undersøges i ”våde” forsøg. Herefter
forkastes eller bekræftes modellen.
Computer-aided design (CAD) af mikroorganismer anvendes
til at udvikle genetisk modificerede bakterier til industrielle
bioprocesser. Mange gener i bakterierne er unødvendige i de industrielle
omgivelser, som i modsætning til de naturlige omgivelser er velkontrollerede.
Ved simulering af bakteriens metabolisme lykkedes det at konstruere
en virtuel celle med 127 gener fra Mycoplasma genitalium genomet,
som er tilstrækkelige for ”selv-opholdelse”. Generne omfatter transcription,
translation, membrantransport, glycolyse og phospholipidsyntese.
Nogen vil sige, at det ikke er andet end et biologisk legetøj, men
legetøjsmodellen består ikke desto mindre af 495 reaktioner og 4268
molekyler.
Bioinformatikken vil ændre fokus og indhold i den postgenome
fase. Indtil nu har analyse af nukleotidsekvenser, proteinsekvenser
og strukturer været bioinformatikkens kød og blod. I fremtiden vil
analyse af transkripter på genchips, proteomics, molekylære interaktioner,
metaboliske netværk og vævsmorfologi være emnerne for bioinformatik.
Vi er på vej mod den ”hellige gral” i computerbiologien: udarbejdelsen
af realistiske, detaljerede in silico modeller af komplekse biologiske
systemer med molekylære, tidsmæssige og rumlige parametre. Hvad
betyder denne udvikling for fremtidens bioinformatik? Hvordan skal
vi uddanne den næste generation af forskere? Basal forståelse af
algoritmer og erfaring med programmering er essentiel for enhver
studerende. Derudover er det nødvendigt at bibringe en grundig indsigt
i databasemetoder, modelleringsteknikker, kompleks data præsentation,
database integration, videns management og simulering. Det er opmuntrende
at de danske universiteter har taget fat på udfordringen og vil
placere bioinformatik på linie med de øvrige fag, som indgår i den
eksperimentelle og molekylære biologi.
|
