Краткий экскурс в историю становления биоинформатики презентация

Краткий экскурс в историю становления биоинформатики
Для биолога
Для биоинформатика
Ряд Нобелевских премий 1950-1970

Альфа-субъединица АТФ-синтетазы
Лайнус Полинг
Нобелевская премия по химии 1954
Вторичная структура – альфа-спираль и бета-лист
Белки - текст, написанный на алфавите
Из 20 букв

Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962
Вторичная структура ДНК - спираль
Лайнус Полинг - Нобелевская премия мира 1962 г.
Геном - текст, написанный на алфавите
из 4 букв

1968 - Нобелевская премия
по физиологии и медицине
Ниренберг, Хорана,
Холли
Соответствие между
4-буквенным и 20-буквенным алфавитами

Рождение технологий

1977 год
Нобелевская премия по химии 1980 г.
Метод секвенирования Сэнгера
The Wellcome Trust Sanger Institute, 1992
1992 г
Начал с получения полной аминокислотной последовательности инсулина в 1951-52

Первый отсеквенированный геном
1995 г.
бактерия Haemophilus influenzae –гемофильная палочка или палочка Пфейфера
5 Mb

Human Genome Project
Started in 1990
Finished 2001/2003
Sanger Sequencing
3 Gb

Next Generation Sequencing,
or NextGenSeq,
or NGS

NextGen Sequencing Revolution
Human genome –
Volumes, double-sided,
4pt, ~ 43,000 chars per page
To print is more expensive than to sequence

Next Generation Sequencing
DNA-seq
RNA-seq
Chip-Seq
MNase-Seq
Hi-C
Massive parallel sequencing
1 million to 43 billion short reads per instrument run

Data Accumulation

ENCODE: Encyclopedia of DNA Elements
And many more

Relationship of figure panels highlights data set dimensions

Machine-Learning
for cracking the codes

Nature 2006

Nature 2010

Epigenetic code
Nature 2010

2005-2015
много статей по распознаванию функциональных элементов генома
методами “классического” машинного обучения

Deep Learning

Convolution Neural Network

DNA as picture?
Nature Methods volume 12, pages 931–934 (2015)
Nature 2015

nature biotechnology 2015
DeepBind

Bioinformatics, 2016
Not just
one hot encoding

Bioinformatics, 2018,
Plus
structure
information

Filter information
extraction

Bioinformatics,
2018
The Inception architecture
of GoogLeNet

2019 - 2024
Take the best solution from AI several years later it was introduced in non-biological area
image recognition
language recognition
language translation (RNN)
Apply it to the DNA

DNA Computing

Basic Idea:
Perform molecular biology experiment to find solution to math problem.

HAMILTONIAN PATH PROBLEM
Given a network of nodes and directed connections between them, is there a path through the network that begins with the start node and concludes with the end node visiting each node only once (“Hamiltonian path")?
“Does a Hamiltonian path exist, or not?”

Detroit
Boston
Chicago
Atlanta
Start city
End city
Hamiltonian path does exist!

Detroit
Boston
Chicago
Atlanta
End city
Start city
Hamiltonian path does not exist!

DNA Polymerase
- Protein that produces complementary DNA strand
- A -> T, T -> A, C -> G, G -> C
- Enables DNA to reproduce

Polymerase in Action
The “bio” nano-machine:
hops onto DNA strand
slides along
reads each base
writes its complement onto new strand

DNA encoding of city-network

Detroit
Boston
Chicago
Atlanta
Start city
End city
Atlanta-Boston
Boston-Chicago
Chicago*
Chicago-Detroit
Detroit*
Atlanta*
Boston*

Detroit
Boston
Chicago
Atlanta
Start city
End city
Boston-Atlanta
Atlanta-Detroit
Detroit*
Boston*
Atlanta*

Ingredients and tools needed:
- DNA strands that encode city names and connections between them
- Ligase, water, salt, other ingredients
- Polymerase chain reaction (PCR) set
- Gel electrophoresis tool (that filters out non-solution strands)
DNA Experiment Set-up

Deepthi Bollu
How Dense is the Information Storage?
Nucleotides are spaced at 0.35 nm along DNA
data density is over a 1 mln Gbits/inch
7 Gbits/inch in typical high performance HDD.

Deepthi Bollu
How enormous is the parallelism?
A test tube of DNA can contain trillions of strands. Each operation on a test tube of DNA is carried out on all strands in the tube in parallel !

Deepthi Bollu
How extraordinary is the energy efficiency?
Adleman figured his computer was running
2 x 1019 operations per joule.

Сomputer that ‘grows as it computes’
2017

“Here, we demonstrate the first physical design of an NUTM”
Nondeterministic universal Turing machine (NUTM)

Nondeterministic universal Turing machine (NUTM)
Electronic computers need to choose which path to follow first.
DNA computer doesn’t need to choose, it follows both paths at the same time.
Quantum computers can also follow both paths, but only if the maze has certain symmetries, which greatly limits their use.

A universal Thue system.
Аксель Туэ (Axel Thue)
1863-1922
Turing machines can be viewed as rewrite systems
The application of a Thue rule to a string therefore produces a new string — equivalent to change of state in a UTM.

DNA computing.

Implementation of a DNA NUTM
14 paralleling executing processors (one each for both direction of the seven Thue rules) and a mixing vessel.

“As DNA molecules are very small a desktop computer could potentially utilize more processors than all the electronic computers in the world combined - and therefore outperform the world’s current fastest supercomputer, while consuming a tiny fraction of its energy.”

Human disease-gene networks

Рэй Курцвейл

2020 – Персональные компьютеры достигнут вычислительной мощности, сравнимой с человеческим мозгом.
…
2028 – Солнечная энергия станет настолько дешевой и распространенной, что будет удовлетворять всей суммарной энергетической потребности человечества.
…
2033 – Самоуправляемые автомобили заполнят дороги.

2036 – Используя подход к биологии, как к программированию, человечеству впервые удастся запрограммировать клетки для лечения болезней, а использование 3D-принтеров позволит выращивать новые ткани и органы.
2037 – Гигантский прорыв в понимании тайны человеческого мозга. Некоторые из алгоритмов будут расшифрованы и включены в нейронные сети компьютеров.

Нобелевская премия по физиологии и медицине
203X год - за открытие алгоритмов работы генома
203X год – за программирование клеток