Использование нформационных технологий в молекулярной биологии
Скачать 225.32 Kb.
|
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Выпускная работа по «Основам информационных технологий» Магистрант кафедры молекулярной биологии Бадалян Ольга Руководители: доцент Николайчик Евгений Артурович, Ph. D., ст. преподаватель Шешко Сергей Михайлович Минск – 2010 г. ОГЛАВЛЕНИЕ ОГЛАВЛЕНИЕ 2 СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ КО ВСЕЙ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЕ 3 РЕФЕРАТ НА ТЕМУ «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ» 4 Введение 4 Глава 1 Анализ последовательностей ДНК 4 1.1 WEB-приложения, используемые для анализа последовательностей ДНК 6 1.2 Приложения в составе Vector NTI Suite 6 1.3 Компьютерная программа SQ для редактирования и анализа биологических последовательностей 10 Глава 2 Моделирование макромолекул и процессов протекающих на молекулярном уровне 12 2.1 Программа RasWin для просмотра 3D молекул 12 2.2 Программа Modeller для моделирования макромолекул. 13 2.3 Использование программы AutoDock для моделирования молекулярных процессов 14 Заключение 16 Список литературы к реферату 16 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ К РЕФЕРАТУ 19 ИНТЕРНЕТ РЕСУРСЫ В ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ 20 ДЕЙСТВУЮЩИЙ ЛИЧНЫЙ САЙТ В WWW 23 ГРАФ НАУЧНЫХ ИНТЕРЕСОВ 24 ТЕСТОВЫЕ ВОПРОСЫ ПО ОСНОВАМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 25 ПРЕЗЕНТАЦИЯ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ 26 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ВЫПУСКНОЙ РАБОТЕ 28 СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ КО ВСЕЙ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЕ
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ» Введение Современная молекулярная биология и молекулярная генетика определяют развитие как фундаментальной, так и прикладной биологии. Огромное разнообразие подходов к решению задач исследований требует все более точных и быстрых методов анализа. Эффективность исследований зависит от нескольких параметров, основополагающими из которых, являются техническое оснащение лаборатории и освоение новых методических подходов. На каждом этапе работы молекулярный биолог сталкивается с применением информационных технологий. Молекулярная биология изучает такие молекулы как ДНК, РНК и белки. Такие объекты изучения нельзя потрогать руками, нельзя увидеть невооруженным глазом. Поэтому практически все методы, которые используются в молекулярной биологии, связаны с использованием информационных технологий (ИТ). Любой молекулярно-биологический эксперимент можно разделить на три стадии: планирование эксперимента, его проведение и анализ полученных результатов. На той или иной стадии молекулярный биолог сталкивается с использованием ИТ-инструментов, будь то пакет Microsoft Office и глобальная сеть «Интернет» или же программное обеспечение для приборов, используемых в молекулярно-биологической лаборатории (амплификаторы в режиме реального времени, секвенаторы, системы гель-документации, спектрофотометры и др.). Также стоит отметить применение различных графических редакторов и программ для моделирования не только макромолекул, но и целых процессов протекающих на молекулярном уровне. Глава 1 Анализ последовательностей ДНК Молекулярная биология – это комплекс биологических наук, изучающих механизмы хранения, передачи и реализации генетической информации, строение и функции нерегулярных биополимеров (белков и нуклеиновых кислот). Поскольку ДНК является материальным носителем генетической информации, молекулярная биология значительно сблизилась с генетикой, и на стыке образовалась молекулярная генетика, являющаяся одновременно разделом генетики и молекулярной биологии. Для анализа генетической информации привлекается вычислительная техника, в связи с чем появились новые направления молекулярной генетики, которые иногда считают особыми дисциплинами: биоинформатика, геномика и протеомика. Анализ последовательностей биологических макромолекул (ДНК, РНК, белков) является существенной частью повседневной работы современного биолога. Из-за большого размера макромолекул в подавляющем большинстве случаев такой анализ требует использования специализированных программ для просмотра аннотированных последовательностей, выявления интересующих исследователя функциональных участков, рестрикционного анализа, подбора праймеров для ПЦР и т.д. Кроме того, планирование молекулярно-биологических экспериментов in silico перед их реальной постановкой in vitro способно сэкономить время, средства и помочь избежать ошибок[1]. В связи с большим разнообразием возможных вариантов анализа последовательностей ДНК и потребностей молекулярных биологов в настоящее время существует значительное количество компьютерных программ, в той или иной степени эти потребности удовлетворяющих. Существующие программные решения можно разделить на две группы: крупные программные пакеты, способные выполнять всесторонний анализ последовательностей ДНК, и специализированные программы, предназначенные для решения конкретной частной проблемы. В первом случае речь идет, как правило, о наборе небольших программ (например, пакет EMBOSS [2]) суммарно представляющих мощный аналитический инструмент, который, однако, из-за слабой связи этих программ между собой и нестандартного интерфейса не очень удобен для молекулярного биолога, не специализирующегося в области биоинформатики. Программы второй группы имеют, как правило, более привычный простой графический интерфейс и должны быть удобнее в работе (при условии реализации всех необходимых для пользователя функций). Также существуют различные web-приложения, среди которых можно, наверное, найти программы для всех мыслимых вариантов анализа последовательностей биологических макромолекул, но подавляющее большинство таких приложений является слишком узкоспециализированными[1]. 1.1 WEB-приложения, используемые для анализа последовательностей ДНК В качестве примера можно привести web-приложение Sequence Manipulation Suite [3]. Данное приложение работает on-line и включает в себя множество различных программ (более 50), которые значительно облегчают работу молекулярного биолога. Так, например, программа Restriction Summary (рисунок 1.1) позволяет быстро определить ферменты, разрезающие определенную последовательность ДНК; программа Reverse Translate преобразует аминокислотную последовательность белков в кодирующую данный белок нуклеотидную последовательность ДНК. Программа DNA Stats при вводе нуклеотидной последовательности ДНК и РНК определяет количество каждого азотистого основания в последовательности, а также процентное соотношение нуклеотидов и пар нуклеотидов, что может быть очень полезным для расчета температуры отжига праймеров. Преимуществом данного web-приложения является его доступность и широкий выбор программ. Однако существует и ряд недостатков. Данное приложение не позволяет одновременно выполнять в одном окне несколько программ. Еще одним недостатком может быть то, что приложение Sequence Manipulation Suite доступно только на английском языке.  Рисунок 1.1 – программа Restriction Summary в web-приложении Sequence Manipulation Suite. 1.2 Приложения в составе Vector NTI Suite Vector NTI Suite – это достаточно удобный набор программных инструментов, предназначенных главным образом для анализа последовательностей. Инструменты разработаны компанией InfoMax Inc. для специалистов в области молекулярной биологии и позволяют изучать, визуализировать, манипулировать и конструировать биологические молекулы, а также хранить и предоставлять доступ к информации об этих молекулах [4]. При помощи инструментов Vector NTI Suite можно делать следующее:
Vector NTI позволяет генерировать протоколы для клонирования и амплификации, разрабатывать пробы и праймеры, расcчитывать фрагменты рестрикции и симулировать гель-электрофорез. Приложения Vector NTI Suite обеспечивают молекулярный анализ, выравнивание и сборку последовательностей из фрагментов. К базовым приложениям Vector NTI Suite следует отнести следующие программы и инструменты:
В терминах Vector NTI, конструирование – это создание молекул из полностью предопределенных фрагментов, сочетание которых определяется пользователем программы. Конструирование молекулы ДНК выполняется по следующей схеме:
Молекула ДНК может быть собрана из различных типов фрагментов – из фрагментов существующих молекул, линкеров, адаптеров и т.п. (рисунок 1.2). Значительная часть работы при конструировании молекул - это определение фрагментов, описание линкеров и адаптеров занимает значительно меньше времени. К счастью, в составе Vector NTI есть специальный инструмент – Мастер фрагментов (Fragment Wizard), который "руководит" пользователем в процессе описания нового фрагмента и обеспечивает быстроту и прозрачность процедуры [5].  Рисунок 1.2 – Пример сконструированной плазмидной молекулы на основе векторов pUC19 и pBR322 в программе Vector NTI [5]В дополнении к Fragment Wizard для определения фрагментов можно использовать Редактор фрагментов (Fragment Editor). С помощью редактора легко описываются любые фрагменты, однако наиболее эффективно он может быть использован при определении линкеров и адаптеров. Кроме конструирования, в рамках инструментария Vector NTI для создания и добавления новой молекулы в базу данных существует целый ряд возможностей, в частности:
Молекулы, которые собраны из фрагментов, в терминах Vector NTI называются сконструированными молекулами. Молекулы, описание которых импортировано или составлено вручную, называются базовыми молекулами, т.к. они записываются в базу данных как нечто целое в противовес сконструированным молекулам, для которых вместе с общими данными записывается информация об исходных фрагментах [5]. 1.3 Компьютерная программа SQ для редактирования и анализа биологических последовательностей Приложение SQ было разработано преподавателями кафедры молекулярной биологии биологического факультета БГУ, доцентом, к.б.н. Николайчиком Е. А. и к.б.н. Валентовичем Л.Н. SQ – редактор последовательностей ДНК, предназначенный для создания, редактирования и анализа последовательностей ДНК, а также для моделирования экспериментов молекулярного клонирования и ПЦР. Простота и удобство интерфейса были одной из основных целей при разработке программы SQ. Для достижения этой цели в SQ реализованы поддержка альтернативных языков интерфейса, удобная панель инструментов и использование вкладок вместо отдельных окон для отображения результатов анализа последовательности (рисунок 1.3).  Рисунок 1.3 – Интерфейс компьютерной программы SQПрограмма SQ использует классификацию стандартных функциональных участков последовательностей ДНК, принятую в формате GenBank [6] и таблицы генетического кода [7], опубликованные на сайте NCBI. При помощи программы SQ можно выполнить следующие операции:
Процедуры рестрикционного анализа используют базу данных REBASE [8]. Связанные с рестрикцией функции доступны через многие элементы интерфейса программы: через панель инструментов, стандартное меню, контекстные меню основного окна и вспомогательного окна "Ферменты". Последнее окно содержит список доступных ферментов, представляющий собой выборку из рестрикционных эндонуклеаз, описанных в базе данных REBASE [2]. Меню "Рестрикция" позволяет редактировать этот список, а также создавать/редактировать наборы ферментов. Также графическая карта предоставляет некоторые дополнительные возможности по сравнению с простым рестрикционным анализом[1]. Виртуальное клонирование позволяет моделировать реальные эксперименты по молекулярному клонированию. Последовательности рекомбинантных плазмид, которые можно создать с помощью этой методики, облегчают документацию экспериментов по молекулярному клонированию, а также помогают оценить размеры фрагментов рестрикции, ожидаемых при проверке рекомбинантных клонов[1]. Программа SQ является сегодня единственной, предназначенной для анализа нуклеотидных последовательностей и симуляции молекулярного клонирования программой с русскоязычными (а также белорусскоязычными) интерфейсом и документацией. Несмотря на то, что программа SQ уступает по своим функциональным возможностям аналогичным коммерческим продуктам, она превосходит большинство из них по удобству пользования (и, естественно, цене).Программа SQ распространяется свободно и не имеет ограничений по ее использованию. Последняя версия программы и вспомогательные файлы доступны для загрузки на официальном сайте проекта SQ [9]. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Рабочая программа по дисциплине в основы молекулярной биологии Целью изучения дисциплины «Основы молекулярной биологии» соответствуют следующим целям ооп |  | Характеристика молекулярной патологии в увеальных меланомах Работа выполнена в лаборатории молекулярной генетики человека нии молекулярной медицины Московской медицинской академии им. И. М.... |
| Практическое использование информационных технологий при обучении химии и биологии | | “Плесневые грибы и дрожжи” Использование современных образовательных технологий в процессе обучения биологии |
| Рабочая программа дисциплины дисциплина б. 1 «Современные проблемы биологии» Целью изучения дисциплины является формирование представлений об актуальных проблемах, перспективных направлениях развития и достижениях... | | Использование средств новых информационных технологий (снит) на уроках биологии Адрес: 303804, Орловская область, Ливенский район, с. Речица, ул. Центральная,д. 44 Телефон: 6-31-63 |
| Использование информационных технологий в городской прессе Использование информационных технологий уп «Агентство «Минск-Новости»» 6 | | Использование информационно-коммуникационных технологий на уроке Использование новых информационных коммуникационных технологий, Интернет-ресурсов помогают реализовать личностно-ориентированный... |
| Век активного использование информационных технологий Все чаще и чаще учителя стараются внедрять на своих уроках мультимедийное сопровождение. Так в нашей школе активный интерес к использованию... | | Использование информационных технологий обучения на уроках химии и биологии Государственное образовательное автономное учреждение начального профессионального образования «Профессиональный технический лицей... |
| Использование информационно-коммуникационных технологий в образовательном процессе доу Использование мультимедийных технологий в учебно-воспитательном процессе в дошкольном образовательном учреждении – одна из самых... | | Применение технологий cuda и mpi к решению задач молекулярной динамики Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича со ран, 630090, Новосибирск |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Тема: «Использование информационных технологий на уроках биологии как способ повышения мотивации к изучению предмета» | | Использование информационных технологий в начальной школе Интенсификация обучения на основе схемных и знаковых моделей учебного материала (по В. Ф. Шаталову). Опыт работы учителя биологии... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Фестиваль «Использование информационных технологий в образовательной деятельности» проводится традиционно ежегодно. Организаторами... | | Тема урока «Кислород» Как химический элемент кислород образует две аллотропных модификации – кислород с молекулярной формулой О2 и озон с молекулярной... |
