Междисциплинарный характер биоинформатики

Биоинформатика является пограничной наукой для двух дисциплин биологии и математики, поскольку предметом изучения в ней являются биологические объекты, такие как белки и нуклеиновые поликислоты, однако при этом к ним применяются информационные методы математики, математической статистики и математического моделирования.

Необходимость подобного объединения дисциплин возникла в результате бурного прогресса в молекулярной биологии, произошедшего в течение последних десятилетий. В основном прогресс был связан с появлением новых методов, позволяющих работать с последовательностями нуклеиновых кислот и белков, например — секвенирования ДНК¹. Эти достижения породили мощный поток информации (рис. 1.54, табл. 1.1), при этом скорость накопления новой информации о целых геномах и в меньшей степени — протеомах² различных организмов превышала возможности анализа этой информации без применения специальных подходов.

Рис. 1.54. Рост количества нуклеотидных последовательностей (логарифмическая шкала) в базе данных GenBank:

? — число пар оснований;? — количество последовательностей.

Таблица 1.1

Прогресс в секвенировании геномов различных объектов от первых нуклеотидных оснований до генома человека.

• 1 Секвенированис ДНК — процесс определения последовательности нуклеотидов ДНК.
• 2 Протеом — совокупность всех белков организма (см. подпараграф 1.3.3).

Наиболее естественным решением для храпения и анализа большого количества структурной информации явилось применение интенсивно развивавшихся в тот момент компьютеров и связанных с ними прикладных направлений математики. Подобное взаимодействие подстегивалось особенностями генерируемой информации, а именно:

• • возможностью представления нуклеиновых кислот в виде алфавита из четырех типов символов и аминокислотных последовательностей в виде алфавита из 20 типов символов;
• • основным свойством ключевых матричных процессов в клетке (репликации, транскрипции, трансляции, формирования пространственных структур и взаимодействия биологических полимеров), состоящим в том, что для их анализа в большинстве случаев вполне достаточно знания последовательностей соответствующих полимеров.

Яркими иллюстрациями этих особенностей могут служить:

• • специальные последовательности в сайтах инициации и терминации матричных процессов;
• • триплетное кодирование последовательности белков нуклеиновыми кислотами;
• • комплементарное соответствие нуклеотидов, распространяющееся и на случай взаимодействия ДНК и РНК;
• • сходство пространственных структур белков, обладающих «похожими» аминокислотными последовательностями.

Таким образом, возникновение биоипформатики, с одной стороны, явилось ответом на необходимость анализа огромного количества информации о последовательностях и структуре нуклеиновых кислот и белков, а с другой — результатом роста производительности компьютеров и развитием информатики (computeг science).