Ausprägungsfach Bioinformatik im Rahmen des Bachelor-Studiengangs Informatik. CIBIV Center for Integrative Bioinformatics Vienna

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1 Ausprägungsfach Bioinformatik im Rahmen des Bachelor-Studiengangs Informatik Center for Integrative Bioinformatics Vienna (CIBIV) Max F. Perutz Laboratories (MFPL) Vienna, Austria CIBIV Center for Integrative Bioinformatics Vienna Das CIBIV ist ein gemeinschaftliches Forschungsinstitut von Universität Wien Medizinischer Universiät Wien Lehr-Veranstaltungen werden vor allem von folgenden Dozenten gehalten: Prof. Dr. Arndt von Haeseler Dr. Heiko Schmidt aber auch von anderen Postdocs des CIBIV Am CIBIV arbeiten 7 Postdocs 6 Doktoranden einige Studenten Bioinformatik eine Definition Was ist Bioinformatik? Die Bioinformatik im weitesten Sinne ist die Anwendung von Informatik-Methoden und Computern zur Beantwortung biologischer Fragestellungen. (Es gibt viele weiter Definitionen, je nachdem, woher sie stammt.)

2 Bioinformatik ist ein interdisziplinäres Feld Bioinformatik Biologie - Molekularbiologie - Genetik Informatik - Algorithmik - Datenbanken Mathematik - Statistik - Wahrscheinlichkeitstheorie - Biomathematik Medizin/Biomedizin Biophysik BI-Felder Datenspeicherung/-aufbereitung/-integration Biologische Datenbanken DNA-Datenbanken (EMBL, Genbank) Protein-Datenbanken (SwissProt, Uniprot) Struktur-Datenbanken (PDB) Literature-Datenbanken (PubMed) viele Spezialdatenbanken 2e e+08 EMBL Growth of the EMBL DNA Database 1.6e e+08 Number of Sequences 1.2e+08 1e+08 8e+07 6e+07 4e+07 2e /82 01/83 01/84 01/85 01/86 01/87 01/88 01/89 01/90 01/91 01/92 01/93 01/94 01/95 01/96 01/97 01/98 01/99 01/00 01/01 01/02 01/03 01/04 01/05 01/06 01/07 01/08 01/09 01/10 01/11 BI-Felder Sequenzvergleiche/Sequenzanalyse Muster-Suche (Wort gegen Sequenz) Datenbank-Suche (Sequenz gegen Datenbank) Sequenzvergleiche (Sequenz gegen Sequenz) Sequenzalignment (Ausrichten von Sequenzen gegeneinander, Grundlage für die meisten weiterführenden Analysen) GAGGGCATGGCCGTCGCCAGCTCGTGTTGTGAAATG GTGGGCATGGCCGTCGTCAGCTCGTACCGTGAGGCG GTGGGCATGGCCGTCGTCAGTTCGTACTGTGAAGCA GAGGGCATGGCCGTC AGCTCGTGTTGTGAAATG GAGGGCATGGCCGTC GGCTCGTGCCGTGAGGTG GAGGGCATGGCCGTC AGCTCGTGCCGTGAGGTG GAGGGCATGGCCGTCGCCAGCTCGTGCTGTGAAGTG GAGGGCATGGCCGCC AGCTCGTACCGTGAGGCG GTGGGCATGGCCGTCGTCAGCTCGTACCGTGAGGCG GAGGGCATGGCCGTCGTCAGTTCGTACTGTGAAGCA

3 BI-Felder Evolutiona re Bioinformatik/Phylogenetik Rekonstruktion der Verwandtschafts- und Abstammungsverha ltnisse Grundlage fu r das Versta ndnis der meisten biologischen Vorga nge, da diese vor dem Hintergrund der Evolution entstanden sind. BI-Felder Genomik Inzwischen ko nnen ganze Genome effizient sequenziert werden. Mit deren Sequenz allein wissen wir aber noch nichts konkretes. Was muss getan werden? Genvorhersage (Wo fa ngt ein Gen an/ho rt es auf?) Vorhersage regulatorischer Elemente (Die Steuerelemente der Genexpression) Vergleich mit andere Genomen (Wo sind Gemeinsamkeiten/Unterschiede) Annotation (Zuordnung von Funktion und Struktur zu den jeweiligen Bereichen des Genoms)... BI-Felder Strukturvorhersage RNA/DNA-Strukturen und Funktionseinscha tzung Proteinstrukturen und Funktionseinscha tzung Interaktion zwischen Moleku len Liganden-Docking (Wirkstoff/Hemmstoff-Entwicklung in der Pharmaindustrie)

4 BI-Felder Expressionsdatenanalyse Mit Microarrays la ßt sich messen, wie ha ufig Gene abgelesen werden. Durch die A nderung dieser Expressionsdaten auf a ußere Einflu sse, lassen sich Gene charakterisieren und evtl. Gruppen gemeinsam agierender Gene finden. BI-Felder Systems Biology Systems Biology bescha ftigt sich mit der Rekonstruktion und Modellierung komplexer Systems, wie z.b. Gen-regulatorischer Netzwerke Interaktions-Netzwerke Metabolischer Pfade oder gar ganzer Zellen, Geweben, Organismen, Classical vs. Next Generation Sequencing generiert 96 Reads generiert Millionen Reads mit La ngen bis zu 1000bp mit La ngen bis zu 150bp gute Qualita t fehlerhaft NGS kann billig Unmengen kurzer Reads generieren und erfordert damit neue Methodiken, die mit großen Mengen kurzer Sequenzen umgehen koennen. Hiermit ko nnen dann Fragen gestellt werden, die vorher nicht mo glich waren.

5 Next Generation Sequencing Quelle: Wold + Myers (2008) Nat. Meth. NGS-Verfahren werden auch immer h aufiger in der klinischen Diagnostik verwendet. (Genetische Präpositionen/Krankheiten, Krebsforschung etc.) Sie eröffnen Wege in die personalisierte Medizin. Weitere Felder Parallele Bioinformatik (Nutzung von Clouds, Grids, Clustern, Multi-CPU/Core, GPU-Platformen) Populationsgenetik Biodiversität Biogeografie/Phylogeografie Simulationen in verschiedenen Bereichen Text-/Datamining Eine wichtige Aufgabe ist immer Entwicklung effizienter Analyse Software Entwicklung von Analyse- und Visualisierungsmethoden 4.3% 4.0% 74.3% 3.9% 4.5% 4.2% 4.8%