Teori Komputasi danpenerapannya di perusahaan NeoProteomics, Inc.

TUGAS 1

DEFINISI TEORI KOMPUTASI

Komputasi merupakan suatu cara untuk memecahkan masalah dengan menggunakan suatu algoritma. Komputasi termasuk dalam cabang ilmu komputer dan matematika. Pada awal mulanya, komputasi dilakukan melalui media kapur - batu tulis, pena - kertas, bahkan dikerjakan secara mental. DIbandingkan pada saat ini, perkembangan komputasi sudah sangat pesat, dimana sebagian besar proses komputasi telah dilakukan dengan menggunakan bantuan komputer.

Dari sudut pandang ilmu, komputasi merupakan bidang ilmu yang berfokus pada model matematika, teknik numerik, dan komputerisasi dalam analisa dan pemecahan masalah masalah sains. Secara praktis, komputasi ditemukan dalam penerapan simulasi komputer. Akan tetapi, komputasi diimplementasikan juga untuk meneliti perkembangan prinsip dasar dalam berbagai bidang ilmu. Pendekatan secara komputasi membuka pemahaman baru dalam penyelesaian masalah nyata di berbagai bidang ilmu terkait, yaitu melalui penerapan model matematika dalam program komputer berdasarkan landasan teori yang telah berkembang.

Dari sudut pandang teknologi, komputasi merupakan teknik penggunaan dan pengembangan teknologi komputer, termasuk di dalamnya perangkat keras dan perangkat lunak komputer. Komputasi merupakan cabang dari teknologi informasi, secara spesifik untuk teknologi komputer.

Teori komputasi adalah cabang ilmu komputer dan matematika, yang berfokus pada apa dan bagaimana suatu masalah dapat dipecahkan pada model komputasi, dengan menggunakan algoritma tertentu. Teori komputasi terbagi menjadi dua cabang teori, yaitu teori komputabilitas dan teori kompleksitas. Kedua cabang tersebut selalu terkait dengan model formal komputasi. Dalam pelaksanaan studi komputasi, ilmuwan komputer bekerja dengan abstraksi matematika dari komputer yang dikenal sebagai model komputasi. Secara umum, model komputasi yang paling sering dipelajari adalah mesin Turing. Sebuah mesin Turing merupakan model komputer meja (desktop PC), dengan kapasitas memori yang tak terhingga, namun hanya dapat diakses secara terpisah dan diskret per bagiannya. Mesin Turing banyak dipelajari karena mudah dalam perumusan, analisa, serta pembuktian. Selain itu, mesin Turing merepresentasikan model komputasi dengan kemampuan yang paling masuk akal dan memungkinkan. Kapasitas memori yang tidak terbatas mungkin terlihat sebagai hal yang mustahil diterapkan, namun permasalahan yang dipecahkan oleh mesin Turing hampir selalu menggunakan jumlah memori yang terhingga. Jadi secara prinsip, permasalahan yang dapat dipecahkan oleh mesin Turing, akan dapat dipecahkan oleh komputer yang memiliki jumlah memori terbatas.

IMPLEMENTASI KOMPUTASI MODERN

1. Bidang Fisika

Di bidang fisika, komputasi modern diimplementasikan untuk memberikan solusi pada masalah yang komplek pada dunia nyata, baik dengan menggunakan simulasi maupun penggunaan algoritma yang tepat. Dituntut adanya keseragaman tingkat pemahaman fisika pada teori, eksperimen, dan komputasi, agar dihasilkan solusi numerik dan pemodelan yang tepat untuk memahami masalah fisika. Implementasi yang cukup dikenal di bidang fisika adalah Computational Physics, yang mempelajari suatu gabungan antara fisika, komputer sains, dan matematika terapan. Ada banyak poin permasalahan di bidang fisika yang dapat diselesaikan dengan implementasi Computational Physics. Contoh permasalahan tersebut antara lain yaitu evaluasi integral, penyelesaian persamaan differensial, penyelesaian persamaan simultans, mem-plot suatu fungsi/data, membuat pengembangan suatu seri fungsi, menemukan akar persamaan, dan bekerja dengan bilangan komplek. Perangkat lunak dan atau bahasa pemograman yang dapat digunakan oleh Computational Physics meliputi MatLab, Visual Basic, Fortran, Open Source Physics (OSP), Labview, Mathematica, dan lain sebagainya.

2. Bidang Kimia

Pada cabang ilmu kimia, banyak digunakan implementasi komputasi modern untuk menghitung sifat-sifat molekul dan perubahannya, maupun melakukan simulasi terhadap makromolekul seperti protein atau sistem banyak molekul seperti gas, cairan, padatan, dan kristal cair. Contoh sifat-sifat molekul yang dihitung antara lain letak atom penyusunnya, energi dan selisih energi, muatan, momen dipol, kereaktifan, frekuensi getaran dan besaran spektroskopi lainnya. Sedangkan, simulasi terhadap makromolekul dan sistem banyak molekul bisa mencakup kajian konformasi molekul dan perubahannya (contohnya proses denaturasi protein), perubahan fase, serta peramalan sifat-sifat makroskopik seperti kalor jenis, berdasarkan perilaku di tingkat atom dan molekul. Implementasi komputasi modern di bidang kimia dilakukan dengan menerjemahkan hasil kimia teori ke dalam program komputer, dan menerapkan program tersebut pada sistem kimia nyata. Istilah kimia komputasi terkadang digunakan juga pada bidang ilmu kombinasi antara ilmu komputer dan kimia.

3. Bidang Matematika

Implementasi komputasi modern di bidang matematika dikenal dengan adanya Numerical Analysis, yaitu sebuah algoritma yang digunakan untuk menganalisa masalah matematika. Analisis numerik sudah ada jauh sebelum komputer modern ditemukan. Sebagai gambaran, interpolasi linear sudah digunakan lebih dari 2000 tahun yang lalu. Selain itu, penggunaan analisis numerik pada masa lampau terlihat jelas dari nama algoritma penting seperti metode Newton, interpolasi polinomial Lagrange, eliminasi Gauss, atau metode Euler. Pada awal perkembangan analisis numerik, terdapat buku besar berisi rumus dan tabel data seperti interpolasi titik dan koefisien fungsi, yang diciptakan untuk memudahkan perhitungan tangan. Dengan menggunakan tabel tersebut, dapat dilihat nilai untuk diisikan ke dalam rumus yang diberikan, dan mencapai perkiraan numeris yang sangat baik untuk beberapa fungsi. Contoh buku yang paling populer adalah terbitan NIST yang disunting oleh Abramovich dan Stegun, yaitu sebuah buku setebal 1000 halaman lebih. Buku tersebut berisi banyak sekali rumus yang umum digunakan dan fungsi serta nilainya di banyak titik. Walaupun nilai fungsi tersebut tidak lagi terlalu berguna ketika komputer tersedia, namun rumus tersebut masih sangat berguna. Selain buku rumus tersebut, contoh lainnya adalah kalkulator mekanik, yang juga dikembangkan sebagai alat untuk perhitungan tangan. Kalkulator inilah yang kemudian berevolusi menjadi komputer elektronik pada tahun 1940. Kemudian baru didapatkan bahwa komputer juga berguna untuk tujuan administratif. Penemuan komputer juga sangat mempengaruhi bidang analisis numerik, karena dapat memungkinkan dilakukannya perhitungan yang lebih panjang dan rumit, yang sulit dilakukan dengan hanya menggunakan buku rumus dan kalkulator mekanik saja.

4. Bidang Ekonomi

Implementasi di bidang ekonomi ditunjukkan dengan adanya Computational Economics, yang mempelajari titik pertemuan antara ilmu ekonomi dan ilmu komputer. Computational Economics mencakup komputasi keuangan, statistika, pemrograman yang di desain khusus untuk komputasi ekonomi, dan pengembangan alat bantu untuk pendidikan ekonomi.

5. Bidang Geologi

Di bidang geologi, fokus teori komputasi modern biasanya digunakan untuk bagian pertambangan. Sebagai gambaran, komputasi berperan sangat penting bagi para penambang, dimana sebuah sistem komputer digunakan untuk menganalisa bahan-bahan mineral dan barang tambang yang terdapat di dalam tanah, sebelum melakukan proses penggalian atau pertambangan.

6. Bidang Geografi

Teknik komputasi modern di bidang geografi terlihat pada GIS (Geographic Information System), yang merupakan sistem informasi khusus yang mengelola data dengan informasi spasial (referensi keruangan). Secara spesifik lagi, GIS adalah sistem komputer yang memiliki kemampuan untuk membangun, menyimpan, mengelola dan menampilkan informasi bereferensi geografis, misalnya data yang diidentifikasi menurut lokasinya, dalam sebuah database. Teknologi GIS dapat digunakan untuk investigasi ilmiah, pengelolaan sumber daya, perencanaan pembangunan, kartografi dan perencanaan rute. Misalnya, GIS bisa membantu untuk secara cepat menghitung waktu tanggap darurat saat terjadi bencana alam, atau GIS dapat digunaan untuk mencari lahan basah (wetlands) yang membutuhkan perlindungan dari polusi.

7. Bidang Sosiologi

Pada bidang sosiologi, teknik komputasi modern muncul pada Computational Sosiology, yaitu penggunaan metode komputasi dalam menganalisa fenomena sosial yang terjadi pada masyarakat luas.

8. Bidang Biologi

Implementasi teknik komputasi modern pada bidang bilogi yang dikenal luas adalah Bioinformatika. Bioinformatika ini masuk ke dalam bidang ilmu komputasi modern. Bioinformatika, yang berasal dari kata bio dan informatika, adalah gabungan antara ilmu biologi dan ilmu teknik informasi. Bioinformatika dan teknologi informasi merupakan dua diantara dari berbagai teknologi penting yang mengalami perkembangan yang signifikan dalam beberapa tahun terakhir ini. Bioinformatika merupakan aplikasi dari alat komputasi dan analisa untuk menangkap dan menginterpretasikan data-data biologi. Bioinformatika merupakan ilmu baru yang yang merangkup berbagai disiplin ilmu termasuk ilmu komputer, matematika dan fisika, biologi, dan ilmu kedokteran, dimana kesemuanya saling menunjang dan saling bermanfaat satu sama lainnya. Topik utama Bioinformatika meliputi basis data untuk mengelola informasi biologis, penyejajaran sekuens (sequence alignment), prediksi struktur untuk meramalkan bentuk struktur protein maupun struktur sekunder RNA, analisis filogenetik, dan analisis ekspresi gen. Bioinformatika mulai diperkenalkan pada pertengahan tahun 1980-an untuk mengacu pada penerapan komputer pada bidang biologi. Tetapi penerapan bidang pada bioinformatika sudah dilakukan sejak pertengahan tahun 1960-an. Seperti pada pembuatan basis data dan pengembangan algoritma untuk analisis sekuens biologi. Bioinformatika lahir berdasarkan article intelligence, atas inisiatif dari para ahli ilmu komputer. Berdasarkan teori ini, dirumuskan bahwa semua gejala yang ada pada alam ini dapat dibuat secara artificial melalui simulasi dari gejala yang muncul tersebut. Untuk dapat mewujudkannya, diperlukan data yang menjadi kunci penentu dari gejala alam tersebut, yaitu dapat berupa gen yang meliputi DNA maupun RNA. Perkembangan pada teknologi DNA rekombinan memainkan peranan yang penting dalam terciptanya bioinformatika. Pada teknologi DNA rekombinan memberikan suatu pengetahuan baru dalam bidang rekayasa genetika organisme yang disebut dengan bioteknologi. Perkembangan pada bioteknologi dari tradisional ke modern salah satunya ditandai dengan kemampuan manusia dalam melakukan analisis DNA organisme, sekuensing DNA, dan manipulasi DNA. Sekuensing DNA satu organisme, misalnya suatu virus memiliki kurang lebih 5.000 nukleotida atau molekul DNA atau sekitar 11 gen, yang telah berhasil dibaca secara menyeluruh pada tahun 1977. Kemudian Sekuen seluruh DNA manusia terdiri dari 3 milyar nukleotida yang menyusun 100.000 gen dapat dipetakan dalam waktu 3 tahun, walaupun semua ini belum terlalu lengkap. Saat ini terdapat milyaran data nukleotida yang tersimpan dalam database DNA, GenBank di AS yang didirikan tahun 1982.

TUGAS 2

NeoProteomics, Inc.

Perusahaan NeoProteomics, Inc. bergerak di bidang farmasi dan penelitian biologi, dimana dalam kegiatan nya menerapkan teknik komputasi modern pada produk yg ditawarkan. Termasuk di dalamnya penerapan bioinformatika.

Gambar 1. Homepage NeoProteomics, Inc.

Gambar 2. Sejarah singkat NeoProteomics, Inc.

Salah satu layanan yang diberikan oleh perusahaan ini dikenal dengan Structural Mass Spectrometry (SMS). Layanan SMS ini menyediakan informasi secara detail dengan resolusi yang tinggi tentang struktur protein. SMS dikembangkan dengan didasarkan pada metode penelitian dan alat yang dikembangkan pusat proteomika dan bioinformatika di Case Western Reserve University (CWRU). Selain SMS, penerapan bioinformatika lainnya yang diterapkan NeoProteomics adalah pada layanan aplikasi pengembangan model terstruktur untuk reseptor serotonin pada manusia, dengan menggunakan teknik pelabelan kovalen dan model komputasi serta metode biokimia lainnya.

Gambar 3. Deskripsi Structural Mass Spectrometry (SMS)

Gambar 4. Dekripsi metodologi yang digunakan NeoProteomics, Inc.

Gambar 5. Deskripsi contoh aplikasi pada NeoProteomics, Inc.

NeoProteomics juga mengembangkan software ProtMapMS, yang merupakan perangkat lunak untuk membantu analisa struktural pada obat biologis, termasuk di dalamnya kontrol kualitas dari modifikasi pada struktur utama obat, serta analisa struktur tingkat tinggi pada obat tersebut menggunakan pelabelan kovalen.