Nanoinformatik
Nanoinformatik är tillämpningen av informatik på nanoteknik . Det är ett tvärvetenskapligt område som utvecklar metoder och mjukvaruverktyg för att förstå nanomaterial, deras egenskaper och deras interaktioner med biologiska enheter och använda den informationen mer effektivt. Det skiljer sig från keminformatik genom att nanomaterial vanligtvis involverar olikformiga samlingar av partiklar som har fördelningar av fysikaliska egenskaper som måste specificeras. Infrastrukturen för nanoinformatik inkluderar ontologier för nanomaterial, filformat och dataförråd.
Nanoinformatik har applikationer för att förbättra arbetsflöden inom grundforskning, tillverkning och miljöhälsa , vilket möjliggör användning av datadrivna metoder med hög genomströmning för att analysera breda uppsättningar av experimentella resultat. Nanomedicinska tillämpningar inkluderar analys av nanopartikelbaserade läkemedel för struktur-aktivitetsförhållanden på ett liknande sätt som bioinformatik .
Bakgrund
Medan konventionella kemikalier specificeras av deras kemiska sammansättning och koncentration , har nanopartiklar andra fysikaliska egenskaper som måste mätas för en fullständig beskrivning, såsom storlek , form , ytegenskaper , kristallinitet och dispersionstillstånd . Dessutom är preparat av nanopartiklar ofta olikformiga , med fördelningar av dessa egenskaper som också måste specificeras. Dessa egenskaper i molekylär skala påverkar deras makroskopiska kemiska och fysikaliska egenskaper, såväl som deras biologiska effekter. De är viktiga både i den experimentella karakteriseringen av nanopartiklar och deras representation i ett informatiksystem. Kontexten för nanoinformatik är att effektiv utveckling och implementering av potentiella tillämpningar av nanoteknik kräver att information utnyttjas i skärningspunkten mellan säkerhet, hälsa, välbefinnande och produktivitet; riskhantering ; och framväxande nanoteknik.
En fungerande definition av nanoinformatik som utvecklats genom den samhällsbaserade Nanoinformatics 2020 Roadmap och sedan utökats är:
- Fastställande av vilken information som är relevant för att uppfylla målen för säkerhet, hälsa, välbefinnande och produktivitet inom vetenskaps-, ingenjörs- och teknikgemenskapen i nanoskala;
- Utveckla och implementera effektiva mekanismer för att samla in, validera, lagra, dela, analysera, modellera och tillämpa informationen;
- Bekräfta att lämpliga beslut fattades och att önskade uppdragsresultat uppnåddes som ett resultat av den informationen; och slutligen
- Förmedla erfarenhet till det bredare samhället, bidra till generaliserad kunskap och uppdatera standarder och utbildning.
Datarepresentationer
Även om nanoteknik är föremål för betydande experiment, lagras mycket av data inte i standardiserade format eller är allmänt tillgängliga. Nanoinformatikinitiativ syftar till att samordna utvecklingen av datastandarder och informatikmetoder.
Ontologier
I samband med informationsvetenskap är en ontologi en formell representation av kunskap inom en domän , med hjälp av hierarkier av termer inklusive deras definitioner, attribut och relationer. Ontologier tillhandahåller en gemensam terminologi i ett maskinläsbart ramverk som underlättar delning och upptäckt av data. Att ha en etablerad ontologi för nanopartiklar är viktigt för cancernanomedicin på grund av forskarnas behov av att söka, komma åt och analysera stora mängder data.
NanoParticle Ontology är en ontologi för beredning, kemisk sammansättning och karakterisering av nanomaterial involverade i cancerforskning. Den använder den grundläggande formella ontologiramen och är implementerad i webbontologispråket . Den är värd av National Center for Biomedical Ontology och underhålls på GitHub . eNanoMapper Ontology är nyare och återanvänder där det är möjligt redan befintliga domänontologier. Som sådan återanvänder och utökar den NanoParticle Ontology, men också BioAssay Ontology, Experimental Factor Ontology , Unit Ontology och ChEBI .
Filformat
ISA-TAB-Nano är en uppsättning av fyra kalkylbladsbaserade filformat för att representera och dela nanomaterialdata, baserat på ISA-TAB-metadatastandarden. I Europa har andra mallar antagits som utvecklats av Institute of Occupational Medicine och av Joint Research Centre för NANOREG-projektet.
Verktyg
Nanoinformatik är inte begränsad till att aggregera och dela information om nanoteknik, utan har många kompletterande verktyg, varav en del härrör från kemoinformatik och bioinformatik .
Databaser och arkiv
Under de senaste åren har olika databaser gjorts tillgängliga.
canNanoLab, utvecklat av US National Cancer Institute , fokuserar på nanoteknik relaterad till biomedicin. NanoMaterials Registry, som underhålls av RTI International , är en kurerad databas över nanomaterial och inkluderar data från canNanoLab.
eNanoMapper-databasen, ett projekt inom EU NanoSafety Cluster, är en distribution av databasmjukvaran som utvecklats i eNanoMapper-projektet. Den har sedan använts i andra sammanhang, som EU:s observatorium för nanomaterial (EUON).
Andra databaser inkluderar Center for the Environmental Impplications of NanoTechnology's NanoInformatics Knowledge Commons (NIKC) och NanoDatabank, PEROSH :s Nano Exposure & Contextual Information Database (NECID), Data and Knowledge on Nanomaterials (DaNa) och Springer Natures Nano-databas.
Ansökningar
Nanoinformatik har applikationer för att förbättra arbetsflöden inom grundforskning, tillverkning och miljöhälsa , vilket möjliggör användning av datadrivna metoder med hög genomströmning för att analysera breda uppsättningar av experimentella resultat.
Nanoinformatik är särskilt användbar i nanopartikelbaserad cancerdiagnostik och -terapi. De är mycket olika till sin natur på grund av det kombinatoriskt stora antalet kemiska och fysikaliska modifieringar som kan göras på dem, vilket kan orsaka drastiska förändringar i deras funktionella egenskaper. Detta leder till en kombinatorisk komplexitet som vida överstiger till exempel genomisk data. Nanoinformatik kan möjliggöra struktur-aktivitetsrelationer för nanopartikelbaserade läkemedel. Nanoinformatik och biomolekylär nanomodellering ger en väg för effektiv cancerbehandling. Nanoinformatik möjliggör också ett datadrivet förhållningssätt till design av material för att möta hälso- och miljöbehov.
Modellering och NanoQSAR
Ses som en arbetsflödesprocess, dekonstruerar nanoinformatik experimentella studier med hjälp av data, metadata , kontrollerade vokabulärer och ontologier för att fylla databaser så att trender, regelbundenheter och teorier kommer att avslöjas för användning som prediktiva beräkningsverktyg. Modeller är involverade i varje steg, en del material (experiment, referensmaterial , modellorganismer ) och några abstrakta (ontologi, matematiska formler), och alla avsedda som en representation av målsystemet. Modeller kan användas i experimentell design, kan ersätta experiment eller kan simulera hur ett komplext system förändras över tiden.
För närvarande är nanoinformatik en förlängning av bioinformatik på grund av de stora möjligheterna för nanoteknik i medicinska tillämpningar, samt på vikten av myndighetsgodkännanden för produktkommersialisering. I dessa fall kan modellens mål, deras syften, vara fysikalisk-kemiska, och uppskattar en egenskap baserat på struktur (kvantitativ struktur-egenskapsrelation, QSPR); eller biologisk, förutsägande biologisk aktivitet baserat på molekylstruktur ( kvantitativ struktur–aktivitetsrelation , QSAR) eller tidsförloppsutvecklingen av en simulering ( fysiologiskt baserad toxikokinetik , PBTK). Var och en av dessa har undersökts för utveckling av småmolekylära läkemedel med en stödjande mängd litteratur.
Partiklar skiljer sig från molekylära enheter, särskilt genom att ha ytor som utmanar nomenklatursystemet och QSAR/PBTK-modellutveckling. Till exempel uppvisar inte partiklar en oktanol-vattenfördelningskoefficient , som fungerar som en drivkraft i QSAR/PBTK-modeller; och de kan lösas in vivo eller ha bandgap. Illustrativa för nuvarande QSAR- och PBTK-modeller är de av Puzyn et al. och Bachler et al. OECD har kodifierade regulatoriska acceptanskriterier, och det finns vägledande färdplaner med stödjande workshops för att samordna internationella insatser .
gemenskaper
Gemenskaper som är aktiva inom nanoinformatik inkluderar Europeiska unionens NanoSafety Cluster , US National Cancer Institute National Cancer Informatics Programs nanotechnology Working Group och USA–EU Nanotechnology Communities of Research.
Individer som ägnar sig åt nanoinformatik kan ses som passande över fyra kategorier av roller och ansvar för nanoinformatikmetoder och data:
- Kunder som behöver antingen metoderna för att skapa data, själva data eller båda, och som specificerar de vetenskapliga tillämpningarna och karakteriseringsmetoderna och databehoven för sina avsedda ändamål;
- Skapare, som utvecklar relevanta och pålitliga metoder och data för att möta behoven hos kunder inom nanoteknikgemenskapen;
- Kuratorer, som upprätthåller och säkerställer kvaliteten på metoderna och tillhörande data; och
- Analytiker, som utvecklar och tillämpar metoder och modeller för dataanalys och tolkning som stämmer överens med datans kvalitet och kvantitet och som möter kundernas behov.
I vissa fall utför samma individer alla fyra rollerna. Oftare måste många individer interagera, med deras roller och ansvar som sträcker sig över betydande avstånd, organisationer och tid. Effektiv kommunikation är viktig över var och en av de tolv länkarna (i båda riktningarna över var och en av de sex parvisa interaktionerna) som finns mellan de olika kunderna, skaparna, curatorerna och analytikerna.
Historia
Ett av de första omnämnandena av nanoinformatik var i samband med hantering av information om nanoteknik.
En tidig internationell workshop med omfattande diskussioner om behovet av att dela alla typer av information om nanoteknik och nanomaterial var det första internationella symposiet om nanomaterials konsekvenser för arbetshälsan som hölls 12–14 oktober 2004 på Palace Hotel, Buxton, Derbyshire, Storbritannien . Workshoprapporten inkluderade en presentation om informationshantering för nanotekniksäkerhet och hälsa som beskrev utvecklingen av ett nanopartikelinformationsbibliotek (NIL) och noterade att ansträngningar för att säkerställa hälsan och säkerheten för nanoteknikarbetare och medlemmar av allmänheten kan förbättras avsevärt genom en samordnat förhållningssätt till informationshantering. NIL fungerade därefter som ett exempel för webbaserad delning av karakteriseringsdata för nanomaterial.
National Cancer Institute utarbetade 2009 en grov vision av, vad som då fortfarande kallades, nanoteknologisk informatik, som beskriver olika aspekter av vad nanoinformatik bör omfatta. Detta följdes senare av två färdplaner, som beskriver befintliga lösningar, behov och idéer om hur området skulle utvecklas vidare: Nanoinformatics 2020 Roadmap och EU US Roadmap Nanoinformatics 2030 .
En workshop om nanoinformatik 2013 beskrev nuvarande resurser, samhällsbehov och förslaget om ett samarbetsramverk för datadelning och informationsintegration.