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发表于 2023-1-21 16:53:17
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我来说一下生物信息学~~
今天,生物信息学被定义为一个混合科学领域,它使用计算从生物数据中提取见解。该术语是 在 1970 年代创造的,指的是对生物系统中的信息学过程的研究. 但现在,它是一个跨学科领域,涉及分子生物学和遗传学、数学、计算机科学和统计学的研究。它有助于从计算的角度解决大规模和数据密集型的生物学问题。它融合了收集、存储、分发和分析生物信息的技术,以支持生物学多个领域的科学研究。人工智能能够根据大型数据集检测模式,然后根据这些模式进行预测。这种能力为人工智能在生物信息学中的许多应用铺平了道路。
AI在生物信息学中的应用
生物信息学应用程序主要是帮助生成和存储有用的生物学知识的软件工具。但是,嵌入人工智能技术的生物信息学工具可以帮助更快地生成该信息,并有助于从中做出预测。AI 生物信息学工具有助于创建用于生物序列比较、知识管理和蛋白质-蛋白质相互作用的高级方法。
基因组测序
DNA 结构是一个螺旋,由四个结构单元组成,称为腺嘌呤“A”、胸腺嘧啶“T”、胞嘧啶“C”、鸟嘌呤“G”。这些块形成对以创建称为基因的功能分子。基因发现是一个由外在搜索和内在搜索相结合的过程。作为外在搜索,在目标基因组中搜索与外在证据相似的序列。外在证据是以先前发现和标记的已知基因序列的形式存在的。作为一种内在搜索,预测算法试图识别可以承载基因测序的 DNA 片段。目前,有许多 ML 算法和深度学习网络正在部署用于内在搜索,如多层感知器、K-最近邻和随机森林。
人工智能算法的使用提高了寻找宿主基因的速度,这进一步增强了测序过程,有助于获得准确的基因结构,为患者提供个性化和挽救生命的治疗。例如,ML 算法可以从历史 DNA 数据集中找到模式,然后根据他或她的基因组测序预测个体患上疾病的几率。所有这些在基因组测序的帮助下完成的药物都是从分析基因表达开始的。
基因表达分析
DNA 微阵列是一种芯片,上面附有一组 DNA 点。研究人员使用微阵列来收集和测量生物体中的基因表达。基因表达正在转换从基因中提取的信息,并使用它来创建功能性基因产物,如蛋白质。机器学习可以分析、识别和分类基因表达中的模式。微阵列和机器学习技术结合在一起,可以帮助在分子水平上检测肿瘤细胞。这将使医生能够根据肿瘤的遗传结构为患者提供个性化的癌症治疗。
这种疾病不是万能的,它是独一无二的,一个人所患的疾病的答案就在 DNA 中。让我们以癌症为例。分析癌症基因表达并将它们与其他未受影响的基因表达进行匹配,有助于医生找到两种基因结构的差异,从而帮助他们识别癌症驱动因素。分析基因表达有助于找到一种药物,该药物可以帮助患者对抗独特的癌症驱动因素,或帮助对抗由相似类型的癌症驱动因素驱动的另一种癌症的药物。虽然基因组测序和基因表达分析可以在没有人工智能的情况下完成,但人工智能的使用可以提高测序速度。例如, 第一个参考基因组序列于 2003 年完成, 实现这一壮举耗时 13 年。但现在, 在人工智能的帮助下,基因诊断和测序可以在一天内完成。
蛋白质分类
蛋白质是生命有机体的基本组成部分。它们是生物体内多种功能背后的原因,例如对刺激做出反应、构建细胞、代谢功能等。人类细胞中蛋白质模式的分类通常由人类根据其结构进行。但随着显微镜吞吐量的最新进展,细胞图像是在高空间创建的,手动分类蛋白质已变得具有挑战性。计算机视觉可以从这些细胞图像中获得理解,机器学习算法可以使用这些图像对蛋白质进行分类。
蛋白质分类有助于研究人员预测各种分子的结合。基于蛋白质的分类,ML 算法可以帮助检测蛋白质如何与不同的药物结合。以及蛋白质与药物的结合如何影响药物的功效。药物与细胞蛋白质的结合越少,它穿过细胞膜的效率就越高。因此,蛋白质与药物的结合可以帮助确定哪种药物可以解决特定人的特定疾病。人工智能还可以帮助预测蛋白质结构。蛋白质的结构可以分为四层:一级、二级、三级和四级。蛋白质结构预测是一个有助于从第一层预测蛋白质结构的过程。AI 算法有助于准确快速地预测蛋白质层的折叠方式,
蛋白质结构预测有利于药学设计药物及其与消费者身体蛋白质的结合。它还有助于生物技术设计新型酶。
蛋白质结构生成建模
生成模型可以生成新的数据实例,可用于为生物信息学的各个领域训练 AI 算法。这些模型旨在学习数据表示并创建与原始数据实例相似的新数据实例。创建生成模型的有效方法之一是生成对抗网络 (GAN),它是一种神经网络,使用生成器和鉴别器网络来生成蛋白质结构。生成器网络尝试生成自然图像,而鉴别器尝试确定前一个网络生成的图像是假的还是真实的。然后,确定为真实的图像可用于训练 AI 算法。
虽然人工智能在生物信息学中的影响令人着迷,但它需要更多的数据来改进。随着更多患者的测序,这将成为可能。是的,您没听错,因为生物信息学正在收集数据,所以每个患者本身就是源数据。而且,一旦人工智能系统有了数据,就有多种方法可以将这些数据转化为洞察力 并将它们用于各种好处。生物信息学和人工智能技术的结合将在将复杂的分析工作流程简化为一个单一的分析框架方面发挥重要作用。而且,这样的框架将能够以前所未有的速度处理和分析生物数据。可以肯定地说,生物信息学的未来在于用人工智能算法分析海量数据,以节省大量时间和金钱,这将进一步加速生物研究。
参考资料:Leveraging the Benefits of Artificial Intelligence Technology in Bioinformatics |
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