GrabDuck

Наука и технологии России - Биоинформатика: сomputer science в науке о жизни

:

На расшифровку человеческого генома ушло около 13 лет и 2,6 миллиарда долларов. Большинству людей всегда казалось, что эта новость безмерно далека от его реальной жизни. И вот теперь, когда первые зачатки медицины будущего все чаще вторгаются в нашу жизнь, её значение оказывается очевидным. Благодаря расшифровке человеческой ДНК стало возможным сделать медицину более персонализированной, во время беременности предугадывать врождённые отклонения, создавать новые лекарства и находить методы борьбы с постоянно мутирующими патогенами. И это только наиболее заметные прикладные задачи. А если посмотреть шире, то теперь учёные-биологи стали лучше понимать фундаментальные эволюционные процессы развития человеческого организма. Ни один из этих вопросов нельзя решить без биоинформатики.

Биоинформатика
Чаще всего под биоинформатикой понимают сложные методы математического анализа геномов и функций белков

По своей сути биоинформатика является наукой о методах работы с огромными массивами биологических данных и об извлечении из них полезной информации. Сегодня она стала неотъемлемой частью биологии. Дело в том, что такие биотехнологические инструменты, как, например, секвенаторы или масс-спектрометры, порождают столько данных, чтобы биологи уже не могут вручную проанализировать их. Для этого им нужны математические методы.

Чаще всего под биоинформатикой понимают сложные методы математического анализа геномов и функций белков. Они включают построение специальных алгоритмов, создание баз данных и сервисов, которые помогают понять взаимосвязь генетической информации, структуры белков и функций клеток и тканей. Используя эти биоинформатические инструменты, ученые-биологи или медики начинают лучше понимать, как устроены геном и клетка как система, почему клетки и ткани выполняют различные функции, несмотря на то, что внутри клеточного ядра всегда находится один и тот же геном, и каким образом организм реагирует на различные факторы, приводящие к заболеваниям.

Об одном из недавних достижений в области изучения человеческого генома, где неоценимую пользу принесла биоинформатика, недавно рассказывал портал STRF.ru.

Где учат биоинформатике?

В России школа биоинформатики лучше всего развита в Санкт-Петербурге, Москве, Новосибирске и Нижнем Новгороде. В Москве это факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ, где во время обучения преподается как классическая математика и классическая биология, так и узкоспециализированные предметы, например, биоинформатика и математические методы в биологии. Тем, кто обладает сильной математической базой, стоит рассмотреть государственную магистерскую программу по биоинформатике «Алгоритмы и анализ данных в биоинформатике», где делается упор на математическую составляющую биоинформатики.

В её развитии активное участие принимает лаборатория алгоритмической биологии Санкт-Петербургского академического университета (СПбАУ) РАН, возглавляемая профессором отделения компьютерных наук и инженерии Университета Калифорнии (Сан-Диего), победителем первого конкурса мегагрантов Павлом Певзнером.

Павел_Певзнер
Павел Певзнер, руководитель лаборатории алгоритмической биологии Санкт-Петербургского академического университета (СПбАУ) РАН

Изучать биоинформатику могут также студенты Нижегородского государственного университета и Московского физико-технического института (МФТИ). Кафедры биоинформатики в этих университетах открылись совсем недавно – в 2012 году – но уже имеют широкую сеть международных научных контактов. В МФТИ, например, кафедра биоинформатики организована совместно с Технологическим университетом Джорджии (Georgia Tech, Атланта, США), а её заведующий профессор Марк Бородовский является директором Центра биоинформатики в том же Georgia Tech.

Однако в основном знания по биоинформатике пока получают либо уже в процессе работы, либо на программах дополнительного образования, таких, как Институт биоинформатики в Санкт-Петербурге или Московская школа биоинформатики. Эти программы помогают получить ещё одну специализацию, не отрываясь от работы или учёбы. Для биологов это особенно актуально. Они всё чаще используют математику, статистику и языки программирования для анализа больших объёмов биологических данных. При этом большая часть студентов, аспирантов и молодых учёных испытывают недостаток знаний в этих областях. Понимая это, в Институте биоинформатики и в Московской школе создали адаптированные программы, которые позволяют понять, какая логика скрывается за интерфейсом программ, или же самостоятельно запрограммировать скрипт для анализа и визуализации результатов исследования.

Институт и школу поддерживает Российская венчурная компания,

а вот отечественные биотехнологические и фармацевтические компании чаще всего не готовы к столь долгосрочным инвестициям. Пока что они редко используют интенсивные вычисления и биоинформатику в лабораторных и клинических исследованиях, поэтому не видят прямой выгоды в поддержке подобных образовательных проектов.

Петербургский институт биоинформатики вырос из курсов по биоинформатике СПбАУ и всегда активно поддерживался ИТ-компанией JetBrains и лабораторией Павла Певзнера. Сейчас в институте действуют две образовательные программы: «Алгоритмическая биоинформатика» и «Биоинформатика для биологов». Кроме долгосрочных образовательных программ институт проводит Летнюю школу по биоинформатике, которая позволяет в интенсивном режиме познакомиться с областью как биологам, так и представителям технических специальностей.

Инициатива создания Московской школы биоинформатики принадлежит Михаилу Гельфанду. Сейчас это двухгодичная бесплатная образовательная программа, нацеленная на работу с биологами. В принципе, на неё может поступить любой желающий, если продемонстрирует знания биологии, аналогичные тем, которые даются на старших курсах биологических факультетов. Помимо этого Михаил Гельфанд проводит открытые Московские семинары по биоинформатике. Это самая старая образовательная инициатива в этой области – первый семинар был проведён в 1993 году. До сих пор они являются площадкой, где с приглашёнными гостями обсуждаются актуальные вопросы биоинформатики.

Центр_геномной_биоинформатики
11 сентября в Центре геномной биоинформатики им. Ф.Г. Добржанского СПбГУ успешно стартовал образовательный курс «Введение в биоинформатику: биоинформатика в биологии и медицине». Фото с официального сайта центра

Помимо этого у всех, кто живёт в Петербурге, есть возможность получить общее представление о биоинформатике, прослушав открытый образовательный курс в Центре геномной биоинформатики им. Ф.Г. Добржанского СПбГУ. Он охватывает разнообразные темы, касающиеся того, как биоинформатика помогает биологам и медикам в исследовательской работе и лечебной практике. Этот курс особенно интересен тем, что позволяет попасть в настоящую «мокрую» биологическую лабораторию и своими глазами увидеть, например, процесс генотипирования, начиная от сборки биоматериала и заканчивая интерпретацией результатов.

Биоинформатика-онлайн

Те, кто живет в регионах, могут приобщиться к биоинформатике через интернет. Например, Павел Певзнер, совместно с директором Института биоинформатики Николаем Вяххи и преподавателем Университета Калифорнии в Сан-Диего Филлипом Компо, запустил в ноябре 2013 года на платформе Coursera онлайн-курс по алгоритмам в биоинформатике. Другой курс организует на Coursera Центр им. Ф.Г. Добржанского, его создание курирует Алла Лапидус, старший научный сотрудник Центра геномной биоинформатики СПбГУ и лаборатории алгоритмической биологии СПбАУ РАН. В рамках курса рассказывают о биоинформатике с точки зрения биологов и медиков, и он будет доступен на русском языке. Кроме этого, Институт биоинформатики активно работает над тем, чтобы в интернете были доступны все материалы лекций, которые проходят в Санкт-Петербурге. Сейчас на его сайте в открытом доступе выложены материалы Летней школы по биоинформатике, а вскоре на YouTube-канале будут доступны видеозаписи по каждому курсу Института и открытым лекциям в Центре Ф.Г. Добржанского.