Наноинформатика - Nanoinformatics
Наноинформатика - это приложение информатики к нанотехнологиям . Это междисциплинарная область, которая разрабатывает методы и программные инструменты для понимания наноматериалов, их свойств и их взаимодействия с биологическими объектами, а также более эффективного использования этой информации. Он отличается от хеминформатики тем, что наноматериалы обычно включают в себя неоднородные совокупности частиц, которые имеют распределения физических свойств, которые необходимо указать. Инфраструктура наноинформатики включает онтологии для наноматериалов, форматы файлов и репозитории данных.
У наноинформатики есть приложения для улучшения рабочих процессов в фундаментальных исследованиях, производстве и гигиене окружающей среды , что позволяет использовать высокопроизводительные методы на основе данных для анализа широкого набора экспериментальных результатов. Приложения наномедицины включают анализ фармацевтических препаратов на основе наночастиц на предмет взаимосвязи структура-активность аналогично биоинформатике .
Фон
В то время как обычные химические вещества определяются их химическим составом и концентрацией , наночастицы обладают другими физическими свойствами, которые необходимо измерить для полного описания, такими как размер , форма , свойства поверхности , кристалличность и состояние дисперсии . Кроме того, препараты наночастиц часто бывают неоднородными , имея распределения этих свойств, которые также необходимо указать. Эти молекулярные свойства влияют на их макроскопические химические и физические свойства, а также на их биологические эффекты. Они важны как для экспериментальной характеристики наночастиц, так и для их представления в системе информатики. Контекст наноинформатики состоит в том, что эффективная разработка и внедрение потенциальных приложений нанотехнологий требует использования информации на стыке безопасности, здоровья, благополучия и производительности; управление рисками ; и новые нанотехнологии.
Одно из рабочих определений наноинформатики, разработанное сообществом в рамках Дорожной карты Nanoinformatics 2020 и впоследствии расширенное:
- Определение того, какая информация имеет отношение к достижению целей в области безопасности, здоровья, благополучия и производительности наноразмерного научного, инженерного и технологического сообщества;
- Разработка и внедрение эффективных механизмов для сбора, проверки, хранения, обмена, анализа, моделирования и применения информации;
- Подтверждая, что были приняты соответствующие решения и что желаемые результаты миссии были достигнуты в результате этой информации; и наконец
- Передача опыта более широкому сообществу, содействие обобщению знаний и обновление стандартов и обучения.
Представления данных
Хотя нанотехнология является предметом значительных экспериментов, большая часть данных не хранится в стандартных форматах и не является общедоступной. Инициативы в области наноинформатики стремятся координировать разработку стандартов данных и методов информатики.
Онтологии
В контексте информатики онтология - это формальное представление знаний в предметной области с использованием иерархии терминов, включая их определения, атрибуты и отношения. Онтологии предоставляют общую терминологию в машиночитаемой среде, которая облегчает совместное использование и обнаружение данных. Наличие установленной онтологии для наночастиц важно для наномедицины рака из-за необходимости исследователей искать, получать доступ и анализировать большие объемы данных.
Онтология наночастиц - это онтология для подготовки, химического состава и характеристики наноматериалов, используемых в исследованиях рака. Он использует структуру базовой формальной онтологии и реализован на языке веб-онтологий . Он размещен в Национальном центре биомедицинской онтологии и поддерживается на GitHub . Онтология eNanoMapper является более новой и повторно использует там, где это возможно, уже существующие онтологии предметной области. Таким образом, он повторно использует и расширяет онтологию наночастиц, но также онтологию BioAssay, онтологию экспериментального фактора , единичную онтологию и ChEBI .
Форматы файлов
ISA-TAB-Nano - это набор из четырех форматов файлов на основе электронных таблиц для представления и обмена данными о наноматериалах, основанных на стандарте метаданных ISA-TAB . В Европе были приняты другие шаблоны, разработанные Институтом медицины труда и Объединенным исследовательским центром проекта NANoREG.
Инструменты
Наноинформатика не ограничивается агрегированием и обменом информацией о нанотехнологиях, но имеет множество дополнительных инструментов, некоторые из которых происходят из хемоинформатики и биоинформатики .
Базы данных и репозитории
За последние пару лет стали доступны различные базы данных.
caNanoLab, разработанный Национальным институтом рака США , специализируется на нанотехнологиях, связанных с биомедициной. Реестр наноматериалов, поддерживаемый RTI International , представляет собой тщательно подобранную базу данных наноматериалов, которая включает данные из caNanoLab.
База данных eNanoMapper, проект кластера нанобезопасности ЕС, представляет собой развертывание программного обеспечения базы данных, разработанного в проекте eNanoMapper. С тех пор он использовался в других учреждениях, таких как Обсерватория ЕС по наноматериалам (EUON).
Другие базы данных включают Центр экологических последствий NanoInformatics Knowledge Commons (NIKC) и NanoDatabank, базу данных Nano Exposure & Contextual Information от PEROSH, Data and Knowledge on Nanomaterials (DaNa) и базу данных Springer Nature Nano.
Приложения
У наноинформатики есть приложения для улучшения рабочих процессов в фундаментальных исследованиях, производстве и гигиене окружающей среды , что позволяет использовать высокопроизводительные методы на основе данных для анализа широкого набора экспериментальных результатов.
Наноинформатика особенно полезна в диагностике и лечении рака на основе наночастиц. Они очень разнообразны по своей природе из-за комбинаторно большого количества химических и физических модификаций, которые могут быть внесены в них, что может вызвать резкие изменения их функциональных свойств. Это приводит к комбинаторной сложности, которая намного превышает, например, геномные данные. Наноинформатика позволяет моделировать взаимосвязь между структурой и активностью для лекарств на основе наночастиц. Наноинформатика и биомолекулярное наномоделирование обеспечивают путь эффективного лечения рака. Наноинформатика также позволяет использовать основанный на данных подход к разработке материалов, отвечающих потребностям здоровья и окружающей среды.
Моделирование и NanoQSAR
Рассматриваемая как рабочий процесс, наноинформатика деконструирует экспериментальные исследования с использованием данных, метаданных , контролируемых словарей и онтологий для заполнения баз данных, чтобы выявить тенденции, закономерности и теории для использования в качестве прогнозных вычислительных инструментов. На каждом этапе используются модели, некоторые материалы (эксперименты, справочные материалы , модельные организмы ) и некоторые абстрактные (онтология, математические формулы), и все они предназначены для представления целевой системы. Модели могут использоваться в экспериментальном дизайне, могут заменять эксперимент или могут моделировать, как сложная система изменяется с течением времени.
В настоящее время наноинформатика является расширением биоинформатики из-за огромных возможностей нанотехнологий в медицинских приложениях, а также из-за важности разрешений регулирующих органов для коммерциализации продуктов. В этих случаях цель моделей, их цели могут быть физико-химическими, оценивая свойство на основе структуры (количественное соотношение структура-свойство, QSPR); или биологическая, прогнозирующая биологическую активность на основе молекулярной структуры ( количественное соотношение структура-активность , QSAR) или динамики моделирования ( физиологически обоснованная токсикокинетика , PBTK). Каждый из них был исследован на предмет разработки низкомолекулярных лекарств с соответствующей литературой.
Частицы отличаются от молекулярных объектов, особенно наличием поверхностей, которые бросают вызов системе номенклатуры и разработке модели QSAR / PBTK. Например, частицы не обладают коэффициентом разделения октанол – вода , который действует как движущая сила в моделях QSAR / PBTK; и они могут растворяться in vivo или иметь запрещенные зоны. Иллюстрацией текущих моделей QSAR и PBTK являются модели Puzyn et al. и Bachler et al. ОЭСР кодифицировала критерии приемлемости регуляторной, и есть направляющие дорожные карты с поддержкой семинаров по координации международных усилий.
Сообщества
Сообщества, активно работающие в области наноинформатики, включают Кластер нанобезопасности Европейского союза , Рабочую группу по нанотехнологиям Национальной программы информатики рака Национального института рака США и Исследовательские сообщества по нанотехнологиям США и ЕС.
Людей, занимающихся наноинформатикой, можно рассматривать как подходящих по четырем категориям ролей и обязанностей в отношении методов и данных наноинформатики:
- Клиенты, которым нужны либо методы для создания данных, либо сами данные, либо и то, и другое, и которые определяют научные приложения и методы характеризации и потребности в данных для их предполагаемых целей;
- Создатели, которые разрабатывают актуальные и надежные методы и данные для удовлетворения потребностей клиентов в сообществе нанотехнологий;
- Кураторы, которые поддерживают и обеспечивают качество методов и связанных данных; а также
- Аналитики, которые разрабатывают и применяют методы и модели для анализа и интерпретации данных, которые соответствуют качеству и количеству данных и отвечают потребностям клиентов.
В некоторых случаях все четыре роли исполняют одни и те же люди. Чаще многие люди должны взаимодействовать, а их роли и обязанности распространяются на значительные расстояния, организации и время. Эффективная коммуникация важна по каждой из двенадцати ссылок (в обоих направлениях по каждому из шести парных взаимодействий), которые существуют между различными клиентами, создателями, кураторами и аналитиками.
История
Одно из первых упоминаний о наноинформатике было в контексте обработки информации о нанотехнологиях.
Первым международным семинаром, на котором подробно обсуждалась необходимость обмена всеми видами информации по нанотехнологиям и наноматериалам, стал Первый международный симпозиум по влиянию наноматериалов на гигиену труда, состоявшийся 12–14 октября 2004 г. в отеле Palace, Бакстон , Дербишир, Великобритания. Отчет семинара включал презентацию по управлению информацией для безопасности и здоровья нанотехнологий, в которой описывалось развитие библиотеки информации о наночастицах (NIL) и отмечалось, что усилия по обеспечению здоровья и безопасности работников нанотехнологий и представителей общественности могут быть существенно усилены за счет согласованный подход к управлению информацией. Впоследствии NIL послужил примером для обмена данными о характеристиках наноматериалов через Интернет.
Национальный институт рака подготовил в 2009 году приблизительное видение того, что тогда еще называлось нанотехнологической информатикой, с изложением различных аспектов того, что должна включать наноинформатика. Это было позже последовали два дорожных карт, в котором подробно существующие решения, потребности и идеи о том , как поле должно дальнейшее развитие: наноинфор- матики 2020 Дорожной карты и ЕС США Дорожная карта наноинфор- матики 2030 .
На семинаре по наноинформатике 2013 года были описаны текущие ресурсы, потребности сообщества и предложение о совместной структуре для обмена данными и интеграции информации.
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
- Викиданные : Q61911710 ( Scholia )