David Šafránek, 4.3.2021 IV121 Vybrané aplikace informatiky v biologii Úvodní přednáška Outline • Přehled obsahu kurzu • Formální informace o kurzu • Východiska bioinformatiky a systémové biologie • Motivace k využití informatiky Cíl předmětu • Ukázat využití informatických metod a nástrojů v různých problémech řešených v biologii a biomedicínských oborech • Poskytnout elementární praktickou znalost (hands-on v každém ze tří témat níže) • 3 hlavní zaměření: • systémová biologie: modelování a analýza komplexních systémů • bioinformatika: modelování struktur (vektorové modelování v 3D) • zpracování dat: síťová reprezentace informace, dolování znalostí • Možnost individuálního plánu pro studenty mimo FI Osnova • Úvod do problematiky, formální požadavky (D. Šafránek) • Kvalitativní modely, jejich reprezentace a jejich analýza (D. Šafránek) • Kvantitativní modely, jejich reprezentace a analýza (D. Šafránek) • 3D geometrie, CSG (M. Lexa) • Reprezentace informace prostřednictvím sítí (V. Nováček) • Získání dat z literatury (V. Nováček) • Integrace dat (V. Nováček) • Aplikace metod umělé inteligence a strojového učení (V. Nováček) Předpoklady • Nejsou definovány formální prerekvizity • Předmět poskytuje elementární vhled do probíraných témat (nikoliv detailní znalost) • Určeno zejména k rozšíření (mezioborových) obzorů • Nasměrování do relevantních oborů (zaměření budoucího studia) Přednášející • doc. David Šafránek, safranek@fi.muni.cz • systémová biologie (zejména modelování a aplikace formálních metod, vývoj a aplikace algoritmů) • Dr. Matej Lexa, lexa@fi.muni.cz • bioinformatika (zejména analýza sekvencí a struktur, vývoj a aplikace algoritmů) • Dr. Vít Nováček, novacek@fi.muni.cz • zpracování informace, umělá inteligence (aplikace v bioinformatice, biomedicíně i SB) Klasifikace • Hodnocení (celkem 100 bodů) • cvičení — 3 úkoly, každý 30 bodů, celkem 90 bodů • diskuse řešení cvičení na konci semestru (10 bodů) • dodatečné body navíc za aktivitu během kurzu • známka E: >= 50 bodů • Deadlines • 15.6. odevzdání řešení cvičení • 16.6. — 7.7. diskuse řešení online Východiska bioinformatiky a systémové biologie Buněčná a molekulární biologie Expanze informace v biologii Expanze informace v biologii Bioinformatika a systémová biologie Revoluce v biologii I… • bioinformatika — “inteligentní mikroskop” • uchopení informace v biologii (sekvence, struktury) a o biologii (ontologie) • strojové zpracování dat a inference znalostí • modelování struktur Současné metody generují obrovské množství různě (ne)přesné informace o biologických objektech. Bioinformatika poskytuje efektivní techniky pro reprezentaci, zpracování a analýzu dat. Bioinformatika a systémová biologie Revoluce v biologii II… • systémová biologie • pochopení časoprostorového chování biologické entity v kontextu známé informace • modelování dynamiky biologické entity (procesu, živého organismu) • vyvození emergentních vlastností a pochopení okolností při kterých vznikají • např. rakovinové bujení, cirkadiální rytmy, diferenciace buněk, apod. Od integrace informací ke spustitelnému modelu biologické entity/procesu. SB poskytuje efektivní techniky pro reprezentaci, zpracování a analýzu modelů. Výpočetní systémová biologie Systémová biologie Systémová biologie Systémová biologie Využití modelu Typy modelů dle struktury • reakční • influenční • reakčně-influenční • agentové Typy modelů dle sémantiky • Diskrétní nebo spojité v čase, bez času • Diskrétní nebo spojité v prostoru, bez prostorové informace • Deterministické, nedeterministické, pravděpodobnostní • Kvalitativní, kvantitativní Typy modelů procesní diagram SBGN CellDesigner Typy modelů Petriho síť Snoopy Typy modelů Boolovská (regulační) síť CellCollective Typy modelů Brane calculus Typy modelů ODE Copasi, Matlab Typy modelů Osnova I. části (SB) • Kvalitativní modely • Petriho sítě • Boolovské sítě • Kvantitativní modely • ODE • stochastické Petriho sítě