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生物信息学教育和培训面临的重大挑战

已有 1150 次阅读 2023-8-28 07:02 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

生物信息学教育和培训面临的重大挑战

生命科学和健康科学界正面临着一个关键的挑战，即管理一个越来越定量和数据驱动的发现过程。应对这一挑战的关键是生物信息学，它可以被定义为从大量生物数据和信息中收集、管理、分析、建模和生成预测的科学。生物信息学是一个高度跨学科的领域，涉及许多专业的专业知识，包括生命与健康科学、数据科学、计算机科学、人工智能、数学和统计学。生命科学迫切需要生物信息学专业知识。随着生命科学研究越来越依赖于复杂和抽象的计算工具，如机器学习和人工智能，该领域的人员对其适当使用和解释有基本了解的必要性再怎么强调也不为过。然而，对生命科学家进行生物信息学基础方面的教育和培训的进展非常缓慢。尽管近几十年来生物数据的急剧增长，但对高等教育机构生命科学课程的粗略审查显示，进展不大，在向生命科学毕业生灌输必要的生物信息学技能和能力方面还有很多工作要做。

独立地，一些生物信息学研究人员和组织（表1）已经采取措施，以应对从地方到全球各级生物信息学教育和培训面临的巨大挑战。然而，鉴于全球需求的严重性和紧迫性，还需要更加协调的努力。因此，通过主动扩大和补充现有努力，国际上成立了生物信息学大挑战联盟（Bioinformatics Grand Challenges Consortium，BGCC，https://www.apbionet.org/bgcc）促进机构和组织之间的国际合作，包括表1中提到的机构和组织，以积极和批判性地反思未来的广泛挑战。BGCC初衷是旨在确定和定义生物信息学教育和培训中的重大挑战，最终目标不仅是提高所有相关利益相关者的认识，还呼吁采取行动，共同寻找和开发解决方案。

大挑战通常可以定义为一个难以解决的复杂问题，并且无法通过应用更多资金、时间、劳动力和/或资源来轻松解决。这是进步道路上的一个主要障碍或障碍，具有全球性，难以解决。然而，它提供了通过广泛的集体努力、跨许多技术和非技术学科的协调和协作，以及随着时间的推移开发定义良好的指标，最终能够处理的希望。

其他领域已经定义了一系列重大挑战，作为研究人员优先考虑需要解决的最紧迫问题的一种方式。Stephan等人提供了一段重大挑战的历史，尽管主要是从数学的角度来看的，并对其定义进行了一般性考虑，适用于其他学科。因此，不同学科的重大挑战有着相似的总体目标。2013年的《科学》特刊聚焦于科学教育和培训方面的重大挑战。尽管在这些挑战方面取得了进展，但生物信息学作为一个跨学科领域，给整个生命科学研究界带来了一系列独特的重大挑战。

定义生物信息学教育和培训中的重大挑战

生物信息学教育和培训面临着特殊的困难，因为它跨越了多个科学和学术领域，并利用了相当多的讲师，这些讲师自己可能都没有接受过正式教育和培训。与此同时，随着对整个生命科学中生物数据的全面和严格分析的需求增加，对强有力的生物信息学教育的需求继续增长。然而，截至2014年，只有约25%的全球生命科学教育项目在教授生物信息学。此外，生物信息学教育和培训并没有停留在正规教育路线的尽头。该领域发展如此之快，无论是生物信息学家还是其他生命科学家，研究人员和教育工作者都有必要在整个职业生涯中不断提高自己的技能（终身学习适应科学进步）。在这里，BGCC成员们讨论了生物信息学教育和培训方面的巨大挑战，以帮助我们理解为什么许多机构仍在努力满足更广泛社区的培训需求，并提高人们对克服这些障碍的变革必要性的认识。

BGCC召集了一个由经验丰富的教育工作者和培训师组成的工作组，他们通过加入和参与致力于生物信息学教育和培训的国际和区域组织而被招募（表1），以确定一系列重大挑战。该工作组的任务是提供以下问题的答案：“未来10-20年，生物信息学教育工作者和培训师将面临哪些重大挑战？”然后，对由此产生的19项初步重大挑战进行了审查，以消除冗余，并将这些挑战分为主要主题。在几次工作会议上，对由此产生的每一项挑战都进行了讨论和完善，直到达成了七项重大挑战的共识（图1）。被消除的挑战包括一些被认为过于具体的挑战（例如，“量子计算生物信息学准备”）；那些可以用更多的时间、精力或财政资源来解决的问题（例如，“现有和新兴生物信息学工具的可用性、维护和集成”）；或者那些被认为不够重要而被贴上“重大挑战”标签的人（例如，“培训师应该能够熟练应对社交媒体这一代”）。在这里，BGCC工作组负责确定和界定七大挑战。没有为这些挑战提供解决方案，只是确定它们，以便在社区内采取行动，引发辩论和讨论，以找到必要的解决方案。

表1生物信息学大挑战联盟的生物信息学组织代表

图1 生物信息学教育和培训的重大挑战。挑战可分为影响学习者的挑战（GC1、GC2）、影响培训者的挑战（GC3、GC4）和对长期加强生物信息学教育至关重要的挑战（GC5、GC6、GC7）

这七大挑战分别为：

GC1：确定基本知识和技能

GC2：支持终身学习

GC3：培训和武装教育工作者和培训师

GC4：跟上计算机和技术进步的步伐

GC5：提高对道德、法律和社会影响的认识

GC6：在生物信息学教育中践行包容与公平

GC7：确保生物信息学教育的可持续性

事实证明，就一系列重大挑战达成共识本身就很困难。生物信息学是一个广泛而快速发展的领域，很难做到全面。工作组还花了相当多的时间来区分和界定长期相关和引起共鸣的挑战，以及可以通过更多资源、资金和（或）时间解决的更直接的挑战。国际教育工作者群体面临着截然不同的国家和机构背景，他们的观点范围很广，也很难确定共同的主题。生物信息学教育工作者本身来自不同的学科背景，这再次导致了一系列需要综合成共同愿景的观点。

从广义上讲，这里定义的大挑战（GC）可以分为影响学习者的挑战（GC1和GC2）、影响教育者和培训者的挑战（GC3、GC4）和对长期加强生物信息学教育至关重要的挑战（GC5、GC6和GC7）。其中一些重大挑战是长期存在的，而另一些则是随着科学技术在其社会和经济背景下的发展而出现的。

未来展望

BGCC工作组强调了生物信息学教育和培训中的这些重大挑战，因为它们很难解决，但急需解决方案。识别和定义它们的目的是呼吁更广泛的社区采取行动，参与和支持解决方案的制定。国际生物信息学教育界正致力于实现这一目标，他们汇集了社区的努力和专业知识，举办了年度生物信息学教学峰会、GOBLET年度大会、APBioNET教育轨道年度国际生物信息会议（InCoB）、SoIBio在拉丁美洲推动的研讨会和合作行动、分子生物学智能系统（ISMB）会议的特殊兴趣教育社区，以及许多其他全球活动。这些集体努力正在制定指导方针和资源，以支持生物信息学教育工作者和培训师制定有效的课程，培训培训师，并扩大生物信息学培训的全球范围。教育工作者群体在未来几年重新审视这些重大挑战时，审查在应对这些挑战方面取得的进展将非常重要。然而，巨大的挑战是生物信息学教育家群体无法单独解决的问题。呼吁关注这些问题将是动员所有利益攸关方，特别是更广泛的生命科学界的一步。教育工作者、从业者、专业协会、资金和监管机构都需要共同努力，解决这些持续存在的问题，以促进整个生物学和医学的进步。

参考文献

[1] Işık EB, Brazas MD, Schwartz R, Gaeta B, Palagi PM, van Gelder CWG, Suravajhala P, Singh H, Morgan SL, Zahroh H, Ling M, Satagopam VP, McGrath A, Nakai K, Tan TW, Gao G, Mulder N, Schönbach C, Zheng Y, De Las Rivas J, Khan AM. Grand challenges in bioinformatics education and training. Nat Biotechnol. 2023 Aug;41(8):1171-1174. doi: 10.1038/s41587-023-01891-9.

以往推荐如下：

1. 分子生物标志物数据库MarkerDB

2. 细胞标志物数据库CellMarker 2.0

3. 细胞发育轨迹数据库CellTracer

4. 人类细胞互作数据库：CITEdb

5. EMT标记物数据库：EMTome

6. EMT基因数据库：dbEMT

7. EMT基因调控数据库：EMTRegulome

8. RNA与疾病关系数据库：RNADisease v4.0

9. RNA修饰关联的读出、擦除、写入蛋白靶标数据库：RM2Target

10. 非编码RNA与免疫关系数据库：RNA2Immune

11. 值得关注的宝藏数据库：CNCB-NGDC