Использование информационных технологий в молекулярной биологии - Дипломная работа

На каждом этапе работы молекулярный биолог сталкивается с применением информационных технологий. Молекулярная биология изучает такие молекулы как ДНК, РНК и белки. 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.). 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.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: Легко ориентироваться и осуществлять поиск в базе данных молекул и ферментов; 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: Основная программа Vector NTI (Графическая оболочка для работы с базой данных, молекулами, гель-электрофорезом, обеспечивающая интеграцию на уровне данных с другими приложениями Vector NTI Suite); GCG Converter - инструмент в составе Vector NTI Suite, который преобразует последовательности в файл формата GCG, так чтобы их можно было импортировать в Suite;Данная программа находится в свободном доступе в глобальной сети «Интернет». Modeller является наиболее часто используемой программой для гомологического или сравнительного моделирования структуры белков: пользователь предоставляет выровненную последовательность, на основе которой программой будет смоделирована молекула с известными родственными структурами. Трехмерная модель, полученная в программе Modeller при оптимизации функции вероятности молекулярной плотности имеет формат (pdf). Программа Modeller может также выполнять множественное сравнение последовательностей белка и/или структур, объединенных в кластеры белков, и поиска последовательности из баз данных. Программа AUTODOCK позволяет проводить молекулярный докинг с целью поиска локального минимума энергии взаимодействия между лигандом и белком, а также проводить поиск глобального минимума энергии взаимодействия между лигандом и белком, если положение лиганд связывающего центра не определено эксперементально.Такие программы как Vector NTI, SQ позволяют изучать, визуализировать, манипулировать и конструировать биологические молекулы, разрабатывать стратегии клонирования молекул, тем самым в большой степени повышая продуктивность работы молекулярного биолога.

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. Изза 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, изза 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 дизоксирибонуклеиновая кислота программа последовательность

В качестве примера можно привести web-приложение Sequence Manipulation Suite [3]. Данное приложение работает online 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

Современную науку трудно себе представить без информационных технологий. В данной работе были рассмотрены методы использования ИТ в молекулярной биологии. Постановка многих экспериментов в молекулярной биологии была бы крайне затруднительна без использования компьютерных устройств и программного обеспечения. Такие программы как Vector NTI, SQ позволяют изучать, визуализировать, манипулировать и конструировать биологические молекулы, разрабатывать стратегии клонирования молекул, тем самым в большой степени повышая продуктивность работы молекулярного биолога. Также при помощи целого ряда программ, таких RASWIN, Modeller, AUTODOCK возможно не только 3D моделирование макромолекул, но процессов, идущих на молекулярном уровне.

1. Николайчик Е. А., Валентович Л. Н.. SQ -компьютерная программа для редактирования и анализа биологических последовательностей // Труды Белорусск. гос. ун-та. Сер.: Физиологические, биохимические и молекулярные основы функционирования биосистем. 010. -Т.5. -Ч.1. -с.57-67.

2. Rice, P., Longden, I., & Bleasby, A. EMBOSS: the European Molecular Biology Open Software Suite // Trends in Genetics: TIG - 2000. - Vol. 16. - P. 276-277.

3. Sequence Manipulation Suite [Electronic resource] / University of Alberta. - Canada, 2004. - Mode of access: http://sherb.lin.irk.ru/sms2/index.html. - Date of access: 10.12.2010.

4. Хмелько, И. Приложения в составе Vector NTI Suite / Практическая молекулярная биология [Электронный ресурс].- 2007. - Режим доступа: http://molbiol.ru/protocol/09_09a.html. - Дата доступа: 10.12.2010.

5. Хмелько, И. Конструирование молекул / Практическая молекулярная биология [Электронный ресурс].- 2007. - Режим доступа: http://molbiol.edu.ru/review/03_02c.html. - Дата доступа: 15.12.2010.

6. С. Бондаренко, М. Бондаренко. Microsoft Word 2003 в теории и на практике.- Минск: Новое знание, 2004.-336с., ил.

7. М.В. Спека. Microsoft POWERPOINT 2003: самоучитель. - Москва, Санкт-Петербург, Киев: Диалектика, 2004.-363 с., ил.

8. М.С. Шибут Технологии работы с текстами и электронными таблицами: Word, Excel. Минск: общественное объединение «Молодежное научное общество», 2000.-142 с.

9. Genetic Sequence Data Bank NCBI-GENBANK Flat File Release 180.0 [Electronic resource] / National Center for Biotechnology Information - USA, 2010. - Mode of access: ftp://ftp.ncbi.nih.gov/genbank/gbrel.txt.- Date of access: 12.12.2010.

10. Elzanowski, A., Ostell, J. The Genetic Codes // National Center for Biotechnology Information [Electronic resource] - 2010. - Mode of access: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Utils/wprintgc.cgi?mode=c. - Date of access: 12.12.2010.

11. Roberts, R. J., Vincze, T., Posfai, J., & Macelis, D. REBASE-a database for DNA restriction and modification: enzymes, genes and genomes // Nucleic Acids Research - 2010. - Vol. 38. - P. D234-236.

12. SQ: редактор биологических последовательностей для молекулярных биологов // Биологический факультет Белорусск. гос. ун-та [Электронный ресурс].- 2003. - Режим доступа: http://www.bio.bsu.by/sq/about.html. - Дата доступа: 10.12.2010.

13. A Resource for Studying Biological Macromolecules // Protein Data Bank [Electronic resource] - 2008. - Mode of access: http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do. - Date of access: 19.12.2010.

14. Программа Modeller - что это и для чего? // Биоинформатика и познания [Электронный ресурс].- 2009. - Режим доступа: http://www.bioinformatix.ru/modeller/programma-modeller-chto-eto-i-dlya-chego.html. - Дата доступа: 19.12.2010.

15. Mollder [Electronic resource] / Departments of Biopharmaceutical Sciences and Pharmaceutical Chemistry, California Institute for Quantitative Biomedical Research, 2010. - Mode of access: http://salilab.org/modeller/download_installation.html. - Date of access: 19.12.2010.

16. Энгелевский Н. Докинг: определение, виды, методы, проблемы и решения. Программы для докинга / Биоинформатика и познания [Электронный ресурс].- 2009. - Режим доступа: http://www.bioinformatix.ru/drugie-programmyi/doking-opredelenie-vidyi-metodyi-problemyi-i-resheniya.-programmyi-dlya-dokinga.html. - Дата доступа: 19.12.2010.

17. Мартынюк А. Молекулярный докинг: понятие, применение, программы для докинга / Биоинформатика и познания [Электронный ресурс].- 2009. - Режим доступа: http://www.bioinformatix.ru/drugie-programmyi/molekulyarnyiy-doking-ponyatie-sut-programmyi-dlya-dokinga.html. - Дата доступа: 19.12.2010.

18. Практическая молекулярная биология. Сайт является незаменимым для биохимиков, генетиков, микробиологов и молекулярных биологов. Это крупнейшая биологическая база данных. Сайт содержит подробный справочник, который состоит из наиболее важных разделов. Здесь можно найти руководства и рекомендации по выполнению тех или иных операций, подробное описание методов исследования (работа с бактериями, бактериофагами, эукариотическими организмами, дигибридные системы, методы выделения и анализа ДНК про- и эукариотических организмов, работа с белками), методики и расчеты для приготовления растворов, подбор необходимых для исследования ферментов и реактивов. Можно следить за свежими публикациями. Имеются обзоры различных биологических ресурсов и программ, а также ссылки на биологические журналы и гранты биологического профиля. Внимание уделяется также образованию и образовательным ресурсам. Имеются сведения о компаниях и русскоязычных институтах биологического профиля, а также ссылки на полезные web-ресурсы. Также пользователи могут разместить на сайте используемые ими протоколы экспериментов, обзоры и дополнения к уже опубликованным материалам.

19. Информационный сайт-справочник по биологии и медицине. Он включает в себя образовательные материалы, которые могут быть полезны как школьникам, так и студентам биологических факультетов. Помимо образовательной информации, на сайте публикуются биографии известных ученых в области биологии, генетики, физиологии, медицины и многих других.

20. Информационный проект, поддерживаемый русскоязычным биологическим сообществом. Здесь можно найти руководства и рекомендации по выполнению тех или иных операций, подробное описание методов исследования (работа с бактериями, бактериофагами, эукариотическими организмами, дигибридные системы, методы выделения и анализа ДНК про- и эукариотических организмов, работа с белками), методики и расчеты для приготовления растворов, подбор необходимых для исследования ферментов и реактивов. Можно следить за свежими публикациями. Имеются обзоры различных биологических ресурсов и программ, а также ссылки на биологические журналы и гранты биологического профиля. На этом сайте есть форум для его пользователей, в котором можно получить ответы на многие интересующие вопросы, касающиеся материалов представленных на данном сайте.

21. PUBMED - текстовая база данных медицинских публикаций на английском языке, на основе раздела биотехнология национальной медицинской библиотеки США (National Library of Medicine, NLM). База данных была разработана национальным центром биотехнологической информации (National Center for Biotechnology Information, NCBI). PUBMED является бесплатной версией базы данных MEDLINE. PUBMED документирует медицинские статьи из специальной литературы, а также дает ссылки на полнотекстовые статьи. PUBMED включает в себя данные из разделов медицина, стоматология, ветеринария, общее здравоохранение, психология, биология, генетика, биохимия, цитология, биотехнология, биомедицина и т.д. Документированно около 3.800 биомедицинских изданий. Ежегодно база данных PUBMED увеличивается на 500.000 документов. Поиск в базе данных журналов можно осуществлять по предмету или по названию журнала, по сокращенному названию, аббревиатуре ISO и другим параметрам.

22. Search Launcher организован Baylor College of Medicine. Сайт предоставляет возможность проводить различные молекулярно-биологические анализы или поиски со стандартного и очень простого интерфейса. На сервере можно выполнять простые преобразования последовательностей. Есть возможность организовать анализ многих последовательностей одновременно. Ресурс просто незаменим для тех, кто не чувствует себя большим мастером по анализу последовательностей.

23. Более 4000 ссылок на биологические и медицинские журналы содержится на "science.komm" (там же удобные ссылки на полнотекстовые источники, словари, базы данных по абстрактам и т.п.). По web-ссылке вы попадаете на сайт конкретного журнала. На многих журналах можно подписаться на рассылку оглавления по E-mail.

24. Web-приложение Sequence Manipulation Suite, включающее в себя ряд полезных программ для работы молекулярного биолога. Сайт предоставляет возможность проводить различные молекулярно-биологические анализы.

25. Сайт, посвященный биоинформатике, геномике, протеомике. На сайте публикуются статьи по этим тематикам. Кроме того, на данном сайте можно найти описание различных программ, используемых в биологии.

26. Scirus - наиболее полная поисковая система для ученых в Интернете. Основанный на последних поисковых технологиях, он ищет более, чем в 300 миллионах определенных для науки Web-страницах, позволяя пользователям быстро находить: научные, медицинские и технические сведения; последние публикации; рецензируемые журналы; патенты и журналы, которые обычно пропускают другие поисковые системы. Эта поисковая система обращает внимание только на те Web-страницы, которые содержат научную информацию.

27. Этот сайт секции библиотеки Стэнфордского университета предлагает вниманию пользователей огромную базу материалов, которые можно загрузить бесплатно в полном объеме. Источниками предлагаемых статей являются 975 журналов. Читатели имеют возможность доступа к полным текстам почти 1 435 924 статей, которые перед публикацией получили рецензию экспертов. Возможен быстрый поиск и расширенный поиск (по авторам статей, названиям, цитатам, ключевым словам и т.д.).

Граф научных интересов

Специальность «биология»

Смежные специальности 03.00.23 - биотехнология Генетические, селекционные и иммунологические исследования, изучение новых методов молекулярного клонирования генов для целей производства. Конструирование векторов, генов, рекомбинантных ДНК, гибридомная технология. Биотехнологии животных и растительных клеток; иммунная биотехнология. Генноинженерные методы воспроизводства и селекции животных, получение трансгенных организмов. 03.00.15 - генетика Генетика биологических систем in vitro. Генетика клеточной дифференцировки. Экспрессия генов в культуре in vitro. Процессы андрогенеза и гиногенеза. Закономерности и механизмы изменчивости, индуцированной условиями in vitro. Создание нового генетического материала биотехнологическим и методами. Основная специальность 03.00.26-молекулярная генетика Экспрессия генов и ее регуляция. Гены и регуляторные структуры, определяющие процессы транскрипции и трансляции. Конструирование рекомбинантных молекул ДНК, синтез генов. Молекулярные методы идентификации трансгенов, их экспрессия в генетически модифицированных организмах Сопутствующие специальности 03.00.15 - микробиология Выделение, культивирование и идентификация микроорганизмов.

Тестовые вопросы по основам информационных технологий

01 Каким тегом определяет абзац текста: p n a br

02 Программа, с помощью которой нельзя рестрикционный анализ нуклеотидной последовательности: Restriction Summary

Visual Cloning 2000

SQ

RASWIN

Презентация магистерской диссертации

Размещено на .ru