Биоинформатика что это за профессия

Обновлено: 02.05.2024

Будущая профессия

Направление профессиональной подготовки "060501 Биоинженерия и биоинформатика (Специалитет)" является одним из современных, перспективных направлений науки, возникших на стыке генной инженерии, биологии, биофизики и новейших компьютерных технологий. В задачи будущих профессионалов входит работа с живыми системами на основании применения в практической деятельности передовых технологий с целью решения медицинских проблем. Биоинженеры принимают активное участие в процессах разработки новейших приборов, оборудования, процедур на основе междисциплинарных знаний.

Интересы будущего специалиста весьма обширны – от разработки генетически модифицированных организмов до создания искусственных органов для замены утраченных. Среди важнейших достижений биоинженерии следует упомянуть разработку магниторезонансной томографии, ангиопластики, искусственных суставов, кардиостимуляторов, артроскопии, почечного диализа, аппаратов искусственного кровообращения, биоинженерных протезов кожи. В задачи биоинженерии входит синтез биокатализаторов, разработка новых видов лекарств, конструирование микроорганизмов для утилизации отходов и т. д.

Таким образом, в задачи будущего специалиста входит широкий спектр научных интересов в сфере медицины, биотехнологий, направленных на решение наиболее актуальных проблем современности.

Биоинженерия и биоинформатика: вузы для поступления

На сегодняшний день получить образование по данному направлению можно в следующих вузах страны:

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (Москва);
Тюменский государственный университет (ТюмГУ);
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобаче́вского (ННГУ);
Московский физико-технический институт (МФТИ);
Институт биоинформатики (СПбАУ РАН, Санкт-Петербург).

Сроки обучения

Срок обучения на очной форме, включая каникулярное время, составляет 5 лет.

Дисциплины, входящие в курс обучения

В задачи студентов данной специальности входит развитие личностных качеств будущего биоинженера, формирование ключевых общечеловеческих и профессиональных компетенций, навыков осуществления научно – производственной, научно – исследовательской, преподавательской деятельности. Основными дисциплинами курса выступают следующие:

ботаника;
биоинженерия;
биоинформатика;
биохимия;
биоэнергетика;
вирусология;
генетика и эволюция;
зоология;
иммунология;
клеточная биология;
методы биоинформатики;
микробиология;
молекулярная биология;
физиология человека, животных;
эмбриология;
энзимология и др.

Образовательная программа специальности предусматривает обязательную практику на кафедрах биоэкологи, биофизики, в лабораториях и исследовательских центрах, организациях, профильной деятельностью которых выступает решение проблем биоинженерии, биоинформации.

Приобретаемые навыки

В процессе обучения будущий профессионал получает фундаментальные знания относительно последних достижений биологических наук, формирует умения целенаправленно изменять биологические объекты в зависимости от поставленных задач.

В процессе обучения будущие биоинженеры приобретают следующие умения и навыки:

фундаментальные знания относительно различных биологических объектов, измененных организмов, биомакромолекул;
навыки мониторинга, обработки, интерпретации информационных данных в сфере расшифровки пространственных структур биомолекул, геномов, взаимодействия биологических объектов;
овладение методиками молекулярной диагностики;
применение современных подходов, используемых в сфере биоинформатики, биоинженерии, в процессе решения проблем фундаментальной, прикладной науки;
участия в конструировании новых модифицированных, биологических объектов и проч.

Перспективы трудоустройства по профессии

Как уже отмечалось, биоинженерия, биоинформатика представляют собой одно из наиболее актуальных, развивающихся направлений современной науки, в то же время, число вузов, осуществляющие подготовку специалистов данного направления невелико. Высококвалифицированные профессионалы – биоинженеры могут успешно трудоустроиться, как в научной сфере, так и в прикладных областях. При выборе научной деятельности выпускники смогут получить работу в отраслевых НИИ фармакологического, медицинского, биологического профиля, научно – исследовательских центрах, лабораториях. В таком случае зарплата составит от 15 тыс. (младший научный сотрудник, лаборант) до 40 тыс. (ведущий исследователь).

Незаменимы и востребованы специалисты данного направления в педагогической сфере.

Профессионалы, работающие в фармацевтической промышленности, на предприятиях, специализирующихся на производстве и выпуске продукции, основанной на базисе биологических, химических технологий, имеют зарплаты на порядок выше.

Продолжение обучения

Выпускники, получившие степень специалиста, но желающие продолжить собственное профессиональное самосовершенствование могут продолжить обучение в магистратуре. Кроме наличия возможности дальнейшего углубления знаний в выбранной отрасли, магистрант может попробовать себя в качестве педагога, принимает участие в научных конференциях международного уровня, занимается исследовательской деятельностью на базе учебного заведения. Диплом магистранта является общепризнанным в зарубежных странах, что представляется актуальным для тех, кто планирует осуществлять свою профессиональную деятельность в международных организациях либо зарубежных странах. Кроме того, диплом магистранта может стать первой ступенью в процессе достижения звания профессора для тех, кто предпочел посвятить себя науке, поскольку после окончания магистратуры выпускник может продолжить свое обучение в аспирантуре, докторантуре.

Биоинформатик – это ученый, который с помощью специальных алгоритмов анализирует данные о состоянии здоровья человека на клеточном уровне, что позволяет ему узнать о преобладающих тенденциях в организме: дегенерации или регенерации, довести эту информацию в удобном виде всем заинтересованным лицам. Такой специалист работает на стыке медицины, математики, биологии, физики, химии и программирования.

Цель исследований биоинформатика – геном человека, в котором находится более трех миллиардов пар нуклеотидов в определенной последовательности. В геноме зашифрована информация о наследственности человека, программа его продолжительности жизни. Биоинформатик может определить точку отсчета старения человека, чтобы врачи, спортивные тренеры, производители сельскохозяйственной продукции, пищевых продуктов смогли отсрочить эту дату. Таким же образом исследуют происхождение человека и жизни на нашей планете, изучая геномы животных и микроорганизмов, сопоставляя и анализируя их, моделируя историю эволюции и происхождение человека.

Сегодня в стране и мире проводится огромное количество научных исследований, дающих множество результатов, информацию о которых обработать вручную невозможно. На помощь приходит (био)информатика, использующая элементы статистики и прикладной математики. Она использует в работе:

языки программирования и базы данных;
программы по биоинформатике ACT, BLAST, Clustal;
секвенирование через системы SQL, CUDA.

С их помощью биоинформатик занимается исследованием генетических закономерностей, вычислительной биологией, оценкой эволюционного биоразнообразия, геномной аннотацией. Использование математики и вычислительной техники гарантирует не только высокую скорость обработки материалов, но и высокую достоверность результатов.

Работа специалиста связывает медицину, математику, биологию, химию, физику и программирование

Пара слов о требованиях. Биоинформатик должен знать молекулярную биологию, геномную последовательность, уметь работать с скриптами, текстовыми файлами, командной строкой. Он должен понимать, как из определенной последовательности букв формируются белки, как в них случаются отклонения.

В обязанности биоинформатика входит:

сбор и систематизация данных, создание понятных отчетов для врачей и обычных людей. Тогда данные анализов превращаются в диагнозы для пациентов.
разработка инноваций в лечении онкологии и аутоиммунных процессов;
улучшение экологической обстановки в стране и мире;
поиск генома долголетия;
планирование и разработка математических методов анализа медико-биологической информации.

Биоинформатик предполагает тесный контакт с математиками, программистами, статистиками, генетиками, иммунологами, биологами, биохимиками, фармакологами, физиологами, химиками, физиками, репродуктологами, врачами других специальностей.

Узкие специализации биоинформатика

биоинформатик-биохимик – изучает, систематизирует и описывает химические процессы в клетках, лежащие в основе их жизнедеятельности;
биоинформатик-биофизик – исследует взаимодействие клеток с внешней средой;
биоинформатик-медик – занимается вопросами наследственных заболеваний, иммунодефицита и активного долголетия;
биоинформатик в области сельского хозяйства – занимается селекцией, создает генно-модифицированные организмы, устойчивые к вредителям и различным заболеваниям;
биоинформатик-эколог – разрабатывает программы по улучшению окружающей среды;
биоинформатик-фармаколог – участвует в синтезе инновационных композитов и лекарственных средств;
биоинформатик-генетик – изучает геном человека и животных (секвенирование), ищет ответ на вопрос о возникновении жизни на планете, решает вопросы искусственной репродукции.

Как стать биоинформатиком

Стать биоинформатиком можно двумя путями: биолога обучить информатике, либо информатика познакомить с биологией. Суть – умение писать программы-инструменты для медицинских исследований. Для этого нужно:

2) Поскольку профессия биоинформатика тесно переплелась с математикой, биологией, химией, физикой, информатикой, то можно получить университетский диплом по одной из этих специальностей, а затем, пройти дополнительную подготовку по биоинформатике. Например, в Санкт-Петербурге есть Институт биоинформатики: биологи приходят туда доучиваться информатике, а информатики — биологии.

3) Связь профессии с медициной предполагает возможность получения высшего медицинского образования с дальнейшей специализаций по биоинформатики в установленном порядке.

Большим плюсом в профессии считается знание английского языка, поскольку все научные разработки ведутся совместно с учеными разных стран.

Зарплата биоинформатика

Открытые вакансии не дают представления о том, сколько зарабатывают ежемесячно биоинформатики: оклад коррелируется итогами собеседования. По неуточненным данным зарплата биоинформатика находится в диапазоне от 60 000 до 290 000 рублей ежемесячно.

Где пройти обучение

Помимо высшего образования на рынке есть ряд краткосрочного обучения длительностью, как правило, от недели до года.

Составление "продающего" резюме - больше приглашений на собеседования. Также приглашения будут более качественные и целевые, а не ерунда всякая.

Каждый год до 40 % американцев, обратившихся к врачам, получают неточный диагноз и неправильное лечение — таковы данные Фонда безопасности пациентов США. Исследование компании HealthGrades указывает на ещё более зловещую цифру: 155 смертей из тысячи случаются из-за неверной диагностики при поступлении в больницу. Такие же проблемы испытывают медики по всему миру. У генетиков есть для них хорошая новость — персонализированная медицина в последние годы развивается всё интенсивнее, и в недалёком будущем диагноз будут ставить, исходя не из выученных в университете симптомов, а из предрасположенности человека к той или иной болезни. Узнать о ней можно, проанализировав геном с помощью компьютерной программы.

Наука, которая с помощью специально написанного софта систематизирует и анализирует информацию о физико-химических свойствах молекул (в основном нуклеиновых кислот ДНК и РНК), называется биоинформатикой. Термин был введён в употребление в 1978 году голландским учёным Паулин Хогевег.

О ПРОФЕССИИ

ПРОФЕССИЯ

КОГДА ПОЯВИЛАСЬ

В начале 80-х годов, в нынешнем виде развивается с начала нулевых.

ОБЯЗАННОСТИ

Разработка программ для анализа биологических данных, анализ этих данных, создание маркеров на основе полученной информации.

КОМУ ПОДХОДИТ

Выпускникам биологических, физических и математических факультетов.

ЗАРАБОТОК

От 40 000 рублей.

КЛИЕНТЫ

Фармацевтические компании, фонды, научно-исследовательские институты.

В 1980 году появились первые открытые сторонним разработчикам базы данных, которые используются для анализа медицинских показаний. С тех пор появилось около 40 таких баз и платформ — среди них Bioconductor Исследовательского ракового центра Фреда Хатчинсона, GMOD, созданная коллективом учёных из разных стран, и другие. В 2000 году был учреждён специальный фонд для поддержки разработчиков программ с открытым доступом Open Bioinformatics Foundation. Он не занимается финансированием проектов, но организует ежегодные мероприятия для разработчиков и информирует о грантах.

Благодаря развитию технологий, за последние несколько лет стоимость оцифровки генетической информации значительно снизилась — с нескольких десятков тысяч долларов до $5 000. Появились проекты экспресс-анализа генома — например, российско-германский Genexplain, чьи специалисты могут прочесть геном за два дня и $1 000. Наиболее громкий стартап — сервис 23andme, созданный супругой основателя компании Google Сергея Брина Энн Войчицки. 23andme оценивает свои услуги в $299, но анализирует геном не полностью. Тем не менее пациент получает достаточно объективную картину состояния организма и узнаёт о его слабых местах, а также угрозах здоровью в будущем.

Биоинформатиками называют и разработчиков софта для анализа поведения клеток, и учёных, которые придумывают алгоритм этого анализа. Пока обе функции может выполнять один человек, но разделение на специализации уже началось. В США биоинформатику изучают во многих университетах, в том числе в университетах Айовы, Вашингтона, Стэнфорда и других. У каждого своя специализация — к примеру, в Университете Пенсильвании фокусируются на изучении системной биологии, а тем, кто интересуется анализом последовательности генов, лучше учиться в Penn State University.

БИОИНФОРМАТИКИ ИССЛЕДУЮТ ПРЕДРАСПОЛОЖЕННОСТЬ К ТОЙ ИЛИ ИНОЙ БОЛЕЗНИ

Исследования в области биоинформатики обычно финансируются фармкорпорациями и фондами по борьбе с различными заболеваниями. Британский фонд Bioscience for the Future за последний пять лет выделил более 10 млн фунтов на исследования в области биоинформатики.

Екатерина Котельникова

33 года

Ariadne Diagnostics

ЧЕМ ЗАНИМАЕТСЯ

Я непосредственно занимаюсь разработкой диагностических тестов с помощью биоинформатики. Данные, полученные компьютерным анализом, затем проверяются в лаборатории .

Ariadne Diagnostics LLC (дочерняя компания купленной Elsevier компании Ariadne Genomics Inc ) не производит программный продукт, мы пользуемся существующими технологиями. Разрабатываем приёмы и методы, чтобы искать маркеры, и потом подтверждаем результаты анализа в лабораториях. Для конкретной задачи мы можем написать какой-то скрипт, но это не целая программа.

ГДЕ УЧИТЬСЯ

В России я знаю только одно место, где готовят подобных специалистов, — это факультет биоинженерии и биоинформатики МГУ, открытый в 2002 году. Хотя в профессию часто приходят люди смежных специальностей: физики, математики, программисты. На Западе существует множество программ (postgraduate), где изучают биоинформатику.

РЫНОК ЕЩЁ ОЧЕНЬ УЗКИЙ, СПЕЦИАЛИСТОВ МАЛО, СУДИТЬ О СРЕДНЕЙ ЗАРПЛАТЕ СЛОЖНО

ЗАРАБОТОК

Только что выпустившийся студент может рассчитывать на зарплату около 40 000 рублей. Нужно понимать, что рынок ещё узкий, специалистов не очень много, поэтому судить о средней зарплате довольно сложно.

КТО КЛИЕНТЫ

Исследования обычно заказывают фармкомпании, которым нужно, с одной стороны, провести испытания новых препаратов, а с другой — снизить затраты, материальные и временные. Для этого нужно отобрать в фокус-группу только пациентов, предрасположенных к реакции на терапию. Мы помогаем отобрать таких пациентов — ищем соответствующие маркеры в генетическом коде.

Сейчас мы работаем по двум грантам. Один связан с диагностикой и лечением нейромышечных заболеваний. Это большой европейский грант, который делят между собой 10 институтов и две компании. Второй — американо-израильский проект — связан с лечением рака кишечника. Есть два типа грантов — чисто научный и бизнес-исследования. Мы выигрываем скорее вторые. Они связаны с конкретными лекарствами, препаратами, методиками лечения.

ПЕРСПЕКТИВЫ

Информатика – отрасль науки, изучающая структуру и общие свойства информации, а также вопросы, связанные с ее сбором, хранением, поиском, переработкой, преобразованием, распространением и использованием в различных сферах деятельности. Биоинформатикой же называют информатику в применении к молекулярной биологии.

Все знают, что прочитан геном человека. Что такое геном с точки зрения информатики? Это длинный текст, содержащий около 3 млрд букв (нуклеотидов A, T, G, C). И все. Одной из проблем биоинформатики является установление смысла этого текста.

Разумеется, кроме самой последовательности ДНК есть много дополнительной экспериментальной информации.

Далеко не все гены человека известны, о функциях многих генов нет данных. Задача биоинформатики заключается в том, чтобы найти ранее неизвестные гены и описать их предположительную функцию. Как ищутся гены? Это трудная задача. Здесь на помощь приходит математика. В гигантском массиве информации с помощью современных математических методов ищутся скрытые закономерности, которые и позволяют находить гены и предсказывать их свойства.

Говоря о геноме, обычно проводят аналогию с расшифровкой древних рукописей, когда текст известен, а язык — нет. Эта задача неразрешима до тех пор, пока у нас нет никаких представлений о содержании текста. Однако, если мы хотя бы примерно представляем, о чем этот текст, то появляется надежда на его осмысление. В биоинформатике ситуация лучше, чем при расшифровке древних письмен, поскольку ее предсказания могут быть проверены экспериментально.

Гены кодируют белки, поэтому предсказание функции гена — это то же самое, что предсказание функции белка. Для многих белков функции известны из эксперимента. Используя эти данные, метод аналогий и другие методы современной математики, иногда удается предсказать функции других белков.

Гены — это последовательности ДНК, белки — это аминокислотные последовательности. Функциональность белков определяется их пространственной формой. При этом белки, имеющие разные аминокислотные последовательности, могут иметь очень похожую пространственную структуру. Одной из классических (и до сих пор не решенных) задач биоинформатики является предсказание пространственной структуры белка по последовательности аминокислот. Уже более 5 лет существуют международные соревнования методов предсказания пространственной структуры белка по его последовательности.

Почему это интересно?

Анализ геномов приносит множество новой информации. В настоящее время расшифровано более 200 геномов различных бактерий, каждый из которых содержит несколько тысяч генов. Для того чтобы охарактеризовать один ген, требуется несколько месяцев напряженной работы экспериментаторов. С другой стороны, для того чтобы достаточно подробно описать один бактериальный геном средствами биоинформатики, достаточно примерно месяца работы небольшой группы исследователей.

В геноме человека около 35 тыс. генов (всего в 10 раз больше, чем у бактерии, и в 2 раза больше, чем у плодовой мушки), а количество синтезируемых белков гораздо больше. В чем же дело? Оказывается, что очень часто один ген кодирует несколько разных форм белка. За это отвечает явление, названное альтернативным сплайсингом. Биоинформатика впервые показала, что количество генов, имеющих альтернативный сплайсинг, очень велико. Осталось загадкой, как все это регулируется.

В клетке не все гены должны работать одновременно. Для того чтобы гены работали, как слаженный оркестр, необходимо, чтобы гены включались только тогда, когда их работа необходима. Этим заведует система регуляции генов, анализ которой позволил обнаружить принципиально новые способы регуляции – рибопереключатели.

Еще одно направление — исследование эволюции всего живого. Здесь тоже есть много открытий, например горизонтальный перенос генов между видами. Биоинформатика в некоторых случаях позволяет не только показать эти случаи, но также и датировать их.

Зачем это нужно?

Биология и биоинформатика являются не только способами познания мира, но имеют и прикладное значение, прежде всего в медицине и биотехнологии.

Биоинформатика играет существенную роль в поиске новых лекарственных препаратов и мишеней для них, а также в отбраковке неперспективных лекарств. Приведу пример.

Все вы слышали про мыло Safeguard, которое убивает микробы. Оказалось, что есть весьма опасные стрептококки, не чувствительные к его действующему началу — триклозану. Сначала это было показано с помощью компьютерного анализа геномов стрептококков, а потом подтверждено экспериментально.

Еще пример — анализ генетических данных людей здоровых и с каким-либо заболеванием, например ишемической болезнью сердца. Нет одного гена, ответственного за эту болезнь. Однако сопоставление данных по большому количеству больных позволило найти так называемые ассоциации — набор генов предрасположенности к указанной болезни, и тем самым дает возможность определить генетическую группу риска.

Биоинформатика широко используется в биотехнологии, задачу которой в общем виде можно сформулировать как получение как можно большего количества целевого продукта из 1 г, например, сахара. Для этого надо детально изучить пути биосинтеза, исследовать систему регуляции, найти в других организмах более эффективные ферменты. Здесь тоже всю подготовительную работу может взять на себя биоинформатика.

Важность этого направления науки можно показать и косвенно. Достаточно сказать, что в мире есть несколько крупных научных биоинформатических центров, есть коммерческие компании, предоставляющие биоинформатические услуги. Любая крупная или средняя фармацевтическая или биотехнологическая компания имеет отдел биоинформатики. Сейчас многие университеты готовят специалистов в этой области. В нашей стране возрождается фармацевтическая и биотехнологическая промышленность, которой в скором времени потребуются специалисты. Академическая наука также нуждается в грамотных биоинформатиках.

Что надо знать и уметь?

Грамотный биоинформатик должен иметь разностороннее образование. Он должен хорошо знать биологию. Кроме того, он должен владеть многими методами математики: статистикой, теорией вероятностей, вычислительной математикой, теорией алгоритмов. Надо знать физику и химию — чтобы не делать глупостей. Необходимо знать английский язык — чтобы читать научную литературу. Надо постоянно интересоваться новыми результатами как в биоинформатике, так и в биологии в целом.

В общем, надо быть культурным человеком и постоянно стремиться узнавать что-нибудь новое.

Читайте также: