Biyoenformatik Nedir?

Biyoenformatik, biyolojik verilerin bilgisayar bilimleri, matematik ve istatistik yardımıyla analiz edilmesini sağlayan multidisipliner bir alandır.

Özellikle DNA, RNA ve protein dizileri üzerinde analizler yapılır.

Neden Önemlidir?

• Genetik hastalıkların teşhisi
• Kişiye özel tedavi planlaması
• Yeni ilaç keşfi
• Büyük biyolojik veri setlerinin anlamlandırılması

Temel Araçlar

• BLAST: Dizi benzerliği analizi
  
• NCBI ve ENSEMBL: Veritabanları
  
• Clustal Omega: Çoklu dizi hizalama
  
• Biopython, R, MATLAB: Programlama ve analiz

Tarihçesi

• 1953: DNA’nın çift sarmal yapısının keşfi (Watson & Crick)
• James Watson ve Francis Crick, DNA’nın çift sarmal (double helix) yapısını keşfetmiştir.
• Bu yapı, genetik bilginin nasıl depolandığını ve aktarıldığını açıklamıştır.
• Adenin (A) eşleşir Timin (T) ile, Guanin (G) eşleşir Sitozin (C) ile.
• Bu keşif, moleküler biyoloji ve biyoenformatik alanlarına yön vermiştir.
• Yapının çözülmesinde Rosalind Franklin’in X-ışını kristalografisi çalışmaları belirleyici olmuştur.

Yapının Önemi

• Genetik bilginin depolanması, kopyalanması ve okunması bu yapıyla mümkündür.
• Modern genetik analizlerin temelini oluşturur.
• Biyoenformatik alanının doğmasına yol açan en önemli biyolojik keşiflerden biridir.

DNA’nın Çift Sarmal Yapısı

DNA Double helix

• 1990-2003: İnsan Genom Projesi

İnsan Genom Projesi Teknik Şeması

Projenin Sonuçları ve Etkileri

• İnsan referans genomu bilim dünyasına büyük katkı sağladı: genetik hastalıkların haritalanması kolaylaştı.
  
• Biyoenformatik araç ve algoritmaların geliştirilmesi için ihtiyaç doğdu.
  
• Etik, hukuk ve toplum (“ELSI” – Ethical, Legal, and Social Implications) boyutları ön plana çıktı.
  
• Sonrasında birçok genom projesi (kanser genomları, bitki/gen hayvan genomları vs.) bu temeller üzerine kuruldu.

Yeni Nesil dizileme

Yeni nesil dizileme şu basamaklarda açıklanabilir

NGS2

Dizilenecek olan DNA ilk önce parçalara ayrılarak bir veri oluşturulur. Daha sonra bu parçaların uçlarına adaptör dizileri ve barkod dizileri eklenir. Adaptör dizileriyle katı yüzeye tutturulmuş olan tek zincir halindeki DNA parçalarına işaretli bazlar eklenerek diğer zincirin sentezi gerçekleştirilir. Her yeni bazın eklenmesi ile ortaya çıkan ışık, pH veya iyon dengesinin değişimi nedeniyle kimyasal ve foto-sensörler hangi bazın eklendiği belirlenmekte ve kaydedilmektedir. Reaksiyon bittiğinde bilgisayarda kompleks biyoinformatik analizler yapılır. Bu sırada aynı bölgeyi kapsayan 10-20 adet dizileme reaksiyonu sonucu üst üste getirilmekte ve herhangi bir nükleotid değişikliğinin olup olmadığı referans dizisiyle birebir kontrol edilip ortaya çıkarılmaktadır. Böylelikle aynı anda hem mutasyon analizi hem de kromozomların sayısındaki artma veya azalma tespit edilebilmektedir.

NGS teknolojileri ile bir çalışmada tüm genom, transkriptom veya daha küçük hedef bölgelerdeki milyonlarca DNA parçası dizilenebilmektedir.

• Fiziksel ve genetik haritalama,
• Bilgisayar destekli dizileme ve birleştirme (assembly) algoritmaları.

ayrıntılı link

https://www.thermofisher.com/tr/en/home/life-science/sequencing/sequencing-learning-center/next-generation-sequencing-information/ngs-basics/what-is-next-generation-sequencing.html

Uygulama Alanları

• NGS teknolojileri, yapay zekâ destekli analizler

• Genomik ve transkriptomik analiz

• Protein yapı ve fonksiyon tahmini

• Evrimsel biyoloji (filogenetik)

• Klinik tanı sistemleri

• Tarımsal genetik mühendisliği

• Başlangıç: Resmî olarak 1990 yılında başlatıldı.
  

• Amaçlar:

  • İnsan genomundaki ≈ 3 milyar baz çiftini dizilemek,
  • Genlerdeki fonksiyonları belirlemek,
  • Genetik hastalıklarla ilişkili bölgeleri saptamak,
  • Biyomedikal araştırmalara açık, paylaşılabilir veri kaynakları oluşturmak.
    

• Önemli Dönemler:

  • 2000’de taslak (draft) genom açıklaması (~90% kapsama),
  • 2003’te proje tamamlandı; büyük oranda referans genom elde edildi.
    

• Teknoloji ve Yöntemler:

Hiyerarşik klonlama

Hiyerarşik Klonlama

Klon koyun Dolly, 1996 yılında İskoçya’daki Roslin Enstitüsü’nde somatik hücre nükleer transferi (SCNT – Somatic Cell Nuclear Transfer) yöntemiyle oluşturuldu. Bu yöntemle ilk kez bir yetişkin memelinin vücut hücresinden canlı bir kopya üretildi. Aşamaları şöyleydi:

Donör hücre seçimi: Yetişkin bir koyunun (Dorset ırkı) meme bezinden alınan somatik hücre kullanıldı. Bu hücrenin çekirdeğinde, tüm genetik bilgi bulunuyordu.

Yumurta hücresinin hazırlanması: Başka bir koyunun yumurtalıklarından alınan olgunlaşmamış bir yumurta hücresi kullanıldı. Bu yumurta hücresinin çekirdeği (DNA’sı) çıkarılarak boş bir “taşıyıcı” hücre elde edildi.

Nükleer transfer: Yetişkin koyundan alınan somatik hücrenin çekirdeği, çekirdeği çıkarılmış yumurta hücresine aktarıldı. Böylece yumurta hücresi artık donör koyunun genetik materyalini taşıyordu.

Uyarma ve gelişim: Elektrik şoku verilerek hücre bölünmesi başlatıldı. Bu yeni hücre embriyo gibi bölünerek gelişmeye başladı.

Taşıyıcı anneye yerleştirme: Gelişen embriyo, başka bir koyunun rahmine nakledildi. Bu koyun, Dolly’nin taşıyıcı annesi oldu.

Doğum: Gebelik normal şekilde devam etti ve 1996 yılında Dolly doğdu. Genetik olarak tamamen donör koyuna (meme bezinden hücresi alınan koyuna) benziyordu.

👉 Yani Dolly, yetişkin bir hücreden klonlanan ilk memeli oldu. Bu deney, biyoteknoloji ve genetik alanında çığır açtı, fakat beraberinde etik tartışmaları da getirdi.

BAC klonları (Bacterial Artificial Chromosomes)

• Çok sayıda klon (BAC) kütüphanesinden alınan fragmanların örtüşmesi (overlap)
  

• Fiziksel harita + genetik etiketler kullanarak klonların kromozomlara yerleştirilmesi

  

  BAC

  -Bakteriyel yapay kromozomlar (BAC’ler), Escherichia coli bakterisinde kararlı bir şekilde taşınabilen büyük genetik klonlardır. Genellikle bir geni ve onunla ilişkili düzenleyici elemanları tamamen içerecek kadar büyük olduklarından, BAC’ler genlere özgü promotör dizilerinin kaynağı olarak kullanılabilir.

-BAC’lerin büyük boyutları, bu DNA’ların modifiye edilebilmesi için rekombinasyon temelli yöntemlerin geliştirilmesini gerektirmiştir. Raporlayıcı genleri (reporter genes) ifade edecek şekilde tasarlanmış BAC’leri içeren transgenik fareler, belirli hücre gruplarını işaretleyebildiğini göstermiştir.

-Bu nedenle BAC’ler, sinir sistemindeki belirli hücre tiplerinde gen ifadesini yönlendirme yeteneğimizi büyük ölçüde kolaylaştıracak bir araç olarak işlev görmektedir.

• İnsan Genom Projesi kapsamında kullanılan “BAC klonları + overlap contig yapısı” gibi veri birleştirme yöntemlerinden birini gösterir.

Ek bilgi

İnsan Genom Projesi maliyeti: Başlangıçta ~3 milyar USD, günümüzde ~1000 USD’ye kadar düştü.

Zaman farkı: 13 yılda tamamlanan proje, şimdi birkaç günde yapılabiliyor.

Etik boyut: İnsan genom verilerinin gizliliği, sigorta/işveren kullanımı, toplumsal etkiler.

Teknoloji gelişimi: Sanger dizilemeden NGS’ye geçiş, veri miktarında patlama.

Haftaya

Gelecek Hafta Bilgi yarışması yapacağız