Pengantar Bioinformatika Hidayat Trimarsanto <anto@eijkman.go.id>
Bioinformatika/Biologi (Molekuler) Komputasi Biologi molekuler Data Problema Hypothesis Teori + Computational Science + matematika,statistik,ilkom, dll Metode Algoritma Teknologi Informasi Tools / software Database Konektivitas/Internet Interpretasi Verifikasi/validasi Biological insight Analisis Modeling Simulasi Visualisasi Bioinformatika memahami mekanisme/cara kerja mahluk hidup pada tingkat molekuler
Perkembangan bioinformatika Tahun 1960-an molecular evolution J Theoretical Biology 1965 Molecules as documents of evolutionary biology Zukerkandl E, Pauling L Atlas of Protein Sequences (1965) Margareth Dayhoff Tahun 1970-an computational biology Needleman-Wunsch global alignment Tahun 1990-an bioinformatics NCBI (NLM/NIH) (1988) Human Genome Project (1990) Teknologi instrumentasi: microarray, MS, Next Generation Sequencing, dll (sekarang)
Bioinformatika & Informatika Medik Bioinformatika penerapan ilmu komputasi & informatika untuk memahami mekanisme/cara kerja mahluk hidup pada tingkat molekuler Contoh: mencari gen yang berperan dalam suatu penyakit/virulence/toxicity memprediksi fungsi dan mekanisme suatu gen/protein mencari protein penyebab patogenesis mencari dan mendesain obat Medical Informatics penerapan teknologi informatika dalam bidang kedokteran Contoh: penggunaan IT dalam manajemen data pasien / klinis / penyakit / surveillance diagnosis penyakit (database penyakit, sistem pakar) medical imaging (NMR/MRI, dsb
Central Dogma of Molecular Biology DNA (blueprint) RNA (coding sequences) Protein (fungsional machinery)
Central Dogma of Molecular Biology (extended) transkripsi DNA hnrna / RNA (heterogenous nuclear RNA) splicing Sekuen: ATGCGCT Alel/SNP: 0452:A 4553:S 7878:W STR: M1: 32, 45 M2: 231, 345 Ekspresi gen Gen1: 0.654 Gen2: 0.543 Gen3: 1.756 mrna (coding sequence) translasi non-coding RNA (regulatory, fungsional machinery) Sekuen: ATGCGCTAG Lokasi splicing: Ekson 1-2: 123 Ekson 2-3: 789 Protein (precursor) Sekuen: Struktur: MLVHYWALS HHHHCCEEE Post-translational modification & folding Protein (mature) Koordinat 3D atom penyusunprotein
Non-coding RNA sekuen lengkap (contoh: ribosomal RNA) / 5'-UTR / 3'-UTR komplek RNA/RNA atau RNA/protein fungsi: kofaktor stabilisator RNA (struktur 3D ssrna) regulator translasi/ekspresi dan replikasi virulence
Phenotype/morphology (1) Phenotype / Morphology Lokasi Protein Gen / Protein building block Ekspresi Protein regulasi / aransemen Variasi sekuen DNA Imprinting/Epigenetic
Phenotype/morphology (2) Variasi sekuen DNA dan Epigenetics antara lain dapat mengakibatkan: Perbedaan phenotype / morphology Manusia: tinggi / rendah, etc Mouse: warna Tanaman: berbuah banyak / manis Pathogen: virulence, antigenisitas/immunogenisitas Penyakit bawaan / genetik Perbedaan respon terhadap patogen (host-pathogen interaction) Perbedaan respon terhadap zat kimia Perbedaan susceptibility terhadap penyakit kompleks / degeneratif / fisiologis: Kanker Jantung Proses penuaan
Aktifitas bioinformatika Pengumpulan informasi Literatur Anotasi gen: sekuen, variasi DNA, lokasi, ekspresi, modifikasi, struktur, dll Data lain: data klinis, dll Akusisi data Sekuensing DNA Ekspresi gen, quantifikasi DNA (realtime RT-PCR) Afinitas binding (ELISA, dll) Analisa Mendapatkan informasi/pengetahuan (hipotesis) baru Mendapatkan prediksi/trend dari data Interpretasi secara biologi
Akusisi data Sekuen DNA (sequencing/microarray/snp assay) Sekuen RNA (EST, cdna sequencing) + Regulasi gen (microarray, realtime/quantitative RT-PCR) Sekuen protein (AA sequencing, MS) Struktur protein (kristalografi, NMR) + Interaksi antar/inter molekul Fungsi protein (assay/binding, transgenik)
Interpretasi statistik & biologi Signifikan secara statistik belum tentu signifikan secara biologi, sebaliknya signifikan secara biologi belum tentu signifikan secara statistik Contoh: IARIELGSRIRELEGASASS (normal) ILRIELGSRIREMEGVSVSS (normal) 4/20 IARIELGPRIRELEGASASS (abnormal) 1/20 11122999992222111199 (bobot) ILRIELGSRIREMEGVSVSS (normal) 5 IARIELGPRIRELEGASASS (abnormal) 9
Analisa bioinformatika Beberapa contoh analisa bioinformatika: Analisa sekuen: Mapping situs restriksi Prediksi daerah exon-intron Desain primer PCR & probe Prediksi fungsi Identifikasi gen Analisa struktur Struktur sekunder (alpha-helix, beta-sheet) Struktur tertier (3-Dimensi) Analisa interaksi Interaksi antar gen Interaksi antar protein/makromolekul
Domain bioinformatika Studi Bioinformatika Genom & Proteom sequence alignment pencarian sekuen DNA sequencing identifikasi gen/protein pencarian domain/motif gene finding anotasi analisa linkage analisa forensik analisa evolusi/phylogenetics studi populas dsbi Struktur Molekul prediksi: struktur sekunder struktur tertier (3D) topologi protein antigenic determinant protein docking molecular dynamics dsb Regulasi dan Network Gen korelasi pola ekspresi mapping data ekspresi ke data sekuen, struktur dan biokimia Pencarian gene yg berkaitan dgn penyakit dsb Lainnya Mining literatur Simulasi metabolic pathway Manajemen data user interface dsb
Penggunaan Bioinformatika Sebelum eksperimen Hipotesis Fisibilitas Metodologi penelitian Saat eksperimen Troubleshooting Verifikasi/identifikasi hasil Sesudah eksperimen Analisa data Interpretasi hasil
Forward Genetics phenotype genotype ( sample-based) Mencari gen atau faktor penyebab/pemicu munculnya suatu phenotype, misalnya mencari gen atau mutasi penyebab suatu penyakit phenotype of interest koleksi sampel Mapping / sequencing DNA Semi-quantitative (real-time) RT PCR / Microarray Protein assay Analisa data sequence: multiple alignment ekspresi: statistik assay: modeling/ode Gen / faktor bersangkutan
Forward Genetics phenotype genotype ( sample-based) Mencari gen atau faktor penyebab/pemicu munculnya suatu phenotype, misalnya mencari gen atau mutasi penyebab suatu penyakit phenotype of interest koleksi sampel Mapping / sequencing DNA Semi-quantitative (real-time) RT PCR / Microarray Protein assay Analisa data sequence: multiple alignment ekspresi: statistik assay: modeling/ode Gen / faktor bersangkutan
Reverse Genetics genotype phenotype (sequence-based) Melihat atau mengkonfirmasi hasil/efek/implikasi pada phenotype dari suatu gen/faktor, misalnya mencari efek/implikasi dari suatu mutasi pada sebuah gen sequence of interest Analisa sekuen (prediksi fungsi / pemilihan daerah / simulasi molekuler) Knock-off/on gene Protein expression & assay / binding Analisa phenotype Analisa hasil
Kombinasi Forward Reverse Genetics Reverse Genetics (outcome: phenotype) hipotesis validasi Forward Genetics (outcome: genotype)