Nanoinformatik - Nanoinformatics
Nanoinformatics uygulanmasıdır bilişim için nanoteknoloji . Nanomalzemeleri, özelliklerini ve biyolojik varlıklarla etkileşimlerini anlamak ve bu bilgileri daha verimli kullanmak için yöntemler ve yazılım araçları geliştiren disiplinler arası bir alandır. Bu farklı cheminformatics olup, nano genellikle dahil homojen olmayan belirtilmelidir fiziksel özelliklerin dağılımına sahip partiküllerin grupları. Nanoinformatik altyapısı, nanomalzemeler, dosya biçimleri ve veri havuzları için ontolojiler içerir .
Nanoinformatik, temel araştırma, üretim ve çevre sağlığında iş akışlarını iyileştirmeye yönelik uygulamalara sahiptir ve geniş deneysel sonuç kümelerini analiz etmek için yüksek verimli veriye dayalı yöntemlerin kullanılmasına izin verir. Nanotıp uygulamaları, biyoinformatiğe benzer şekilde yapı-aktivite ilişkileri için nanoparçacık bazlı farmasötiklerin analizini içerir .
Arka plan
Geleneksel kimyasallar kimyasal bileşimleri ve konsantrasyonları ile belirtilirken , nanopartiküller boyut , şekil , yüzey özellikleri , kristallik ve dağılım durumu gibi eksiksiz bir tanım için ölçülmesi gereken başka fiziksel özelliklere sahiptir . Ek olarak, nanoparçacıkların preparasyonları genellikle tek biçimli değildir ve ayrıca belirtilmesi gereken bu özelliklerin dağılımlarına sahiptir. Bu moleküler ölçekli özellikler, biyolojik etkilerinin yanı sıra makroskopik kimyasal ve fiziksel özelliklerini de etkiler. Hem nanoparçacıkların deneysel karakterizasyonunda hem de bir bilişim sisteminde temsil edilmelerinde önemlidirler . Nanoinformatik bağlamı, nanoteknolojinin potansiyel uygulamalarının etkili bir şekilde geliştirilmesi ve uygulanmasının güvenlik, sağlık, esenlik ve üretkenliğin kesiştiği noktada bilginin kullanılmasını gerektirdiğidir; risk yönetimi ; ve gelişen nanoteknoloji.
Topluluk temelli Nanoinformatik 2020 Yol Haritası aracılığıyla geliştirilen ve ardından genişletilen nanoinformatiğin çalışan bir tanımı şöyledir:
- Nano ölçekli bilim, mühendislik ve teknoloji topluluğunun güvenlik, sağlık, esenlik ve üretkenlik hedeflerini karşılamak için hangi bilgilerin alakalı olduğunu belirlemek;
- Bilgiyi toplamak, doğrulamak, depolamak, paylaşmak, analiz etmek, modellemek ve uygulamak için etkili mekanizmalar geliştirmek ve uygulamak;
- Uygun kararların alındığını ve bu bilgiler sonucunda istenen görev sonuçlarına ulaşıldığını teyit ederek; ve sonunda
- Deneyimi daha geniş topluluğa aktarmak, genelleştirilmiş bilgiye katkıda bulunmak ve standartları ve eğitimi güncellemek.
Veri temsilleri
Nanoteknoloji önemli deneylerin konusu olmasına rağmen, verilerin çoğu standart formatlarda saklanmaz veya geniş çapta erişilebilir değildir. Nanoinformatik girişimleri, veri standartlarının ve bilişim yöntemlerinin gelişmelerini koordine etmeye çalışır.
ontolojiler
Bilgi bilimi bağlamında, bir ontoloji , tanımları, nitelikleri ve ilişkileri dahil olmak üzere terimlerin hiyerarşilerini kullanarak, bir alan içindeki bilginin resmi bir temsilidir . Ontolojiler , verilerin paylaşılmasını ve keşfedilmesini kolaylaştıran, makine tarafından okunabilen bir çerçevede ortak bir terminoloji sağlar. Nanopartiküller için yerleşik bir ontolojiye sahip olmak , araştırmacıların büyük miktarda veriyi arama, erişme ve analiz etme ihtiyacı nedeniyle kanser nanotıpları için önemlidir .
NanoParticle Ontology, kanser araştırmalarında yer alan nanomalzemelerin hazırlanması, kimyasal bileşimi ve karakterizasyonu için bir ontolojidir. Temel Biçimsel Ontoloji çerçevesini kullanır ve Web Ontoloji Dili'nde uygulanır . Ulusal Biyomedikal Ontoloji Merkezi tarafından barındırılmaktadır ve GitHub'da sürdürülmektedir . eNanoMapper Ontolojisi daha yenidir ve mümkün olan her yerde halihazırda var olan alan ontolojilerini yeniden kullanır. Bu nedenle, NanoParticle Ontology'yi ve ayrıca BioAssay Ontology, Experimental Factor Ontology , Unit Ontology ve ChEBI'yi yeniden kullanır ve genişletir .
Dosya formatları
ISA-TAB-Nano, nanomalzeme verilerini temsil etmek ve paylaşmak için ISA-TAB meta veri standardına dayalı dört elektronik tablo tabanlı dosya formatı kümesidir . Avrupa'da, Mesleki Tıp Enstitüsü ve NANoREG projesi için Ortak Araştırma Merkezi tarafından geliştirilen diğer şablonlar kabul edilmiştir .
Aletler
Nanoinformatik, nanoteknolojiler hakkında bilgi toplamak ve paylaşmakla sınırlı değildir, ancak bazıları kemoinformatik ve biyoinformatikten kaynaklanan birçok tamamlayıcı araca sahiptir .
Veritabanları ve depolar
Son birkaç yılda, çeşitli veritabanları kullanıma sunuldu.
ABD Ulusal Kanser Enstitüsü tarafından geliştirilen caNanoLab, biyotıp ile ilgili nanoteknolojilere odaklanıyor. RTI International tarafından yönetilen NanoMaterials Registry, nanomalzemelerin derlenmiş bir veritabanıdır ve caNanoLab'dan gelen verileri içerir.
EU NanoSafety Cluster'ın bir projesi olan eNanoMapper veritabanı, eNanoMapper projesinde geliştirilen veritabanı yazılımının bir dağıtımıdır. O zamandan beri, NanoMaterials için AB Gözlemevi (EUON) gibi diğer ortamlarda kullanılmıştır.
Diğer veri tabanları arasında NanoTechnology'nin NanoInformatics Knowledge Commons (NIKC) ve NanoDatabank, PEROSH'ın Nano Exposure & Contextual Information Database (NECID), Data and Knowledge on Nanomaterials (DaNa) ve Springer Nature'ın Nano veritabanının Çevresel Etkileri Merkezi yer alır .
Uygulamalar
Nanoinformatik, temel araştırma, üretim ve çevre sağlığında iş akışlarını iyileştirmeye yönelik uygulamalara sahiptir ve geniş deneysel sonuç kümelerini analiz etmek için yüksek verimli veriye dayalı yöntemlerin kullanılmasına izin verir.
Nanoinformatik özellikle nanoparçacık bazlı kanser teşhis ve tedavilerinde faydalıdır. Birleşimsel olarak çok sayıda kimyasal ve fiziksel modifikasyon yapılabildiğinden, fonksiyonel özelliklerinde ciddi değişikliklere neden olabilen doğaları gereği çok çeşitlidirler. Bu, örneğin genomik verileri çok aşan bir kombinatoryal karmaşıklığa yol açar. Nanoinformatik, nanoparçacık bazlı ilaçlar için yapı-aktivite ilişkisi modellemesini sağlayabilir . Nanoinformatik ve biyomoleküler nanomodelleme, etkili kanser tedavisi için bir yol sağlar. Nanoinformatik ayrıca sağlık ve çevre ihtiyaçlarını karşılamak için malzeme tasarımına veri odaklı bir yaklaşım sağlar.
Modelleme ve NanoQSAR
Bir iş akışı süreci olarak görülen nanoinformatik , veritabanlarını doldurmak için verileri, meta verileri , kontrollü sözlükleri ve ontolojileri kullanan deneysel çalışmaların yapısını bozar, böylece eğilimler, düzenlilikler ve teoriler, tahmine dayalı hesaplama araçları olarak kullanılmak üzere ortaya çıkarılacaktır. Modeller her aşamada yer alır, bazı materyaller (deneyler, referans materyalleri , model organizmalar ) ve bazı soyut (ontoloji, matematiksel formüller) ve tümü hedef sistemin bir temsili olarak tasarlanmıştır. Modeller deneysel tasarımda kullanılabilir, deneyin yerini alabilir veya karmaşık bir sistemin zaman içinde nasıl değiştiğini simüle edebilir.
Şu anda nanoinformatik, tıbbi uygulamalarda nanoteknoloji için büyük fırsatlar ve ayrıca düzenleyici onayların ürün ticarileştirmedeki önemi nedeniyle biyoinformatiğin bir uzantısıdır . Bu durumlarda, modellerin hedefi, amaçları, yapıya dayalı bir özelliği tahmin eden fiziko-kimyasal olabilir (niceliksel yapı-özellik ilişkisi, QSPR); veya biyolojik, moleküler yapıya dayalı biyolojik aktiviteyi tahmin etme ( kantitatif yapı-aktivite ilişkisi , QSAR) veya bir simülasyonun zaman süreci geliştirmesi ( fizyolojik temelli toksikokinetik , PBTK). Bunların her biri, destekleyici bir literatür gövdesi ile küçük moleküllü ilaç geliştirme için araştırılmıştır .
Parçacıklar, özellikle adlandırma sistemine ve QSAR/PBTK modeli geliştirmeye meydan okuyan yüzeylere sahip olmaları bakımından moleküler varlıklardan farklıdır. Örneğin, parçacıklar , QSAR/PBTK modellerinde bir itici güç olarak hareket eden bir oktanol-su bölme katsayısı sergilemez ; ve in vivo olarak çözülebilir veya bant boşluklarına sahip olabilirler. Mevcut QSAR ve PBTK modellerinin örnekleri Puzyn ve ark. ve Bachler ve ark. OECD düzenleyici kabul kriterlerini ve yayınlamıştır ve uluslararası çabaları koordine etmek atölyeler destekleyen rehberlik yol haritalarının vardır.
Topluluklar
Nanoinformatik alanında aktif olan topluluklar arasında Avrupa Birliği NanoGüvenlik Kümesi , ABD Ulusal Kanser Enstitüsü Ulusal Kanser Bilişim Programı'nın Nanoteknoloji Çalışma Grubu ve ABD-AB Nanoteknoloji Araştırma Toplulukları bulunmaktadır.
Nanoinformatikle uğraşan bireyler, nanoinformatik yöntemleri ve verileri için dört rol ve sorumluluk kategorisine uygun olarak görülebilir:
- Veriyi oluşturma yöntemlerine, verinin kendisine veya her ikisine ihtiyaç duyan ve amaçlarına yönelik bilimsel uygulamaları ve karakterizasyon yöntemlerini ve veri ihtiyaçlarını belirleyen müşteriler;
- Nanoteknoloji topluluğundaki müşterilerin ihtiyaçlarını karşılamak için ilgili ve güvenilir yöntemler ve veriler geliştiren yaratıcılar;
- Yöntemlerin ve ilgili verilerin kalitesini koruyan ve sağlayan küratörler; ve
- Verilerin niteliği ve niceliği ile tutarlı ve müşterilerin ihtiyaçlarını karşılayan veri analizi ve yorumlaması için yöntem ve modeller geliştiren ve uygulayan analistler.
Bazı durumlarda, aynı kişiler dört rolü de yerine getirir. Daha sık olarak, birçok kişi önemli mesafelere, organizasyonlara ve zamana yayılan rolleri ve sorumluluklarıyla etkileşime girmelidir. Çeşitli müşteriler, yaratıcılar, küratörler ve analistler arasında var olan on iki bağlantının her biri arasında (altı ikili etkileşimin her biri boyunca her iki yönde) etkili iletişim önemlidir.
Tarih
Nanoinformatiğin ilk sözlerinden biri, nanoteknoloji hakkındaki bilgilerin ele alınması bağlamındaydı.
Nanoteknoloji ve nanomalzemeler hakkında her türlü bilgiyi paylaşma ihtiyacına ilişkin önemli bir tartışma ile erken bir uluslararası çalıştay, 12-14 Ekim 2004 tarihinde Palace Hotel, Buxton , Derbyshire, Birleşik Krallık'ta düzenlenen Nanomateryallerin Mesleki Sağlık Etkileri üzerine Birinci Uluslararası Sempozyumdu . Çalıştay raporu, bir Nanopartikül Bilgi Kütüphanesinin (NIL) gelişimini anlatan Nanoteknoloji Güvenliği ve Sağlığı için Bilgi Yönetimi üzerine bir sunum içeriyordu ve nanoteknoloji çalışanlarının ve halk üyelerinin sağlık ve güvenliğini sağlamaya yönelik çabaların büyük ölçüde geliştirilebileceğini kaydetti. bilgi yönetimine koordineli bir yaklaşım. NIL daha sonra nanomalzemeler için karakterizasyon verilerinin web tabanlı paylaşımı için bir örnek olarak hizmet etti.
Ulusal Kanser Enstitüsü, 2009'da, o zamanlar hala nanoteknoloji bilişimi olarak adlandırılan, nanoinformatiğin neleri içermesi gerektiğinin çeşitli yönlerini özetleyen kaba bir vizyon hazırladı. Bunu daha sonra, alanın nasıl daha fazla gelişmesi gerektiğine dair mevcut çözümleri, ihtiyaçları ve fikirleri detaylandıran iki yol haritası izledi : Nanoinformatik 2020 Yol Haritası ve AB ABD Yol Haritası Nanoinformatik 2030 .
Nanoinformatik üzerine bir 2013 çalıştayı, mevcut kaynakları, topluluk ihtiyaçlarını ve veri paylaşımı ve bilgi entegrasyonu için işbirlikçi bir çerçeve önerisini tanımladı.