Kendskab til computerbaserede analyseværktøjer til udforskning
af store mængder biologisk data vil være et krav til fremtidens
biologiske, biomedicinske og bioteknologiske forskere. Samtidig
er der i forskningsverdenen et øget behov for udvikling af nye
og mere effektive algoritmer til analyse af de eksponentielt stigende
mængder biologisk information, der kontinuert produceres i moderne
biokemisk, molekylærbiologisk og biomedicinsk forskning. Syddansk
Universitet imødekommer behovet for uddannelse af såvel brugere
som udviklere af bioinformatik ved fra 1. september 2002 at tilbyde
en 3-årig bacheloruddannelse og en 2-årig kandidatuddannelse i
bioinformatik.
Introduktion
Forskning i biokemiske og cellebiologiske processer
har i de senere år skiftet karakter fra primært at fokusere på
studier af enkelte eller få biomolekyler til også at omfatte systematiske
studier af mindre eller større delmængder af cellers bioaktive
enheder, inklusive proteiner (proteomet), gener (genomet) og metabolitter
(metabolomet).
Vekselvirkninger og dynamikken imellem disse molekyler
i vore celler udmøntes i det vi kalder ’liv’, som i denne sammenhæng
defineres som evnen til at udvikle og reproducere sig. Udforskning
af de molekylære mekanismer i celler kræver derfor koordinerede,
parallelle eksperimentelle studier af proteiner, nukleinsyrer,
lipider, kulhydrater osv. Sådanne analyser vil f.eks. kunne bruges
til at øge forståelsen af basale cellulære processer, til at bestemme
toksikologiske effekter af lægemiddelkandidater, til at udforske
forløbet af genetisk betingede, multifaktorielle sygdomme eller
til at identificere de biomolekyler der er centrale i transformationen
af en normal celle til en kræftcelle.
 |
Figur 1: Bioinformatikkens centrale rolle
i moderne biologi og biomedicin er at udtrække relevant
information og erkendelse fra de store data-mængder, der
genereres i systematiske studier af biologiske systemer,
f.eks. ved proteomanalyse af kræftceller eller DNA-chip
baseret genekspressionsanalyse i bananfluer. Den derved
opnåede viden anvendes til udvikling af nye hypoteser der
kan testes eksperimentelt i laboratoriet (in situ) og/eller
ved yderligere dataanalyse på computer (in silico). Se
en større gengivelse her. |
Studier af cellens komplekse processer
ved hjælp af avancerede analytiske metoder, f.eks. måling af genekspression
på mRNA niveau vha. cDNA-microarrays eller måling af proteinniveauer
vha. massespektrometri baserede teknikker, producerer meget store
mængder data, der indeholder kvalitativ såvel som kvantitativ
information om de biomolekyler, der produceres i en celle under
givne forhold. Den store udfordring består i at håndtere, sammenligne
og integrere de store mængder af data fra disse forskellige typer
af eksperimenter. Bioinformatik spiller en helt central rolle
i analysen og tolkningen af disse eksperimentelle data og for
skabelsen af nye ideer og hypoteser (Figur 1).
Eksperimentel bioinformatik på SDU
Syddansk Universitet har igennem flere år satset på
udvikling og udbygning af de forskningsområder inden for cellebiologi,
biomedicin og bioteknologi som direkte tager sigte på udforskning
af komplekse processer i modelorganismer, i cellekulturer og i
molekylære studier af sygdomme v.h.a. patientmateriale. Det tætte
samspil imellem det naturvidenskabelige og tekniske fakultet og
det sundhedsvidenskabelige fakultet på SDU danner et godt grundlag
for de mange tværfaglige projekter der udføres inden for de ovennævnte
forskningsområder. Disse inkluderer bl.a. studier af nukleinsyrer
på både DNA og RNA niveau, genekspressions-analyser med DNA-chips,
proteom-analyser baseret på 2D-gel separation og avanceret massespektrometri,
samt biofysiske studier af proteiners og biologiske membraners
egenskaber og metabolitters struktur og omdannelseshastighed.
Disse typer forskningsprojekter foregår på en række af SDUs institutter
og forskningscentre som er repræsenteret på internettet (se nedenfor).
Computerbaserede teknikker og bioinformatik anvendes
på alle niveauer i forskningsprojekter på SDU, f.eks. til forudsigelse
af gener i et genom, identifikation af proteiner ud fra massespektrometriske
data, forudsigelse af den tredimensionelle struktur af proteiner
og protein-DNA komplekser, statistiske analyser af eksperimentelle
data fra patientmateriale, til studier af arvelige sygdomme, over
til modellering af dynamikken i cellemembraner. SDU er vært for
Center for Eksperimentel Bioinformatik som er finansieret af Danmark
Grundforskningsfond og som ved stiftelsen i 1997 var et af de
første forskningscentre i verden som søgte at integrere eksperimentelle
og bioinformatiske metoder til proteomanalyse. Derudover er SDU
vært for Center for Membran-biofysik og Center for Nukleinsyre
Analyser, der begge er finansieret af Danmarks Grundforskningsfond.
Uddannelser i Bioinformatik på SDU
SDU har ekspertiser inden for alle niveauer af bioinformatik
og scientific computing inden for både cellebiologi, kemi, biofysik
og biomedicin, såvel på de teoretiske som på de anvendelsesmæssige
områder. Det har derfor været naturligt at tilbyde en uddannelse
i bioinformatik på SDU som indeholder en høj grad af tværfaglighed
og giver muligheder for at anvende computerbaserede metoder og
bioinformatik i konkrete projekter undervejs i studiet, såvel
i de enkelte kurser som i bachelorprojektet samt i det 1-årige
forskningsbaserede specialeprojekt.
Selve studieforløbet er skitseret i Figur 2. Uddannelsen
i bioinformatik er opbygget med en 3-årig bacheloruddannelse og
en 2-årig kandidatuddannelse. Bacheloruddannelsen indledes med
det fælles naturvidenskabelige studieår, der er en ideal indgang
til en uddannelse i bioinformatik. Herefter er bioinformatik uddannelsen
sammensat af kurser inden for biokemi og molekylærbiologi, kurser
inden for datalogi, anvendt matematik og statistik samt kurser
i bioinformatik. Nøgleordet for bioinformatik uddannelsen er således
tværfaglighed mellem fagområder, der traditionelt opfattes som
værende meget lidt beslægtede. Denne struktur sikrer på afgørende
vis, at kandidaterne udover at opnå kompetencer inden for bioinformatik
også opnår kompetencer inden for bioinformatikkens baggrundsfag:
Biokemi og molekylær biologi, der genererer de data, der analyseres
vha. datalogiske, matematiske og statistiske metoder, samt datalogi,
matematik og statistik, der danner grundlaget for en kritisk anvendelse
af eksisterende bioinformatikværktøjer samt udvikling af nye bioinformatiske
analysemetoder.
 |
Figur 2: Opbygningen af bachelor og kandidat uddannelserne
i bioinformatik på SDU. Se hovedteksten samt www.studieguide.sdu.dk
for nærmere detaljer. |
To forhold har været afgørende for valget af denne
opbygning af uddannelsen. For det første identificeres nye bioinformatiske
problemstillinger samt behovet for nye bioinformatikværktøjer
ofte i de biokemiske og molekylærbiologiske laboratorier og herefter
foregår den videre problemløsning vha. datalogiske, matematiske
og statistiske metoder. Den to-strengede opbygning af uddannelsen
sikrer, at kandidaterne har de kompetencer, der udgør grundlaget
for identifikation af nye bioinformatiske problemstillinger samt
udvikling af nye bioinformatiske analysemetoder. For det andet
sikrer denne opbygning, at kandidaterne har kendskab til terminologi
og koncepter inden for både biologiske og IT-relaterede fag, således
at de vil kunne bidrage til at lukke kommunikationskløften mellem
de ”rene” biokemikere og molekylær biologer på den ene side og
de ”rene” dataloger, matematikere og statistikere på den anden
side.
Bacheloruddannelsen indeholder udover de nævnte kurser
et introduktionskursus i bioinformatik, hvor hovedvægten lægges
på eksisterende metoder der anvendes til computerbaseret analyse
af biologisk data. Kandidatuddannelsen indeholder et overbygningskursus
i Eksperimentel Bioinformatik som indeholder tre moduler: (i)
Biologisk sekvensanalyse; (ii) Modelering/simulering af biologiske
systemer og (iii) Proteomics og genomics: Analyse af store datasæt.
Disse tre moduler integrerer de teoretiske koncepter og praktiske
anvendelser af bioinformatikken både fra biologiske og datalogiske
synspunkter for at give de studerende den kritiske forståelse
af algoritmers fordele og ulemper når de anvendes på eksperimentelle
data. Bioinformatikuddannelsen på SDU er endvidere opbygget så
der er plads til valgfrie kurser på 3. og 4. år. Her kan den studerende
vælge yderligere cellebiologiske fag, hvis man er eksperimentelt
orienteret eller man kan vælge datalogiske fag hvis man er mere
motiveret for de algoritmiske og teoretiske aspekter af bioinformatik.
Den valgfri pulje kan også indeholde fag indenfor kemi, fysik,
biomedicin eller andre fagområder. Endvidere kan de studerende
vælge at deltage i bioinformatik-orienterede kurser på andre danske
forsknings- og uddannelsesinstitutioner, f.eks. på DTU eller Århus
Universitet. Den komplette beskrivelse af bioinformatik uddannelsen
på SDU og de kurser der indgår i den er tilgængelig på internettet
(se nedenfor).
Bioinformatikerens rolle i fremtiden
Med den nyeste eksperimentelle teknologi til molecular
profiling af proteiner, nukleinsyrer, lipider, kulhydrater og
forskellige metabolitter, samt en række lovende analytiske metoder
der stadig er under udvikling, bliver det inden for den nærmeste
fremtid muligt at udføre kvalitative såvel som kvantitative tids-studier
af cellernes molekylære indhold. Derved kan man følge de dynamiske
processer i cellen, f.eks. celledeling og celledifferentiering
som bl.a. reguleres ved aktivering/inaktivering af proteiner ved
reversibel post-translationel modifikation og dannelse/nedbrydning
af mRNA og lipider.
Flaskehalsen i sådanne eksperimenter vil bl.a. være
filtrering af relevant information fra irrelevant ’støj’, korrelation
og sammenligning af store datamængder, samt udvikling af modeller
for komplekse biologiske systemer. Der er ingen tvivl om at bioinformatik
og dygtige bioinformatikere får en hel central rolle i fremtidens
biomedicinske og cellebiologiske forskning – udvikling og anvendelse
af nye og effektive algoritmer vil gøre det muligt at finde ’nålene
i høstakken’ hurtigere og mere effektivt end i dag til gavn for
såvel grundforskningen som den industrielle forskning.
Mere information om SDU bioinformatik og scientific computing:
SDU: www.sdu.dk
SDU studieguide: www.studieguide.sdu.dk
Inst. Biokemi & Molekylær Biologi: www.bmb.sdu.dk
Center for Eksperimentel Bioinformatik: www.sdu.dk/Nat/bmb/CEBI/
Proteinkemigruppen: www.protein.sdu.dk
Nukleinsyrecentret: www.nac.sdu.dk
Center for Membran-biofysik:
www.memphys.sdu.dk
Center for Proteomanalyse:
www.proteome-analysis.dk
Danish Center for Scientific Computing: www.dcsc.sdu.dk
Klinisk Biokemi & Klinisk Genetik: www.sdu.dk/health/research/units/clinbioc.htm
