計算機在生命科學中的應用公開課獲獎課件

計算機在生命科學中應用講述計算機在生命科學中應用共性問題詳細內(nèi)容：生命科學中數(shù)值措施、生物記錄學、生命科學試驗數(shù)據(jù)處理、生命科學中數(shù)學模型及其求解、生命科學試驗設計、生物信息學、生命科學中常用軟件等幾種部分。重要應用MATLAB為計算工具。第1頁課程教學安排總課時：54課時其中：課堂教學/32課時，上機練習/16課時(生物樓三樓機房),大作業(yè)/6課時成績評估：平時成績50%，考試成績50%教材：《計算機在生命科學中應用》參照書籍：計算機數(shù)值措施、MATLAB、生物記錄學、回歸分析、數(shù)學建模、生物信息學等有關書籍第2頁計算機與生命科學結合用計算機技術（數(shù)學措施）研究和處理生命科學問題。生命科學問題數(shù)量化用生物物質(zhì)制造計算機，處理計算機發(fā)展存在問題（寄存和計算速度）。DNA計算機蛋白質(zhì)計算機第3頁年交大科技消息1/1/30-“Science”刊登了簽名“中國SARS分子流行病學協(xié)作課題組”論文“中國SARS流行期間SARS冠狀病毒分子進化”論文將/期間SARS流行劃分為早、中、晚三期進行分析，揭開沙斯分子流行病學之謎，破解了沙斯冠狀病毒變異和進化規(guī)律。第4頁重要內(nèi)容課題組完畢了來自廣東和香港SARS發(fā)展各階段24個病人18株SARS冠狀病毒及11份含病毒生物樣品病毒基因組全序列測定，結合已經(jīng)公開其他32條人類SARS冠狀病毒及2條果子貍SARS樣冠狀病毒基因組全序列進行生物信息學分析，研究SARS冠狀病毒在流行過程中分子變異規(guī)律。通過進化模型計算獲得了一系列關鍵基礎數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)SARS冠狀病毒基因組中性突變率是穩(wěn)定，認識到了SARS冠狀病毒基因組各重要片段對于環(huán)境選擇壓力不一樣樣響應及其與SARS流行過程有關性。第5頁交大科技消息2上海交大和中科院上海營養(yǎng)科學研究所協(xié)作攻關，在試管中完畢了DNA計算機雛形研制工作，在試驗上把自動運行與表面DNA計算結合到了一起。這在中國屬初次，有關論文已刊登在中國《科學通報》49卷第1期英文版上。第6頁重要內(nèi)容采用雙色熒光標識對輸入與輸出分子進行同步檢測，用測序儀對自動運行過程進行實時監(jiān)測，用磁珠表面反應法固化反應提高可控性操作技術等，以至最終在一定程度上完畢模擬電子計算機處理0、1信號功能第7頁生物計算機DNA計算機把二進制數(shù)翻譯成遺傳密碼片段，每個片段就是一種鏈。對問題以新DNA編碼形式加以解答。蛋白質(zhì)計算機運用分子內(nèi)電子或質(zhì)子傳遞、狀態(tài)變化等原理制備蛋白質(zhì)晶片替代既有芯片。生物計算機長處首先是體積小，寄存信息量大。另一方面，這種電腦運算速度極快。第三是最大限量減少能耗，DNA電腦能耗，僅為一般電腦十億分之一。第8頁生物數(shù)學生物數(shù)學是生物學與數(shù)學之間邊緣學科。它以數(shù)學措施研究和處理生物學問題，并對與生物學有關數(shù)學措施進行理論研究。生物數(shù)學分支學科較多，從生物學應用去劃分，有數(shù)量分類學、數(shù)量遺傳學、數(shù)量生態(tài)學、數(shù)量生理學和生物力學等；從研究使用數(shù)學措施劃分，又可分為生物記錄學、生物信息論、生物系統(tǒng)論、生物控制論和生物方程等分支。第9頁生物數(shù)學生物學遺傳學生態(tài)學生理學生物動力學生物分類學等數(shù)學記錄學線性代數(shù)信息論微分方程概率論積分變換等計算機第10頁生物數(shù)學發(fā)展過程1901——Pearson,“生物記錄學雜志”1920s——Rashevsky,Lotka,生物方程、生物數(shù)學模型1940s——計算機產(chǎn)生，數(shù)量分類學、生物控制論、信息論隨之產(chǎn)生1970s——數(shù)學各項內(nèi)容應用于生物學，包括經(jīng)典數(shù)學、應用數(shù)學1990s——生物信息處理s——計算生物學、生物數(shù)學復雜模型等第11頁.

SCIENCEVOL303：6FEBRUARY第12頁IntroductoryScienceandMathematicsEducation

for21st-CenturyBiologists

WilliamBialekandDavidBotsteinGalileowrotethat“thebookofnatureiswritteninthelanguageofmathematics”;Nearly400yearslater,thefragmentedteachingofscienceinouruniversitiesstillleavesbiologyoutsidethequantitativeandmathematicalculturethathasetodefinethephysicalsciencesandengineering.第13頁BialekandBotsteinproposeincorporatingmathematicalandquantitativeapproachesintobiologicalsciencescurricula,notmerelyasprerequisitecoursestobesufferedasariteofpassagebutasfull-fledgedponentsofthetrainingofacontemporaryscientist.第14頁第一章緒論第一節(jié)計算機在生命科學中應用一、應用現(xiàn)實狀況1、計算機在生命科學領域中應用普遍，計算機已廣泛應用于微生物學、遺傳學、生態(tài)學、醫(yī)學、人口學、藥物動力學、生理學、分子生物學等領域。2、生物信息學、數(shù)值措施、數(shù)據(jù)模型化、最優(yōu)化試驗設計等在生命科學中越來越顯示出強有力作用。3、生命科學領域中計算機應用起步較晚，重要由于生命過程非常復雜，影響原因眾多，內(nèi)在機理研究難以深入。第15頁生物產(chǎn)物形成中細胞代謝與環(huán)境變化過程第16頁第17頁帶有計算機數(shù)據(jù)采集與控制生物反應器系統(tǒng)第18頁第19頁雙向凝膠電泳圖第20頁酵母完整基因表達圖譜第21頁計算機在生命科學中應用類型

1、計算機在生命科學領域數(shù)據(jù)采集。試驗數(shù)據(jù)在線檢測，如常規(guī)溫度、壓力、pH值、溶氧濃度；生物醫(yī)學中葡萄糖濃度、腦電流等生物電信號；試驗數(shù)據(jù)離線檢測，如蛋白質(zhì)濃度和DNA、RNA等核酸濃度測定，生物特性物質(zhì)檢測，生物種群數(shù)目旳識錄等。由于生物數(shù)據(jù)量大面廣，依托老式人工采集數(shù)據(jù)措施已不能適應需要。第22頁第23頁第24頁應用現(xiàn)實狀況2、計算機對生命科學試驗數(shù)據(jù)處理包括生命科學中多種試驗數(shù)據(jù)處理，生命科學數(shù)學模型建立和求解，運用數(shù)學模型對試驗控制和試驗監(jiān)測，試驗跟蹤生物量、生物參數(shù)，以及生命科學和生物工程試驗設計包括最優(yōu)化試驗設計。如將所測定DNA序列對應光譜數(shù)據(jù)進行整頓和處理后確定核苷酸位置；放射性示蹤物在生物分子中研究應用；運用計算機按分子量大小或其他特性自動分離生物物質(zhì)；運用計算機對生物工廠進行工藝優(yōu)化設計，對試驗測量值誤差自動分析處理等。第25頁第26頁cDNAmicroarrayexpressionpatternsofsmall(S)andlarge(L)neurons第27頁應用現(xiàn)實狀況3、計算機在生物信息學應用計算機對生物信息處理是數(shù)據(jù)處理中一種特殊部分，生物信息學已成為一種單獨應用領域。生物信息學是以計算機為工具對生物信息進行儲存、檢索、傳播和分析科學，包括范圍很廣。其研究重點一般為兩個方面，即基因組學(Genomics)和蛋白質(zhì)組學(Proteomics)。它們包括對核酸和蛋白質(zhì)序列信息獲取、分析和寄存，數(shù)據(jù)查詢和校對等，包括對大量基因組數(shù)據(jù)、蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)信息，如GenBank、生物分子構造數(shù)據(jù)庫MMDB，以及生物類文獻，如MEDLINE和BA（BiologicalAbstract）數(shù)據(jù)庫檢索等。第28頁基因序列同源性比較第29頁應用現(xiàn)實狀況4、計算機數(shù)值措施在生命科學中應用實際上試驗數(shù)據(jù)處理，包括生物信息學數(shù)據(jù)處理都是以數(shù)值措施和記錄學知識為基礎?，F(xiàn)代生命科學提出了相稱多數(shù)學問題及復雜數(shù)學模型，包括到許多非線性代數(shù)或微分方程，這些方程常常是大量耦合。對于此類復雜數(shù)學模型研究，經(jīng)典數(shù)學解析法是無能為力，必須借助數(shù)值措施應用計算機求解。計算機數(shù)值法在生命科學領域內(nèi)占有極其重要地位，是現(xiàn)代生命科學技術發(fā)展增進原因。第30頁應用現(xiàn)實狀況5、計算機用于生物工程和生命活動過程控制和過程監(jiān)督。如發(fā)酵工程中，控制方式有人工控制和計算機控制兩種，但目前大部分還是人工控制或半人工控制為主，包括經(jīng)典自動控制、次序控制、模擬控制等。計算機全自動控制能直接實現(xiàn)人機對話，運用系統(tǒng)數(shù)學模型實現(xiàn)過程優(yōu)化，如醫(yī)學上人工血液輸送系統(tǒng)（人工心臟等）控制。第31頁本課程內(nèi)容生物信息學生命科學中數(shù)值措施生物記錄學生命科學試驗數(shù)據(jù)處理生命科學中數(shù)學模型及其求解生命科學試驗設計生命科學中常用軟件實例包括到生命科學中各個領域第32頁課程內(nèi)容——數(shù)值措施重要簡介怎樣掌握多種數(shù)值計算技巧，運用計算機處理實際計算問題，學習重點放在多種算法應用，學以致用。學習關鍵不僅在于能從原理上理解多種算法，并且更重要是在于合理選擇和應用這些算法去解題。數(shù)值措施基本內(nèi)容包括非線性方程求根、代數(shù)方程組求解、插值法、數(shù)值積分、常微分方程及其方程組求解等。第33頁課程內(nèi)容——數(shù)學模型數(shù)學模型長處：定量、簡便、計算機應用在生命科學中，老式研究措施如經(jīng)驗歸納法等已不能滿足學科發(fā)展需要，在工程上數(shù)學模型已成為一種重要研究措施?，F(xiàn)代生命科學發(fā)展越來越多地規(guī)定用數(shù)學措施對生命過程進行定量研究，建立數(shù)學模型，以揭示生命現(xiàn)象本質(zhì)。第34頁課程內(nèi)容——數(shù)據(jù)處理和試驗設計數(shù)據(jù)處理和試驗設計是一門綜合性學科，它和生命科學相結合，被詳細用于生命科學試驗數(shù)據(jù)處理、生命科學建模和生命科學中試驗設計，對生命科學發(fā)展發(fā)揮了積極作用。詳細內(nèi)容包括生命科學試驗數(shù)據(jù)誤差及其分布、試驗數(shù)據(jù)常用處理措施、生命科學中數(shù)學模型建立措施以及生命科學中常見數(shù)學模型。試驗數(shù)據(jù)回歸分析及其檢查，試驗數(shù)據(jù)常用設計措施、回歸正交設計和序貫試驗設計。第35頁本課程學習目旳探索生命科學中試驗數(shù)據(jù)變化規(guī)律，提高分析數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)能力。理解和掌握計算機在生命科學數(shù)據(jù)處理與分析、試驗數(shù)據(jù)模型化中應用基本思想和措施。理解生命科學某些有關軟件。第36頁第二節(jié)生命科學中常用計算機軟件概述生命科學中各個領域以及和生命科學相交叉各學科，均開發(fā)了多種應用軟件；如用于數(shù)值計算MATLAB軟件、藥物設計分子構型軟件、微生物發(fā)酵工程中控制軟件、生物醫(yī)學仿真軟件、計算機輔助設計AUTOCAD等。從網(wǎng)絡資源來看，提供有關新聞、數(shù)據(jù)庫服務、應用軟件和軟件在線服務、算法等。第37頁GCG軟件生物信息學中使用較廣軟件。GCG(GeneticsComputerGroup)重要是提供一種計算機集成環(huán)境，它將大量序列分析和數(shù)據(jù)庫搜索程序集成在一起，可以訪問多種不一樣樣來源序列數(shù)據(jù)庫。它提供集成環(huán)境SeqLab（圖形顧客界面）是WisconsinPackage一部分。WisconsinPackage則是一種綜合性序列分析程序，由120多種獨立程序構成，顧客為適應不一樣樣規(guī)定，可對其程序進行組合使用。第38頁GCGGCG支持5種數(shù)據(jù)庫供WisconsinPackage使用，分別是2種核酸數(shù)據(jù)庫和3種蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫。2種核酸數(shù)據(jù)庫是GenBank數(shù)據(jù)庫和EMBL核酸序列數(shù)據(jù)庫。這兩種數(shù)據(jù)庫也可被組合成為一種庫，稱為GenEMBLPlus。3種蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫是ProteinInformationResource(PIR)國際蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫，SWISS-PROT蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫，SP-TrEMBL數(shù)據(jù)庫（由歐洲生物信息學研究所等開發(fā)）。GCG可以用于核酸和蛋白質(zhì)序列編輯、搜索、比較、分析等。第39頁SASSAS(Statisticsanalysissystem)軟件是目前國際上較流行、較權威一種記錄分析軟件，是由美國SAS企業(yè)研制，其版本不停更新，它可作為記錄計算和繪圖工具。由于在生命科學試驗數(shù)據(jù)處理上常需要應用回歸措施、記錄措施，因此SAS軟件被廣泛用于生物學、醫(yī)學、藥學等研究中。第40頁SAS軟件SAS軟件是模塊式構造，具有約20個模塊，其中常用有SAS/BASE（基礎）模塊SAS/STAT（記錄）模塊、SAS/GRAPH（圖形）模塊、SAS/ETS（預測）模塊、SAS/IML（矩陣運算）模塊、SAS/QC（質(zhì)量控制）模塊等。這些SAS模塊可以獨立使用，也可以互相結合使用。SAS軟件可以處理記錄分析和試驗設計某些問題。SAS軟件使用是建立在SAS數(shù)據(jù)庫之上，而實現(xiàn)SAS程序成功應用必須由顧客編制SAS引導程序。SAS引導程序由一系列符合SAS語言語法規(guī)則語句所構成。使用前必須對SAS語言有一定理解。第41頁ExcelExcel為Microsoft企業(yè)產(chǎn)品，Excel擴展圖表為一特制數(shù)學軟件，顧客可在數(shù)據(jù)行或列中輸入數(shù)據(jù)并運算，可完畢大量報表運算和輸出。圖表中任何一種數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，軟件都會更新計算成果。Excel內(nèi)部也具有部分數(shù)值計算功能，如方程求解、曲線擬合和最優(yōu)化等，同步Excel以VisualBASIC作為顧客開發(fā)應用編程語言，可用于數(shù)值計算。此外Excel也具有可視化工具（如三維立體作圖），將數(shù)值計算和作圖結合起來使用，可以進行具有相稱難度數(shù)值分析。第42頁MATLABMATLAB為Mathworks企業(yè)重要產(chǎn)品，MATLAB出自于MATrixLABoratory,原意為矩陣試驗室，最開始是專門用于矩陣計算軟件。伴隨MATLAB推向市場，MATLAB不僅具有了數(shù)值運算功能、符號運算功能，并且還具有了數(shù)據(jù)圖示功能。在目前最新版本MATLAB6.0中，MATLAB不僅在數(shù)值、符號和圖形等功能上做了深入增強，并且又增長了某些工具箱，以以便不一樣樣專業(yè)技術人員使用（包括生命科學）。第43頁MATLABMATLAB中函數(shù)和運算器有助于多種數(shù)值措施實現(xiàn)。MATLAB作為一種高級語言，它不僅可以以一種人機交互式命令行指令操作方式工作，并且還可以如BASIC、FORTRAN、PASCAL、C等高級語言同樣進行程序設計，編制一種以m為擴展名文獻，即M文獻。MATLAB自身特點，M文獻編制同BASIC、FORTRAN、PASCAL、C等比較起來，有許多無法比擬長處，如語言簡樸、可讀性強、調(diào)試輕易、調(diào)用以便等，因此可以通過簡樸編程以便地實現(xiàn)數(shù)值計算。第44頁其他應用軟件DNA分析軟件：GeneConstructKit與大多數(shù)DNA分析軟件不一樣樣，它管理并顯示克隆方略中分子構建過程，包括分子構建，電泳條帶。此外，還可以質(zhì)粒作圖。該軟件附有詳細在線協(xié)助，可供從事分子生物試驗人員和克隆方略人員備用。第45頁其他應用軟件DNA質(zhì)粒構建軟件：pDRAW是一種非常以便質(zhì)粒繪制工具與DNA分析工具。它包括DNA序列輸入與分析、限制酶消化分析以及環(huán)形與線性DNA圖形輸出等許多功能。重要功能有：（1）對核酸加上注釋，如基因起點。（2）虛擬克隆酶切片段。（3）序列修改編輯，可以將序列旋轉一定堿基距離，或?qū)⒎较蛳喾?。?）分析限制性酶切位點，多種酶切位點可以較自由地選擇。（5）ORF分析顯示。（6）在PCR試驗中計算某一對引物作為PCRTm值。（7）可以文本或圖形方式顯示成果。（8）可以導入序列。第46頁蛋白質(zhì)分析軟件：MACAW是一種多序列構建與分析軟件。重要用途：通過實行基因組計劃，得到了大量蛋白序列與DNA序列數(shù)據(jù)，理解數(shù)據(jù)及其互相關系，查找有用片段是一種非常困難工作。某些片段常常顯示類似分子構造與生物特性。用人工措施是不也許完畢如此大量比較工作。應用MACAW程序，借助記錄學措施和一定運算規(guī)則，來查找這些片段。其他應用軟件第47頁蛋白序列分析軟件包ANTHEPROT5.0，包括了蛋白質(zhì)研究領域所包括大多數(shù)內(nèi)容，功能強大。重要功能：進行多種蛋白序列分析與特性預測,如進行蛋白序列二級構造預測；在蛋白序列中查找符合PROSITES數(shù)據(jù)庫特性序列；繪制出蛋白序列所有理化特性曲線；在Internet或當?shù)氐鞍仔蛄袛?shù)據(jù)庫中查找類似序列；計算蛋白序列分子量、比重與各蛋白殘基百分構成；計算蛋白序列滴定曲線與等電點；選定一種片段后，繪制HelicalWheel圖；進行點陣圖（DotPlot）分析；計算信號肽潛在斷裂位點等。其他應用軟件第48頁搜索查看軟件：VectorNTIViewer，以便易用。重要功能：（1）輸入文獻格式廣泛，除了moleculedocuments(.gb)自身文獻格式外，還能識別多種數(shù)據(jù)庫應用格式軟件：EMBL,GenBank,FASTA,Sequencefiles。（2）所有或部分序列可以拷貝到剪貼板，提供應其他程序使用。（3）載體圖像可以拷貝到剪貼板上供應其他程序使用，或直接存盤成.wmf格式圖像文獻。其他應用