Die Biotechnologie ist ein wichtiger Bereich der Wissenschaft. Die
Biotechnologie ermöglicht es der Menschheit, Spitzentechnologien für die Entwicklung von Medikamenten zu entwickeln. Die Biotechnologie ermöglicht die Entwicklung schädlingsresistenter und trockenheitsresistenter Sorten von hochwertigen Nutzpflanzen wie Mais und Reis. Eine der wichtigsten Komponenten der Biotechnologie ist die Schaffung und Aufrechterhaltung eines Mechanismus, der die Speicherung und den Abruf von biologischen Daten ermöglicht.
Ein Beispiel für biologische Daten sind Nukleotid- und Aminosäuresequenzen (National Centre for Biotechnological Information, 2004, S.1). Aufgrund der überwältigenden Datenmenge, die allein auf der Grundlage eines einzigen Organismus verarbeitet werden muss, wurde der Einsatz der Informationstechnologie obligatorisch.
Der Einsatz von IT zur Schaffung eines effizienten Mechanismus zum Speichern, Abrufen und Analysieren von Daten wird als Bioinformatik bezeichnet. Ziel dieser Studie ist es, einen Überblick über die Bioinformatik zu geben und zu veranschaulichen, wie die Bioinformatik bei der Entwicklung von Arzneimitteln und der Verbesserung von landwirtschaftlichen Erzeugnissen eingesetzt werden kann.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass Biotechnologie die “Nutzung lebender Organismen durch den Menschen” ist (Biotechnologie-Institut, 2010, S.1). In der Biotechnologie werden komplizierte Verfahren eingesetzt. Die Biotechnologie kombiniert die Wissenschaften “Biologie, Chemie, Physik, Ingenieurwesen, Computer und Informationstechnologie, um die besten Eigenschaften der Natur zu nutzen, um sichere und nützliche Nutzpflanzen, medizinische Behandlungen, Biokraftstoffe und Haushaltsprodukte zu entwickeln” (Institut für Biotechnologie, 2010, S. 1).
Der beste Weg, biologische Merkmale von Lebewesen zu untersuchen und nutzbar zu machen, ist der Weg über die molekulare Ebene, insbesondere über das genetische Material und die Proteinsequenz. Die Menge an Informationen, die durch Genomkartierung und Proteinsequenzierung gewonnen werden kann, kann eine gewöhnliche Datenbank leicht überfordern.
Definieren Sie Bioinformatik
Bevor wir weitergehen, ist es wichtig, darauf hinzuweisen, dass “die Bioinformatik ein aufstrebendes interdisziplinäres Gebiet der Wissenschaft und Technologie ist, das die systematische Entwicklung und Anwendung von IT-Lösungen für den Umgang mit biologischen Informationen umfasst, indem es sich mit der Sammlung und Speicherung biologischer Daten, dem Data Mining, der Datenbanksuche, der Analyse und Interpretation, der Modellierung und dem Produktdesign befasst” (Latha, 2012, S.1).
Die Bioinformatik kann als Schnittstelle zwischen der Biologie und modernen Informationssystemen betrachtet werden. Daher kann die Bioinformatik nicht nur zum Speichern und Abrufen von Informationen, sondern auch zur Entdeckung neuen Wissens eingesetzt werden.
Die Bedeutung der Bioinformatik wird deutlich, wenn man sie mit anderen Formen von Datenspeicher- und -abrufsystemen vergleicht, die in der Vergangenheit verwendet wurden. Man kann argumentieren, dass eine Bibliothek ein Beispiel für ein Datenspeicher- und Datenabrufsystem ist. Eine Bibliothek ist in der ganzen Welt als ein Wissensspeicher bekannt.
Gleichzeitig bauen die Menschen Bibliotheken aber nicht nur als sicheren Ort zur Aufbewahrung von Informationen auf, sondern auch als Möglichkeit, Informationen bei Bedarf effizient abzurufen. Damit dies geschehen kann, muss es eine Möglichkeit geben, die Bücher zu organisieren und aufzufinden. Der Benutzer kommt in die Bibliothek und holt sich die Bücher, aber wenn der Bibliothekar kein System zum Auffinden der Bücher hat, wird es lange dauern, bis jemand auf die in diesen Büchern enthaltenen Informationen zugreifen kann.
In der Neuzeit erwies sich das Bibliothekssystem als wirksames Mittel, um wichtige Informationen an einem Ort zu sammeln und sie dann an diejenigen weiterzugeben, die Wissen zur Lösung sozialer und wissenschaftlicher Probleme benötigten. Infolgedessen wurden größere Bibliotheken gebaut, die Hunderttausende von Büchern aufnehmen konnten. Das Klassifizierungssystem der Bibliothek ermöglichte es, die Bücher zu sortieren und sie leicht wiederzufinden.
Das System hat sich als zuverlässig erwiesen, selbst wenn es um Bibliotheken geht, die Hunderttausende von Materialien enthalten, die von Büchern bis zu Tonbändern reichen. Es wurde deutlich gemacht, dass das derzeitige Bibliothekssystem die Speicherung und den Abruf von Informationen durch seine Büchersammlung und andere Methoden der Datenspeicherung und -bereitstellung wie Karten, Mikrofilme und andere bewältigen kann. Aber wenn es um Biotechnologie geht, gibt es Anforderungen, die selbst eine riesige Bibliothek nicht erfüllen kann.
Im Bereich der Biotechnologie kann die Menge an Informationen, die aus der Genomkartierung und der Proteinsequenzierung gewonnen werden kann, atemberaubend sein. Diese Behauptung stützt sich auf die Tatsache, dass das in der DNA eines Menschen enthaltene genetische Material nicht nur aus großen Datenmengen besteht, sondern jeder Datensatz für die betreffende Person einzigartig ist.
Es hat Jahre gedauert, bis die Wissenschaftler die richtigen Protokolle zur Kartierung des Genoms eines Bakteriums erstellen konnten. Es erübrigt sich, die Auswirkungen eines Bakteriums im Vergleich zur Genkarte eines Menschen zu erläutern. Die durch Genkartierung und Proteinsequenzierung gesammelten Daten können sich leicht vervielfachen, wenn man die Genomkartierung von Pflanzen und anderen Organismen mit einbezieht.
Stellen Sie sich vor, was für eine Struktur gebaut werden müsste, um all die Informationen unterzubringen, die als Ergebnis der biotechnologischen Forschung entstehen können, vor allem, wenn es sich um das Erbmaterial in lebenden Organismen handelt. Das Speicherproblem ist nur eine Facette der allgemeinen Herausforderung.
Das nächste Problem, das es zu lösen gilt, ist der Abruf von Informationen, der 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche möglich sein muss. Schließlich müssen die Forscher Zugang zur biologischen Datenbank haben, auch wenn sie sich nicht im selben Gebäude befinden. Forscher arbeiten bei bestimmten Projekten zusammen, während andere die Forschungsergebnisse anderer Wissenschaftler nutzen, um ihre eigenen Lösungen für dringende Probleme im Bereich der Biotechnologie zu finden.
Es liegt auf der Hand, dass das Bibliothekssystem den technologischen Anforderungen, die für eine schnelle und effiziente Speicherung und Abfrage riesiger Datenmengen erforderlich sind, nicht mehr gerecht werden kann. Das problematischste Merkmal eines traditionellen Bibliothekssystems ist jedoch, dass es nicht in der Lage ist, Informationen auf die zweckmäßigste und kostengünstigste Weise weiterzugeben.
Stellen Sie sich die Zwänge vor, die durch die Auslagerung von Tausenden von Büchern aus einer Bibliothek in London und ihre anschließende Verschiffung an einen Forscher in Boston, USA, entstehen. Wenn der Wissenschaftler in Amerika seine Forschungsarbeit abgeschlossen hat, muss er die Bücher zurück ins Vereinigte Königreich schicken. Man kann sich den Ärger und die Kosten vorstellen, die für beide Seiten anfallen werden.
Die Bioinformatik löst das Problem der Speicherung, des Abrufs und der gemeinsamen Nutzung umfangreicher Datenmengen. Die Bioinformatik kann als Schnittstelle zwischen Biologie und Informatik gesehen werden, die zur “Entdeckung, Entwicklung und Implementierung von Rechenalgorithmen und Softwaretools führt, die das Verständnis biologischer Prozesse erleichtern, mit dem Ziel, in erster Linie der Landwirtschaft und dem Gesundheitswesen zu dienen, mit mehreren Nebeneffekten” (Latha, 2012, S.2).
Es ist klar, dass die Bioinformatik ohne die Erfindung des Computers, des Internets und des World-Wide-Web nicht möglich ist.
Die Entwicklung der Bioinformatik
Noch im 20. Jahrhundert waren Wissenschaftler gezwungen, Tinte auf Papier zu verwenden, wenn sie Daten aufzeichnen und ihre Analyse eines bestimmten Experiments niederschreiben mussten. Sie verwenden Tinte auf Papier, wenn sie ihre Erkenntnisse und verschiedenen Beobachtungen bei der Untersuchung wissenschaftlicher Phänomene festhalten. Aber die Erfindung des Computers hat alles verändert.
Die Entwicklung der Bioinformatik begann mit der Erfindung der modernen Computer. In der Vergangenheit ähnelten die Rechenmaschinen den antiken Perlenzählgeräten, die als grobe Rechenmaschinen verwendet wurden. Im 20. Jahrhundert ebnete die Perfektionierung der Elektrotechnik den Weg für die Entwicklung der elektronischen Technologie. Es dauerte nicht lange, bis Wissenschaftler und Ingenieure den ersten Computer entwickelten, den Vorläufer des Personalcomputers, der den Lauf der Geschichte verändern sollte.
Die moderne Version von Computern erwies sich als leistungsfähiger als die alten Rechengeräte aus Holz und Stahl. Die elektronischen Schaltungen eines modernen Computers ermöglichten es dem Benutzer, komplexe Berechnungen durchzuführen. Der einzige Nachteil der ersten Generation von Computern war, dass die Ingenieure nicht in der Lage waren, die Größe der Computer zu verringern und sie tragbar zu machen.
Es bedurfte des visionären Genies von Steve Jobs von Apple Computer und Bill Gates von Microsoft, um eine Kettenreaktion von Ereignissen in Gang zu setzen, die zur Konstruktion von tragbaren Computern führte, die leistungsfähig und effektiv genug sind, um in Büros und zu Hause verwendet zu werden. Das Endergebnis war so, als ob man mit einer Schreibmaschine Wörter tippen könnte, und doch wird die Ausgabe der Aktion in einem elektronischen Gerät aufgezeichnet, das wir einfach Computer nennen.
Die Revolution kam in Form von Computersoftware, die es dem Benutzer nicht nur ermöglichte, komplexe Berechnungen durchzuführen, sondern auch andere Tätigkeiten, die die traditionellen Buchhaltungs-, Sekretariats- und Designfunktionen ersetzten. Als er die Entwicklung des PCs und des Betriebssystems verfolgte, sagte ein Kommentator: “In der ersten Welle kamen die Softwareanbieter.
Sie begründeten die Softwareindustrie in den 1950er Jahren, indem sie groß angelegte Softwareprojekte an die US-Regierung und große Unternehmen verkauften. In den 1960er Jahren verlagerte sich die Branche langsam auf Softwareprodukte… Nachdem IBM… 1969 die Software von der Hardware entkoppelt hatte, nahm der Markt für Softwareprodukte Fahrt auf” (Valimaki, 2005, S. 14).
Das Wort “Entflechtung” bedeutet einfach, dass Computergeräte getrennt von der Software verkauft wurden, die sie betreibt. Diese Geschäftsstrategie hat die Entwicklung von Computersoftware revolutioniert, da sich Unternehmen wie Microsoft auf die Entwicklung modernster Software konzentrieren können, ohne sich mit den Anforderungen an die Computerhardware befassen zu müssen.
Die revolutionäre Entwicklung des Personal Computers ist nur ein Teil der IT-Geschichte, die die Welt verändert hat. Die Revolution wurde mit der Schaffung des World-Wide-Web und des Internets abgeschlossen. Diese neue Technologie hat die Art und Weise, wie Menschen miteinander kommunizieren, radikal verändert. Es geht nicht nur um die Fähigkeit, mathematische Probleme mit einem Personal Computer zu lösen, sondern auch um die Auswirkungen der Netzwerke, die durch das Internet entstanden sind.
Es ist notwendig, den Unterschied zwischen dem Internet und dem World-Wide-Web zu klären. Das Internet kann als ein Computernetzwerk von Netzwerken definiert werden, die es Computern ermöglichen, sich mithilfe von standardisierten Protokollen miteinander zu verbinden (Cerf, 2010). Es war Tim Berners-Lee, der dies möglich gemacht hat. Berners-Lee war es, der den Weg dafür ebnete, dass Computer Dateien finden und darauf zugreifen können (Wilde, 2008). Ein Bibliothekar war nicht mehr nötig. Diese Methode ermöglichte eine effiziente gemeinsame Nutzung von Daten. Man kann auch argumentieren, dass Computer mit anderen Computern kommunizieren können.
In vielen Bürogebäuden, Behörden und Universitäten gab es bereits ein Netz von Computern. Aber es gab keine Möglichkeit, diese Computer zu einem vernetzten System zu machen, bis das Internet aufkam. Wissenschaftler und Ingenieure entdeckten eine Möglichkeit, Daten und andere Informationen online einzusehen, ohne von einem Ort zum anderen reisen zu müssen.
Tim Berners-Lee schuf ein Client-Programm mit der Bezeichnung World-Wide-Web, das als Web in der ganzen Welt bekannt wurde. Die Erfindung wurde zum Vorläufer der Websites, die effizient genutzt werden können, um Informationen in Form von Texten, Bildern, Audio- und Videodateien zu versenden, abzurufen und anzuzeigen.
Ohne das besagte World-Wide-Web wird es für normale Menschen unmöglich sein, mit Hilfe von Programmiersprachen zu kommunizieren (Cerf, 2010). Schließlich schufen Informatiker einen effektiveren Weg zur Verbesserung der Kommunikation und des Datenaustauschs durch eine grafische Benutzeroberfläche. Wissenschaftliche Zusammenarbeit und andere Arten von Projekten können dank des Internets und des World-Wide-Web in kürzerer Zeit und mit weniger Ressourcen abgeschlossen werden.
Anwendungen der Bioinformatik
In einem Bericht heißt es: “Ein wichtiger Schritt bei der Bereitstellung des Zugangs zu Sequenzdatenbanken war die Entwicklung von Webseiten, die Abfragen der großen Sequenzdatenbanken ermöglichen. Ein frühes Beispiel für diese Technologie am National Centre for Biotechnology Information war ein menügesteuertes Programm namens GENINFO” (Mount, 2004, S.9).
Das besagte Programm ermöglichte den Forschern eine schnelle Suche in einer zuvor indizierten Sequenzdatenbank” (Mount, 2004, S.9). Mit anderen Worten: Es besteht keine Notwendigkeit, das Experiment zu wiederholen und die Datensequenz zu erstellen, damit andere Wissenschaftler sie einsehen und als Grundlage für neue Studien verwenden können.
Eines der besten Beispiele für die Leistungsfähigkeit der Bioinformatik ist der Einsatz dieser Art von Technologie zur Entwicklung eines wirksameren Arzneimittels zur Bekämpfung von Krankheiten. Das erworbene Immunschwächesyndrom (“AIDS”) ist eine tödliche Krankheit, die durch das menschliche Immunschwächevirus (“HIV”) verursacht wird.
Da es sich bei HIV um eine Art Virus handelt, ist bekannt, dass es aus organischen Bausteinen besteht, die untersucht werden können, um ein Medikament zu entwickeln, das das Virus schwächen oder aus dem System des Menschen ausrotten kann. Die Anwendung Bioinformatik ergab, dass dieses spezielle Virus eine Aspartylprotease besitzt. Dabei handelt es sich um eine Art von Enzym, das nur bei HIV vorkommt.
Auf der Grundlage herkömmlicher Verfahren zur Entwicklung von Arzneimitteln ist es wichtig, die relevanten Details der Molekularstruktur des besagten Enzyms zu verstehen. Da ein Enzym ein Auslöser für eine bestimmte Aktion ist, ist es möglich, die Replikation des Virus zu stoppen, wenn Wissenschaftler die Verfügbarkeit des Enzyms einschränken können.
Als Erstes muss jedoch die Kristallstruktur des besagten Enzyms bestimmt werden. Mit Hilfe der Bioinformatik haben zahlreiche Teams aus der ganzen Welt zusammengearbeitet, um den Mechanismus des Enzyms zu bestimmen, und das Layout des aktiven Zentrums wurde sorgfältig kartiert (Harisha, 2007, S. 177).
Es war ein vielversprechender Anfang in einem anhaltenden Kampf um ein Heilmittel für AIDS. In der Pharmaindustrie tätige Wissenschaftler waren davon überzeugt, dass der Einsatz der Bioinformatik die Zeit verkürzen kann, die für die Entwicklung neuer Medikamente benötigt wird, die zur Lösung der AIDS-Epidemie beitragen können. Mit Hilfe hochentwickelter Software entwickeln sie Simulationen im Computer und eliminieren so ihre Fehler durch einen mathematischen Prozess. Im Vergleich zu Laborexperimenten, die einen hohen Ressourcenaufwand erfordern, ist dies effizienter (Cerf V 2012).
Diejenigen, die immer noch die praktischen Anwendungen der Bioinformatik in Frage stellen, müssen über die erfolgreiche Entwicklung von Medikamenten zur Bekämpfung schwächender Krankheiten informiert werden. Dazu folgende Beispiele: “Dorzolamid (Handelsname Trusopt), das seit 1995 zur Behandlung des Glaukoms vermarktet wird, ist ein Karbonanhydrase-Hemmer, der als erstes Medikament aus einem Programm für strukturbasiertes rationales Design hervorging” (Selzer, Marhofer & Rohwer, 2008, S.133). Ein weiteres Beispiel ist Captopril. Es ist ein Medikament, das den Blutdruck senkt.
Ein Beispiel für ein Bioinformatik-Tool ist der Sequenzabgleich. Die Verwendung dieses speziellen Werkzeugs ermöglicht es Forschern,: “Datenbanken nach Sequenzen abzufragen, die einer Eingabesequenz ähnlich sind, zuvor charakterisierte Sequenzen zu finden, Beziehungen zwischen Sequenzen zu erkennen sowie mögliche Funktionen auf der Grundlage der Ähnlichkeit mit bekannten Sequenzen zu identifizieren” (Jain & Brar, 2010, S.104).
Ein Beispiel für eine biologische Informationsdatenbank für Nutzpflanzen ist die Arabidopsis-Genominitiative aus dem Jahr 2000 und der monokotyle Modellreis sowie die laufenden Sequenzierungsprojekte von Nutzpflanzenarten (Kang & Priyadarshan, 2007, S.95). Das Endergebnis sind biotechnisch veränderte Pflanzenarten, die gegen Trockenheit und Schädlinge resistent sind und den Landwirten dennoch höhere Erträge liefern.
Schlussfolgerung
Das Wichtigste dabei ist, dass die Bioinformatik die Schnittstelle zwischen Biologie und Informationstechnologie ist. Datensätze, die aus der Genomkartierung und der Proteinsequenzierung hervorgegangen sind, können auf möglichst kostengünstige Weise gespeichert und abgerufen werden. Gleichzeitig können sie aber auch anderen Forschern zur Verfügung gestellt werden.
Auf diese Weise hat man Zugang zu umfangreichen Datenmengen und muss gleichzeitig die in der Vergangenheit durchgeführten Sequenzierungsarbeiten nicht wiederholen. Dadurch werden Zeit und andere Ressourcen freigesetzt, so dass die Wissenschaftler ihre Talente für die Lösung von Problemen einsetzen können und sich nicht um die Daten kümmern müssen, die sie zur Untermauerung ihrer Behauptungen benötigen. Infolgedessen ist es relativ einfach, Medikamente zu entwickeln, die zur Lösung der AIDS-Epidemie beitragen können. Gleichzeitig ist es relativ einfach, durch Bioengineering hochwertige Nutzpflanzen zu entwickeln, die zur Lösung der weltweiten Nahrungsmittelknappheit beitragen können.
Referenzen
Biotechnologie-Institut. Was ist Biotechnologie? Web.
Internet-Pioniere. Web.
Harisha, S. Grundlagen der Bioinformatik. Neu Delhi: I.K. International Publishing; 2007.
Jain M, Jain, B. Molekulare Techniken zur Verbesserung von Kulturpflanzen. New York: Springer; 2010.
Kang M, Priyadarshan P. Breeding major food staples. Oxford: Blackwell Publishing; 2007.
Latha J. Bioinformatik für eine bessere Zukunft. Web.
Mount D. Bioinformatik: Sequenz- und Genomanalyse. New York: Cold Springs Harbour Laboratory Press; 2004.
Nationales Zentrum für Biotechnologie-Informationen. Bioinformatik. Web.
Selzer P, Marhofer R, Rohwer A. Applied bioinformatics: an introduction. New York: Springer; 2008.
Valimaki M. Der Aufschwung der Open-Source-Lizenzierung. Finnland: Helsinki University Printing House; 2005.
Wilde E. Architektur des World Wide Web. Web.