Bioinformatik på Syddansk Universitet

Publiceret Juli 2002

Kendskab til computerbaserede analyseværktøjer til udforskning af store mængder biologisk data vil være et krav til fremtidens biologiske, biomedicinske og bioteknologiske forskere. Samtidig er der i forskningsverdenen et øget behov for udvikling af nye og mere effektive algoritmer til analyse af de eksponentielt stigende mængder biologisk information, der kontinuert produceres i moderne biokemisk, molekylærbiologisk og biomedicinsk forskning. Syddansk Universitet imødekommer behovet for uddannelse af såvel brugere som udviklere af bioinformatik ved fra 1. september 2002 at tilbyde en 3-årig bacheloruddannelse og en 2-årig kandidatuddannelse i bioinformatik.

Introduktion

Forskning i biokemiske og cellebiologiske processer har i de senere år skiftet karakter fra primært at fokusere på studier af enkelte eller få biomolekyler til også at omfatte systematiske studier af mindre eller større delmængder af cellers bioaktive enheder, inklusive proteiner (proteomet), gener (genomet) og metabolitter (metabolomet).

Vekselvirkninger og dynamikken imellem disse molekyler i vore celler udmøntes i det vi kalder "liv", som i denne sammenhæng defineres som evnen til at udvikle og reproducere sig. Udforskning af de molekylære mekanismer i celler kræver derfor koordinerede, parallelle eksperimentelle studier af proteiner, nukleinsyrer, lipider, kulhydrater osv. Sådanne analyser vil f.eks. kunne bruges til at øge forståelsen af basale cellulære processer, til at bestemme toksikologiske effekter af lægemiddelkandidater, til at udforske forløbet af genetisk betingede, multifaktorielle sygdomme eller til at identificere de biomolekyler der er centrale i transformationen af en normal celle til en kræftcelle.

2002_3 sdu_1b.gif
Figur 1: Bioinformatikkens centrale rolle i moderne biologi og biomedicin er at udtrække relevant information og erkendelse fra de store data-mængder, der genereres i systematiske studier af biologiske systemer, f.eks. ved proteomanalyse af kræftceller eller DNA-chip baseret genekspressionsanalyse i bananfluer. Den derved opnåede viden anvendes til udvikling af nye hypoteser der kan testes eksperimentelt i laboratoriet (in situ) og/eller ved yderligere dataanalyse på computer (in silico).

Studier af cellens komplekse processer ved hjælp af avancerede analytiske metoder, f.eks. måling af genekspression på mRNA niveau vha. cDNA-microarrays eller måling af proteinniveauer vha. massespektrometri baserede teknikker, producerer meget store mængder data, der indeholder kvalitativ såvel som kvantitativ information om de biomolekyler, der produceres i en celle under givne forhold. Den store udfordring består i at håndtere, sammenligne og integrere de store mængder af data fra disse forskellige typer af eksperimenter. Bioinformatik spiller en helt central rolle i analysen og tolkningen af disse eksperimentelle data og for skabelsen af nye ideer og hypoteser (Figur 1).

Eksperimentel bioinformatik på SDU

Syddansk Universitet har igennem flere år satset på udvikling og udbygning af de forskningsområder inden for cellebiologi, biomedicin og bioteknologi som direkte tager sigte på udforskning af komplekse processer i modelorganismer, i cellekulturer og i molekylære studier af sygdomme v.h.a. patientmateriale.  Det tætte samspil imellem det naturvidenskabelige og tekniske fakultet og det sundhedsvidenskabelige fakultet på SDU danner et godt grundlag for de mange tværfaglige projekter der udføres inden for de ovennævnte forskningsområder. Disse inkluderer bl.a. studier af nukleinsyrer på både DNA og RNA niveau, genekspressions-analyser med DNA-chips, proteom-analyser baseret på 2D-gel separation og avanceret massespektrometri, samt biofysiske studier af proteiners og biologiske membraners egenskaber og metabolitters struktur og omdannelseshastighed. Disse typer forskningsprojekter foregår på en række af SDUs institutter og forskningscentre som er repræsenteret på internettet (se nedenfor).

Computerbaserede teknikker og bioinformatik anvendes på alle niveauer i forskningsprojekter på SDU, f.eks. til forudsigelse af gener i et genom, identifikation af proteiner ud fra massespektrometriske data, forudsigelse af den tredimensionelle struktur af proteiner og protein-DNA komplekser, statistiske analyser af eksperimentelle data fra patientmateriale, til studier af arvelige sygdomme, over til modellering af dynamikken i cellemembraner. SDU er vært for Center for Eksperimentel Bioinformatik som er finansieret af Danmark Grundforskningsfond og som ved stiftelsen i 1997 var et af de første forskningscentre i verden som søgte at integrere eksperimentelle og bioinformatiske metoder til proteomanalyse. Derudover er SDU vært for Center for Membran-biofysik og Center for Nukleinsyre Analyser, der begge er finansieret af Danmarks Grundforskningsfond.

Uddannelser i Bioinformatik på SDU

SDU har ekspertiser inden for alle niveauer af bioinformatik og scientific computing inden for både cellebiologi, kemi, biofysik og biomedicin, såvel på de teoretiske som på de anvendelsesmæssige områder.  Det har derfor været naturligt at tilbyde en uddannelse i bioinformatik på SDU som indeholder en høj grad af tværfaglighed og giver muligheder for at anvende computerbaserede metoder og bioinformatik i konkrete projekter undervejs i studiet, såvel i de enkelte kurser som i bachelorprojektet samt i det 1-årige forskningsbaserede specialeprojekt.

Selve studieforløbet er skitseret i Figur 2. Uddannelsen i bioinformatik er opbygget med en 3-årig bacheloruddannelse og en 2-årig kandidatuddannelse. Bacheloruddannelsen indledes med det fælles naturvidenskabelige studieår, der er en ideal indgang til en uddannelse i bioinformatik. Herefter er bioinformatik uddannelsen sammensat af kurser inden for biokemi og molekylærbiologi, kurser inden for datalogi, anvendt matematik og statistik samt kurser i bioinformatik. Nøgleordet for bioinformatik uddannelsen er således tværfaglighed mellem fagområder, der traditionelt opfattes som værende meget lidt beslægtede. Denne struktur sikrer på afgørende vis, at kandidaterne udover at opnå kompetencer inden for bioinformatik også opnår kompetencer inden for bioinformatikkens baggrundsfag: Biokemi og molekylær biologi, der genererer de data, der analyseres vha. datalogiske, matematiske og statistiske metoder, samt datalogi, matematik og statistik, der danner grundlaget for en kritisk anvendelse af eksisterende bioinformatikværktøjer samt udvikling af nye bioinformatiske analysemetoder.

2002_3 sdu_2.gif
Figur 2: Opbygningen af bachelor og kandidat uddannelserne i bioinformatik på SDU. Se hovedteksten samt www.studieguide.sdu.dk for nærmere detaljer.

To forhold har været afgørende for valget af denne opbygning af uddannelsen. For det første identificeres nye bioinformatiske problemstillinger samt behovet for nye bioinformatikværktøjer ofte i de biokemiske og molekylærbiologiske laboratorier og herefter foregår den videre problemløsning vha. datalogiske, matematiske og statistiske metoder. Den to-strengede opbygning af uddannelsen sikrer, at kandidaterne har de kompetencer, der udgør grundlaget for identifikation af nye bioinformatiske problemstillinger samt udvikling af nye bioinformatiske analysemetoder. For det andet sikrer denne opbygning, at kandidaterne har kendskab til terminologi og koncepter inden for både biologiske og IT-relaterede fag, således at de vil kunne bidrage til at lukke kommunikationskløften mellem de "rene" biokemikere og molekylær biologer på den ene side og de ?rene? dataloger, matematikere og statistikere på den anden side.

Bacheloruddannelsen indeholder udover de nævnte kurser et introduktionskursus i bioinformatik, hvor hovedvægten lægges på eksisterende metoder der anvendes til computerbaseret analyse af biologisk data. Kandidatuddannelsen indeholder et overbygningskursus i Eksperimentel Bioinformatik som indeholder tre moduler: (i) Biologisk sekvensanalyse; (ii) Modelering/simulering af biologiske systemer og (iii) Proteomics og genomics: Analyse af store datasæt.  Disse tre moduler integrerer de teoretiske koncepter og praktiske anvendelser af bioinformatikken både fra biologiske og datalogiske synspunkter for at give de studerende den kritiske forståelse af algoritmers fordele og ulemper når de anvendes på eksperimentelle data. Bioinformatikuddannelsen på SDU er endvidere opbygget så der er plads til valgfrie kurser på 3. og 4. år. Her kan den studerende vælge yderligere cellebiologiske fag, hvis man er eksperimentelt orienteret eller man kan vælge datalogiske fag hvis man er mere motiveret for de algoritmiske og teoretiske aspekter af bioinformatik. Den valgfri pulje kan også indeholde fag indenfor kemi, fysik, biomedicin eller andre fagområder. Endvidere kan de studerende vælge at deltage i bioinformatik-orienterede kurser på andre danske forsknings- og uddannelsesinstitutioner, f.eks. på DTU eller Århus Universitet.  Den komplette beskrivelse af bioinformatik uddannelsen på SDU og de kurser der indgår i den er tilgængelig på internettet (se nedenfor).

Bioinformatikerens rolle i fremtiden

Med den nyeste eksperimentelle teknologi til molecular profiling af proteiner, nukleinsyrer, lipider, kulhydrater og forskellige metabolitter, samt en række lovende analytiske metoder der stadig er under udvikling, bliver det inden for den nærmeste fremtid muligt at udføre kvalitative såvel som kvantitative tids-studier af cellernes molekylære indhold. Derved kan man følge de dynamiske processer i cellen, f.eks. celledeling og celledifferentiering som bl.a. reguleres ved aktivering/inaktivering af proteiner ved reversibel post-translationel modifikation og dannelse/nedbrydning af mRNA og lipider.

Flaskehalsen i sådanne eksperimenter vil bl.a. være filtrering af relevant information fra irrelevant ?støj?, korrelation og sammenligning af store datamængder, samt udvikling af modeller for komplekse biologiske systemer.  Der er ingen tvivl om at bioinformatik og dygtige bioinformatikere får en hel central rolle i fremtidens biomedicinske og cellebiologiske forskning ? udvikling og anvendelse af nye og effektive algoritmer vil gøre det muligt at finde ?nålene i høstakken? hurtigere og mere effektivt end i dag til gavn for såvel grundforskningen som den industrielle forskning.

Mere information om SDU bioinformatik og scientific computing:

SDU: www.sdu.dk

SDU studieguide: www.studieguide.sdu.dk

Inst. Biokemi & Molekylær Biologi: www.bmb.sdu.dk

Center for Eksperimentel Bioinformatik: www.sdu.dk/Nat/bmb/CEBI/

Proteinkemigruppen: www.protein.sdu.dk

Nukleinsyrecentret: www.nac.sdu.dk

Center for Membran-biofysik: www.memphys.sdu.dk

Center for Proteomanalyse: www.proteome-analysis.dk

Danish Center for Scientific Computing: www.dcsc.sdu.dk

Klinisk Biokemi & Klinisk Genetik: www.sdu.dk/health/research/units/clinbioc.htm