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计算机在生物信息学中的应用

更新时间:2015-9-19:  来源:毕业论文

计算机在生物信息学中的应用
摘要:生物信息学是一门新兴的、正在迅速发展的交叉学科,它不仅对认识生物体的起源与进化研究有重要意义,而且还可以为人类诊断疾病及物种的改良提供一定的理论依据。生物研究过程中产生的海量数据又需要具有数据处理和分析能力的大容量、高性能的超级计算机的支持,因此计算机技术在生物信息学的研究中显得尤为重要,本文就简单介绍了计算机在生物信息学研究中的哪些方面起到了不可忽略的作用。
论文关键词:生物信息学,计算机科学,基因组学
  一. 序列比对
  序列比对其意义是从核酸、氨基酸的层次来比较两个或两个以上符号序列的相似性或不相似性,进而推测其结构功能及进化上的联系。研究序列相似性的目的是通过相似的序列得到相似的结构或功能,也可以通过序列的相似性判别序列之间的同源性,推测序列之间的进化关系。序列比对是生物信息学的基础,非常重要。
  序列比对中最基础的是双序列比对,双序列比较又分为全局序列比较和局部序列比较,这两种比较均可用动态程序设计方法有效解决。在实际应用中,某些在生物学上有重要意义的相似性不是仅仅分析单条序列,只能通过将多个序列对比排列起来才能识别。比如当面对许多不同生物但蛋白质功能相似时,我们可能想知道序列的哪些部分是相似的,哪些部分是不同的,进而分析蛋白质的结构和功能。为获得这些信息,我们需要对这些序列进行多序列比对。多重序列比对算法有动态规划算法、星形比对算法、树形比对算法、遗传算法、模拟退火算法、隐马尔可夫模型等,这些算法都可以通过计算机得以解决。
  二. 数据库搜索
  随着人类基因组计划的实施,实验数据急剧增加,数据的标准化和检验成为信息处理的第一步工作,并在此基础上建立数据库,存储和管理基因组信息。这就需要借助计算机存储大量的生物学实验数据,通过对这些数据按一定功能分类整理,形成了数以百计的生物信息数据库,并要求有高效的程序对这些数据库进行查询,以此来满足生物学工作者的需要。数据库包括一级数据库和二级数据库,一级数据库直接来源于实验获得的原始数据,只经过简单的归类整理和注释;二级数据库是对基本数据进行分析、提炼加工后提取的有用信息。
  分子生物学的三大核心数据库是GenBank核酸序列数据库,SWISS-PROT蛋白质序列数据库和PDB生物大分子结构数据库,这三大数据库为全世界分子生物学和医学研究人员了解生物分子信息的组织和结构,破译基因组信息提供了必要的支撑。但是用传统的手工分析方法来处理数据显然已经无法跟上新时代的步伐,对于大量的实验结果必须利用计算机进行自动分析,以此来寻找数据之间存在的密切关系,并且用来解决实际中的问题。
  三. 基因组序列分析
  基因组学研究的首要目标是获得人的整套遗传密码,要得到人的全部遗传密码就要把人的基因组打碎,测完每个小的序列后再把它们重新拼接起来。所以目前生物信息学的大量工作是针对基因组DNA序列的,建立快速而又准确的DNA序列分析方法对研究基因的结构和功能有非常重要的意义。对于基因组序列,人们比较关心的是从序列中找到基因及其表达调控信息,比如对于未知基因,我们就可以通过把它与已知的基因序列进行比较,从而了解该基因相关的生理功能或者提供疾病发病机理的信息,从而为研发新药或对疾病的治疗提供一定的依据,使我们更全面地了解基因的结构,认识基因的功能。因此,如何让计算机有效地管理和运行海量的数据也是一个重要问题。
  四. 蛋白质结构预测
  蛋白质是组成生物体的基本物质,几乎一切生命活动都要通过蛋白质的结构与功能体现出来,因此分析处理蛋白质数据也是相当重要的,蛋白质的生物功能由蛋白质的结构所决定,因此根据蛋白质序列预测蛋白质结构是很重要的问题,这就需要分析大量的数据,从中找出蛋白质序列和结构之间存在的关系与规律。
  蛋白质结构预测分为二级结构预测和空间结构预测,在二级结构预测方面主要有以下几种不同的方法:①基于统计信息;②基于物理化学性质;③基于序列模式;④基于多层神经网络;⑤基于图论;⑥基于多元统计;⑦基于机器学习的专家规则;⑧最邻近算法。目前大多数二级结构预测的算法都是由序列比对算法BLAST、FASTA、CLUSTALW产生的经过比对的序列进行二级结构预测。虽然二级结构的预测方法其准确率已经可以达到80%以上,但二级结构预测的准确性还有待提高。
  在实际进行蛋白质二级结构预测时,往往会把结构实验结果、序列比对结果、蛋白质结构预测结果,还有各种预测方法结合起来,比较常用的是同时使用多个软件进行预测,把各个软件预测结果分析后得出比较接近实际的蛋白质二级结构。将序列比对与二级结构预测相结合也是一种常见的综合分析方法。
  蛋白质二级结构指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式。二级结构主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角等几种形式,它们是构成蛋白质高级结构的基本要素,常见的二级结构有α-螺旋和β-折叠。三级结构是在二级结构的基础上进一步盘绕,折叠形成的。研究蛋白质空间结构的目标是为了了解蛋白质与三维结构的关系,预测蛋白质的二级结构预测只是预测蛋白质三维形状的第一步,蛋白质折叠问题是非常复杂的,这就导致了蛋白质的空间结构预测的复杂性。蛋白质三维结构预测方法有:同源模型化方法、线索化方法和从头预测的方法但是无论用哪一种方法,结果都是预测,采用不同的算法,可能产生不同的结果,因此还需要研究新的理论计算方法来预测蛋白质的三维结构。
  计算机科学
  图4.1 蛋白质结构
  目前,已知蛋白质序列数据库中的数据量远远超过结构数据库中的数据量,并且这种差距会随着DNA序列分析技术和基因识别方法的进步越来越大,人们希望产生蛋白质结构的进度能够跟上产生蛋白质序列的速度,这就需要对蛋白质结构预测发展新的理论分析方法,目前还没有一个算法能够很好地预测出一个蛋白的三维结构形状,蛋白质的结构预测被认为是当代计算机科学要解决的最重要的问题之一,因此蛋白质结构预测的算法在分子生物学中显得尤为重要。
  五.结束语
  现如今计算机的发展已渗透到各个领域,生物学中的大量实验数据的处理和理论分析也需要有相应的计算机程序来完成,因此随着现代科技的发展,生物技术与计算机信息技术的融合已成为大势所趋。生物学研究过程中产生的海量数据需要强有力的数据处理分析工具,这样计算机科学技术就成为了生物科学家的必然选择,虽然人们已经利用计算机技术解决了很多生物学上的难题,但是如何利用计算机更好地处理生物学中的数据仍是一个长期而又复杂的课题。

参考文献:
1. 孙啸,陆祖宏,谢建明.生物信息学基础[M].清华大学出版社,2005.http://www.lwfree.cn/
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