מערכת שידורים לאומית

ביואינפורמטיקה בשירות הביוטכנולוגיה

מגמת ביוטכנולוגיה חט"ע

שם המורה: ד"ר ליאורה סגל

מה נלמד היום

מהי ביואינפורמטיקה? חלק א'

• הקדמה לנושא ביואינפורמטיקה
• היסטוריה קצרה של התחום
• הגדרה- ביואינפורמטיקה
• חשיבות הביואינפורמטיקה לקידום המדע בתחומים תיאורטיים ויישומיים של מדעי החיים והביוטכנולוגיה
• שלבים במחקר ביואינפורמטי

​

​

​

​

​

מבוא לביואינפורמטיקה חלק א'

הקדמה

• במהלך העשורים האחרונים שימוש רב בטכנולוגיות ביולוגיות, בעיקר בשיטות מולקולריות וגנומיות, הביאה לצמיחה עצומה בכמות, במגוון ובמורכבות המידע שהצטבר על ידי הקהילה המדעית. נוצר צורך לארגן ולאחסן את המידע הרב בצורה שתאפשר חיפוש, הצגה וניתוח מהירים וקלים, וכן לשתף מדענים ברחבי העולם במידע זה.
• כך נולד והתפתח תחום חדש במדע - הביואינפורמטיקה, שבו מתמזגים תחומי הדעת ביולוגיה, מדעי המחשב וטכנולוגיות מידע       

הפירוש המילולי של המושג ביואינפורמטיקה פשוט ביותר:� "ביו" פירושו חיים, ו"אינפורמטיקה" פירושה  מידע. 

• אם הביולוגיה היא "מדעי החיים", אז ביואינפורמטיקה היא "מידע החיים"
• ביואינפורמטיקה הינו תחום מדעי שבו הביולוגיה, מדעי המחשב וטכנולוגיות מידע נפגשים ויוצרים תחום-דעת אחד

​

היסטוריה קצרה של התחום

• התפתחותו של התחום נובעת בעיקר מההתקדמות הטכנולוגיה המואצת במדעי החיים, בעיקר ברמה המולקולרית והגנומית, שהביאה להצטברות עצומה של פרטי מידע ברמה זו. כדי להנגיש מידע זה נוצר הצורך לאחסן ולארגן אותו כך שניתן יהיה לחפש, להשוות, להציג ולנתח אותו במהירות ובקלות, וזאת באמצעות טכנולוגיות מתקדמות מתחומי מדעי המחשב וטכנולוגיות מידע.
• הביואינפורמטיקה  מובילה לא רק למהפכה בתחומי הביולוגיה המולקולרית והביוטכנולוגיה,�אלא גם משפיעה על  אופן  ביצוע המחקר בתחומים אלו. בשנים האחרונות המחקר בתחומי מדעי החיים משלב  יותר ויותר מחקר ניסויי עם מחקר ביואינפורמטי

​

• פיסת המידע הראשונה בהיסטוריה הקצרה של התחום מופיעה בשנת 1955. בשנה זאת מצליח צוות חוקרים בהנהגתו  של פרדריק סנגר Frederick Sanger)) לקבוע בפעם הראשונה את רצף חומצות האמינו שמהן מורכב החלבון אינסולין. בשנת 1958 זכה בפרס נובל לכימיה
• בעשור שאחרי התגלית חוזרים חוקרים ברחבי העולם על ההצלחה ומרצפים חלבונים נוספים.
• על מנת לאגד את כל המידע שנאסף, מפרסמת החוקרת מרגרט דייהוף (Margaret Oakley Dayhoff ) בשנת 1965 את מאגר  הרצפים הראשון - אטלס המכיל את הרצפים של 65 חלבונים, מספר רצפים חסר תקדים בימים ההם.

פרדריק סנגר �באדיבות הספרייה הלאומית לרפואה�(National Library of Medicine) בארה"ב. 

איור 5: מרגרט דייהוף �באדיבות בִּיתה ד"ר רות' דייהוף �(Dr. Ruth Dayhoff) 

• מאז נקבע רצף החלבון הראשון בשנת 1955, נאסף מידע רב אודות רצפי חלבונים, ומספר עצום של רצפי נוקלאוטידים

גידול שהתרחש בעשורים האחרונים במספר הרצפים ובאורכם הכולל (במאגר רצפי נוקלאוטידים GenBank) )

האיור מבוסס על נתוני המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי (ה-NCBI) בארה"ב,�כפי שמופיעים ב- http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/genbankgrowth.jpg

ביואינפורמטיקה - הגדרה

• בשנת 2000 המכון הלאומי לבריאות בארה"ב ( ה- NIH) הגדיר באופן רשמי מהי ביואיפורמטיקה: "מחקר, פיתוח או יישום של כלים ממוחשבים וגישות לשם הרחבת השימוש במידע ביולוגי, רפואי והתנהגותי. הכלים משמשים לייצור, לאחסון, לארגון, לניתוח או להצגה של המידע"

​

​

תחום הביואינפורמטיקה מאפשר התמודדות מושכלת יותר עם שאלות מחקר מורכבות ומגוונות ומניב תובנות חדשות המאפשרות פיתוחים ביוטכנולוגיים מרחיקי לכת בתחומים כמו:

• רפואה (הבנה של הגורמים למחלות ושל התפתחות מחלות, שיפור באבחון מצבי חולי, התאמת תרופות על בסיס ההפרעה הגנטית או הפגם במבנה החלבון),
• פיתוח תרופות (פיתוח תכשירים, ייצור תוספי מזון וביוכימיקלים)
• חקלאות מתקדמת (צמחים עמידים למחלות ולתנאי יובש, �תוצרת חקלאית משובחת ורבה יותר),
• מזון ואיכות הסביבה (הנדסה גנטית של מיקרואורגניזמים לשם �פירוק וניצול פסולת וזיהומים בסביבה)
• שיפור איכות החיים ולהארכת תוחלת החיים

​

​

פרויקט הגנום האנושי כדוגמה לחשיבות הביואינפורמטיקה

• פרויקט מחקר בינלאומי
• המטרה הייתה לקבוע רצף הבסיסים (הנוקלאוטידים) המרכיבים את כלל ה-DNA של אדם. השתתפו בו 16 מדינות כולל ישראל, אך התרומה הגדולה הייתה של 2 מרכזי מחקר בארה"ב.
• התחיל ב 1990 והסתיים ב 2003 . גרסה סופית ב 2006 .
• באדם כ- 20,000 גנים המקודדים (נושאים מידע) לחלבונים. �מטרות בעקבות פרויקט הגנום האנושי :
• מבנה, תפקיד ובקרת ביטוי גנים
• שונות גנטית בין בני האדם
• ריפוי מחלות אישי על בסיס גנטי

​

ממצאי הפרויקט

• בכמה ספרים יש צורך על מנת לאחסן את כל האותיות ?

תשובה: 6000 ספרים! � בכל ספר 1,000 עמודים. בכל עמוד 1,000 אותיות.�

• אם עובי כל ספר 5 ס"מ מה יהיה גובה כל הספרים ?

תשובה: 300 מטר גובה! בנין של 100 קומות!!!

​

ברור שכדי למצוא מידע בתוך 6000 ספרים כאלה, נזדקק לכלים ממוחשבים

​

DNA האדם: 3x10⁹ זוגות בסיסים – נוקלאוטידים

=

6x10⁹ בסיסים – נוקלאוטידים (אותיות)

aatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgcaagctgggatccgatgactatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgaatggtcttgggatttaccttggaatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgaatggtcttgggatttaccttggaatatgctaatgcatgcggctatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgcaagctgggatccgatgactatgctaagctgcggctatgctaatgcatgcggctatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgcaagctgggatcctgcggctatgctaatgaatggtcttgggatttaccttggaatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgaatggtcttgggatttaccttggaatatgctaatgcatgcggctatgctaagctgggaatgcatgcggctatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgcaagctgggatccgatgactatgctaagctgcggctatgctaatgcatgcggctatgctaagctcatgcggctatgctaagctgggaatgcatgcggctatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgcaagctgggatccgatgactatgctaagctgcggctatgctaatgcatgcggctatgctaagctcggctatgctaatgaatggtcttgggatttaccttggaatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgaatggtcttgggatttaccttggaatatgctaatgcatgcggctatgctaagctgggaatgcatgcggctatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgcaagctgggatccgatgactatgctaagctgcggctatgctaatgcatgcggctatgctaagctcatgcgg

aatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgcaagctgggatccgatgactatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgaatggtcttgggatttaccttggaatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgaatggtcttgggatttaccttggaatatgctaatgcatgcggctatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgcaagctgggatccgatgactatgctaagctgcggctatgctaatgcatgcggctatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgcaagctgggatcctgcggctatgctaatgaatggtcttgggatttaccttggaatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgaatggtcttgggatttaccttggaatatgctaatgcatgcggctatgctaagctgggaatgcatgcggctatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgcaagctgggatccgatgactatgctaagctgcggctatgctaatgcatgcggctatgctaagctcatgcggctatgctaagctgggaatgcatgcggctatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgcaagctgggatccgatgactatgctaagctgcggctatgctaatgcatgcggctatgctaagctcggctatgctaatgaatggtcttgggatttaccttggaatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgaatggtcttgggatttaccttggaatatgctaatgcatgcggctatgctaagctgggaatgcatgcggctatgctaagctgggatccgatgacaatgcatgcggctatgctaatgcatgcggctatgcaagctgggatccgatgactatgctaagctgcggctatgctaatgcatgcggctatgctaagctcatgcgg

​

גן

סוגי שאלות שניתן לשאול בעזרת ביואינפורמטיקה?

• השוואת רצפים נתונים (DNA או חלבון) – לדוגמא איתור מוטציות
• חיפוש דמיון בין רצף נתון לרצפים במאגר הנתונים – לדוגמא זיהוי מסלול ביוכימי בחיידק חדש
• איתור מוטיבים ברמת ה- DNA, ה-RNA או החלבון- איתור מקבצי חומצות אמיניות בעלי חשיבות ביולוגית למבנה של החלבון, לתיפקודו ופעילותו, וחיפוש מבנים דומים אשר קיימים גם בחלבונים אחרים. לדוגמה: בנוגדנים, בקולטנים.
• אפיון תגובה תאית בתנאים מסוימים- לדוגמא ביטוי גנים בתאים סרטנים
• ניבוי מבנה תלת מימדי של חלבון
• איתור קירבה אבולוציונית על סמך דמיון ברצף נתון לרצפים במאגר הנתונים (פילוגנזה)

​

מחקר ביואינפורמטי

מדענים עושים שימוש בביואינפורמטיקה לצרכי מחקר:

המשך בנושא/שיעור הבא....

http://snip.ly/hf8p#http://www.freepik.com/

השימוש ביצירות במהלך שידור זה נעשה לפי סעיף 27א לחוק זכות יוצרים, תשס"ח-2007. אם הינך בעל הזכויות באחת היצירות, באפשרותך לבקש מאיתנו לחדול מהשימוש ביצירה, זאת באמצעות פנייה לדוא"ל rights@education.gov.il

שימוש ביצירות מוגנות בזכויות יוצרים ואיתור בעלי זכויות