Εισαγωγή στη Βιοπληροφορική

Επίσημο περίγραμμα μαθήματος του ΤΜΗΥΠ (Πανεπιστήμιο Πατρών), όπως δημοσιεύεται στη σελίδα του μαθήματος και στο συνημμένο αρχείο «Περίγραμμα Μαθήματος». Το κείμενο παρατίθεται αυτούσιο, χωρίς τα πρότυπα οδηγιών του εντύπου.

Στόχοι

• Μαθησιακά αποτελέσματα:

Στο τέλος αυτού του μαθήματος θα μπορεί:

1. να παρουσιάζει τις βασικές αρχές και έννοιες της Βιοπληροφορικής
2. να κατανοεί τη σύνδεση που υπάρχει ανάμεσα σε προβλήματα διαχείρισης βιολογικών μακρομορίων και τεχνικών διαχείρισης συμβολοσειρών.
3. σχεδιάζει και υλοποιεί αλγορίθμους διαχείρισης συμβολοσειρών για επίλυση βιολογικών προβλημάτων
4. κατανοεί τις βασικές αρχές της σχεδίασης φαρμάκων με την βοήθεια του υπολογιστή.
5. παρουσιάζει τους βασικούς αλγορίθμους ομαδοποίησης και κατηγοριοποίησης όπως εφαρμόζονται για την επίλυση βιολογικών προβλημάτων.
6. να ψάχνει αποδοτικά σε βιολογικές βάσεις δεδομένων και να κατανοεί τις έννοιες που σε αυτές τις βάσεις περιγράφονται
7. να κατανοεί την έννοια φυλογενετικά δέντρα
8. να κατανοεί τις βασικές τεχνικές ακολουθιοποίησης γονιδιώματος και ειδικά τεχνικές Next Generation Sequencing.

Στο τέλος του μαθήματος ο φοιτητής θα έχει περαιτέρω αναπτύξει τις ακόλουθες δεξιότητες:

1. ικανότητα να επιδεικνύει γνώση και κατανόηση των βασικών αρχών και εννοιών της βιοπληροφορικής και των αλγορίθμων διαχείρισης συμβολοσειρών
2. ικανότητα να εφαρμόζει μεθοδολογικά αυτή τη γνώση και κατανόηση στην επίλυση προβλημάτων βιοπληροφορικής
3. ικανότητα να συνεργάζεται με άλλους για την επίλυση σύνθετων προβλημάτων στον χώρο της βιοπληροφορικής.

Περιεχόμενο (ύλη)

Εισαγωγή στη χρήση αλγορίθμων για αποτελεσματική διαχείριση και αποθήκευση συμβολοσειρών (strings) και ακολoυθιών (sequences) βιολογικών δεδομένων. Αλγόριθμοι ακριβούς ταιριάσματος προτύπου (Boyer-Moore, Knuth-Morris-Pratt, Karb-Rabin) και πολλαπλών προτύπων. Εισαγωγή στο δέντρο επιθεμάτων (suffix tree) και στις εφαρμογές του. Αλγόριθμοι προσεγγιστικού ταιριάσματος προτύπου και στοίχισης συμβολοσειρών/ ακολουθιών (Sequence Alignment). Εισαγωγή στις Βάσεις Δεδομένων ακολουθιών και στις χρήσεις τους. Αλγόριθμοι εύρεσης σε Βάσεις Δεδομένων ακολουθιών (FASTA, BLAST, PAM, PROSITE, BLOCKS, BLOSUM). Εισαγωγή στο σχεδιασμό φαρμάκων με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή (Computer-aided Drug Design). Σχεδιασμός φαρμάκων βασιζόμενος στη δομή (Structure based drug design), παρουσίαση της σχέσης δομής-δραστικότητας. Μοντέλα αναπαράστασης βιολογικών μορίων σε τρισδιάστατο επίπεδο, σύστημα εσωτερικών συντεταγμένων, υπολογιστικές μέθοδοι εύρεσης της βέλτιστης στερεοδιαμόρφωσης (Conformational Search), και αλγόριθμοι καθορισμού περιοχών πρόσδεσης (binding sites). Αλγόριθμοι εξερεύνησης Βιολογικών Βάσεων Δεδομένων για εύρεση μικρομορίων σε τρισδιάστατο επίπεδο (Geometry-based similarity search). Τεχνικές κατηγοριοποίησης βιολογικών δεδομένων με σκοπό την πρόβλεψη της συμπεριφοράς βιολογικών μορίων, όπως αλγόριθμοι κατηγοριοποίησης που συνδυάζουν τεχνικές εμπειρικής και βαθιάς μάθησης (Νευρωνικά Δίκτυα, Γενετικοί Αλγόριθμοι, SVMs, Αλγόριθμοι Ομαδοποίησης κ.α.) Φυλογενετικά δέντρα Genome Sequencing Algorithms

Next Generation Sequencing

Αξιολόγηση

(1) στην παράδοση και επίλυση μίας συλλογής ασκήσεων σε θέματα επεξεργασίας συμβολοσειρών (30% του συνολικού βαθμού) ,

(2) στην παράδοση και στην παρουσίαση μιας εργασίας από ομάδες 1-2 ατόμων, που συνίσταται στη κριτική παρουσίαση και ανάλυση ενός συνόλου επιστημονικών εργασιών που πραγματεύεται ένα από τα ζητήματα του μαθήματος και στην προφορική εξέταση στις σημειώσεις του μαθήματος (70% του συνολικού βαθμού),

Βιβλιογραφία

ΒΙΟΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ, Σοφία Κοσσιδά, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΝΕΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ, 2009 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥΣ ΒΙΟΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ, NEIL C. JONES, PAVEL A. PEVZNER, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΛΕΙΔΑΡΙΘΜΟΣ ΕΠΕ, 2010 Εισαγωγή στη Βιοπληροφορική, ARTHUR M. LESK, UTOPIA ΕΚΔΟΣΕΙΣ Μ. ΕΠΕ., 5η αμερικανική-1η ελληνική/2021 Βιοπληροφορική & Λειτουργική Γονιδιωματική, Jonathan Pevsner,ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ Ι. ΜΠΑΣΔΡΑ & ΣΙΑ Ο.Ε., 1η/2019 Βιοπληροφορική, A. BAXEVANIS, B.F. OUELLETTE, ΠΑΡΙΣΙΑΝΟΥ ΜΟΝΟΠΡΟΣΩΠΗ ΑΝΩΝΥΜΗ ΕΚΔΟΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΗ ΕΜΠΟΡΙΚΗ ΕΤΑΙΡΕΙΑ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΩΝ ΒΙΒΛΙΩΝ, 2η/2012 Bioinformatics Algorithms: An Active Learning Approach by Phillip Compeau, Pavel Pevzner (2018), third edition, Active Learning Publishers