ứng dụng tin học trong sinh học

S ự ra đờ i c ủ a tin sinh h ọ c Buổi bình minh của trình tự: Trình tự Protein, trình tự axit nucleic Sự xuất hiện của các thơng tin về cấu trúc, chức năng và Sự xuất hiện của các thơn

Trang 2

Bài 1: Mở ñầu

Gi

Giớiiii thi thi thiệu u u vvvvề tin tin tin h h học cc c và và và ứng ng ng d d dụng ng ng tin tin tin h h học cc c

trong trong sinh sinh sinh h h học cc c

“The two technologies that will

Informatics applycation in biology 2

“The two technologies that will

shape the next century are biotechnology and information

technology” Bill Gates

Trang 3

S ự ra đờ i c ủ a tin sinh h ọ c

Buổi bình minh của trình tự: Trình tự Protein, trình tự axit nucleic

Sự xuất hiện của các thơng tin về cấu trúc, chức năng và

Sự xuất hiện của các thơng tin về cấu trúc, chức năng và trình tự của protein, DNA dẫn tới nhu cầu quản lý, so sánh

và dự đốn cấu trúc và chức năng của sinh vật

Sự phát triển của các ngành khoa học khác đặc biệt là

cơng nghệ thơng tin, máy tính

Trang 4

Tin sinh học (Bioinformatic) cĩ thể hiểu là mộtngành khoa học phân tích và dự đốn đặc tính của đối

tượng sinh học, trên cơ sở tích hợp năng lực hoạt động hữu

cơ của 3 lĩnh vực khoa học cơng nghệ:

- khoa học sinh học

Bio (Sinh h ọ c) + informatics (Khoa h ọ c tính tốn) = Bioinformatics

(Giải quyết các bài tốn sinh học bằng việc sử dụng các phương pháp

của khoa học tính tốn)

- khoa học sinh học

- năng lực quản trị và xử lý số liệu của máy tính

- tổ chức quản lý khai thác dữ liệu thơng tin trên quy mơ

tồn cầu

Các t ừ đồ ng ngh ĩ a: Computational biology,

Computational molecular biology, Biocomputing

Trang 5

Trang 6

Một số bài toán ñối với tin sinh học

Trang 7

Trang 8

Trang 9

Vai trò c ủ a Tin sinh h ọ c

Trang 10

Xu h ướ ng phát tri ể n c ủ a Tin sinh h ọ c

Trang 11

Mục tiêu môn học

-Đại cương mạng internet và các trang web liên

quan ñến sinh học

- Cơ sở dữ liệu công nghệ sinh học

- Nghiên cứu về cấu trúc chuỗi DNA, amino acid

và các phần mềm hỗ trợ

- Các phầm mềm về thiết kế và lựa chọn ñoạn

mồi, hiển thị cấu trúc không gian của các hợp chất sinh học, phân tích cấu trúc tương ñồng…

Trang 13

Tài liệu tham khảo

1) Nguyễn Văn Cách (2006) Tin sinh học, Nxb Khoa học và Kỹ

thuật, Hà nội

2) Arthur M L (2002) Introduction to Bioinformatics, Published in

the United States by Oxford University Press Inc., New York

3) Baxevanis,A D and Francis Ouellette, B.F (2001) Bioinformatics

a Practical guide to the Analysis of Genes and Protein, John

Wiley & Sons, INC

4) Bryan B (2001) Bioinformatics Computing, Pretice Hall Pub

5) David W.M (2003) Bioinformatics: Sequence and Genome

Analysis, Cold Spring Harbor Press, New York.

6) Shui Q.Y (2008)Bioinformatics: A Practical Approach, CRC

Press, Taylor & Francis Group

Trang 14

Tài liệu tham khảo Thư viện Trường ñại học Nha Trang

1, Intelligent Bioinformatics: The Application of Artificial

Intelligence Techniques to Bioinformatics Problems

2, Machine Learning in Bioinformatics (Wiley Series in

Bioinformatics)

3, Bioinformatics: Tools and Applications

4, Bioinformatics Research and Application - ISBRA 2011

5, Essential Bioinformatics

6, Intelligent Bioinformatics: The Application of Artificial

Intelligence Techniques to Bioinformatics Problems

Trang 15

Khái ni ệ m v ề internet và ñị a ch ỉ trên m ạ ng

Thông tin trên internet

M ộ t s ố d ị ch v ụ trên internet

Truy c ậ p tìm ki ế m d ữ li ệ u thông tin qua internet

Trang 16

Gi ớ i thi ệ u v ề Internet

• Internet là mạng máy tính toàn cầu ñể liên kết các tổchức, trung tâm, viện nghiên cứu, trường học

chức, trung tâm, viện nghiên cứu, trường học

• Để máy tính hoạt ñộng hiệu quả thì chúng phải cùngchia sẻ một phương tiện truyền thông ñược gọi chung làTCP/IP

Trang 17

Giao th ứ c này cho phép các

máy tính trên m ạ ng trao

Trang 18

Mỗi máy tính trên

Trang 19

L ch s ra ñ i c a Internet

• S ự ra ñờ i c ủ a máy tính chính là kh ở i ñầ u c ủ a cu ộ c cách

m ạ ng v ề internet

• N ă m 1969: M ạng ARPANET ñượ c ra ñờ i d ướ i s ự tài tr ợ c ủ a

c ơ quan qu ả n lý các d ự án nghiên c ứ u phát tri ển ARPA

(American Research Projects Agency) thuộ c B ộ Qu ố c

(American Research Projects Agency) thuộ c B ộ Qu ố c phòng M ỹ (US Department of Defence).

• Kh ở i ñ i ể m là 4 nút m ạ ng ñặ t t ạ i 4 tr ườ ng ñạ i h ọ c c ủ a M ỹ :

Đạ i h ọ c California Los Angeles (UCLA)

H ọ c vi ệ n nghiên c ứ u Standford (SRI)

Đạ i h ọ c California Santa Barbara (UCSB)

Đạ i h ọ c Utah

Trang 20

Đó là mạng liên khu vực (WAN: Wide Area Network)ñầu tiên ñược xây dựng, ñánh dấu sự ra ñời củainternet ngày nay.

Trung tâm nghiên cứu Xeroc Corporation Palo Alto pháttriển chuẩn kết nối Ethernet Những năm 1980, giaothức TCP/IP trên Ethernet trở thành giao thức thôngdụng trên mạng cục bộ

dụng trên mạng cục bộ

Năm 1983, Bộ Quốc phòng Mỹ ñã tách ARPANET làm

hai mạng con:

MILNET: dành cho các ho ạ t ñộ ng quân s ự

ARPANET m ớ i: dành cho các ho ạ t ñộ ng phi quân

s ự , tr ườ ng ñạ i h ọ c, vi ệ n nghiên c ứ u.

Trang 21

• Năm 1986, Tổ chức quỹ khoa học quốc gia NSF (National

Science Foudation) thành lập mạng NSFNET Nhiềudoanh nghiệp chuyển từ ARPANET sang NSFNET

• Năm 1990, ARPANET ngừng hoạt ñộng sau gần 20 năm

• Năm 1995, NSFNET thu lại thành một mạng nghiên cứucòn Internet thì vẫn tiếp tục phát triển

còn Internet thì vẫn tiếp tục phát triển

• Năm 1991, WWW (World Wide Web) ra ñời ñặt nền móngcho việc chuyển tải thông tin ña phương tiện (multimedia)thông qua các siêu liên kết (hyperlink) rất tiện dụng choviệc khai thác internet Tổ chức W3C (World Wide Web

Consorticum) ra ñời: nghiên cứu các chuẩn chung choWeb

Trang 22

Cu ố i n ă m 1992, xu ấ t hi ệ n nhà cung c ấ p thông tin th ươ ng m ạ i ñầ u tiên là Delphi.

Trang 23

Internet trở thành mạng lớn nhất thế giới: mạng của cácmạng và xuất hiện trong mọi lĩnh vực: Chính trị, quân

sự, thương mại, nghiên cứu, giáo dục, văn hoá, xã hội

Không có bất kỳ cá nhân hay tổ chức nào có toàn

Không có bất kỳ cá nhân hay tổ chức nào có toànquyền kiểm soát internet mà mỗi nhà quản trị chỉ quản

lý phần mạng của tổ chức mình

Trang 24

S hình thành Internet Vi t Nam

• Năm 1993 mạng VARENET (Vietnam Academic Research

Education Network) ñược thành lập, tạo tiền ñề cho việchình thành mạng lưới internet Việt Nam VARENET ra ñời

từ Chương trình hợp tác nghiên cứu khoa học, triển khaicông nghệ mạng tại Viện Công nghệ Thông tin thuộc ViệnKhoa học và Công nghệ Việt Nam với sự hợp tác khoa

Khoa học và Công nghệ Việt Nam với sự hợp tác khoahọc của Đại học Quốc gia Australia (ANU) Máy chủ củamạng VARENET ñặt tại ANU

• Năm 1993: VARENET chỉ có một chức năng duy nhất làphục vụ thư ñiện tử (E-mail) cho các văn phòng ñại diệnnước ngoài, các Cty liên doanh hay 100% vốn nước ngoài

do tính chất mới và chi phí tài chính cao tại Việt Nam

Trang 25

• Ngày 19 – 11 - 1997, khi Chính phủ Việt Nam quyết ñịnhchính thức kết nối internet thì tên miền (.vn) ñược phíaAustralia bàn giao cho Tổng cục Bưu ñiện Việt Nam Sựhình thành của hàng loạt các nhà cung cấp dịch vụinternet sau ñó ñã làm mờ nhạt vai trò của VARENET.

• Sau VARENET, mạng diện rộng thứ hai là VINANET

(Vietnam Network) ra ñời ở Việt Nam của Trung tâmThông tin Thương mại thuộc Bộ Thương mại VINANETcung cấp thông tin giá cả thị trường trong nước và quốc

tế, ñịa chỉ doanh nghiệp, văn bản tư pháp Tốc ñộ truycập thời kỳ này là 2,4kbps qua ñường dây ñiện thoại

Trang 26

• Năm 1997, hàng loạt các nhà cung cấp dịch vụ internet(ISP) và các nhà cung cấp thông tin lên internet (ICP)như: VNN, FPT, Saigonnet, Netnam và CINET.

• VNN (Vietnam Network) là mạng máy tính của Công ty

Điện toán và truyền số liệu VDC (Vietnam

Datacommunication Company) thuộc Tổng công ty Bưuchính viễn thông Việt Nam, hình thành năm 1997

• FPT (Company for Financing and Promoting Technology) là Công ty Tài chính và Kỹ thuật Quảngcáo, thành lập năm 1997

Trang 27

• Saigonnet thuộ c Công ty C ổ ph ầ n B ư u chính vi ễ n thông Sài

gòn SPT (Saigon Post and Telecommunication Service

• Trong s ố các ISP k ể trên, VNN d ẫ n ñầ u danh sách v ớ i ư u th ế

v ừ a là IAP (cung c ấ p c ổ ng truy c ậ p internet) v ừ a là cung c ấ p

d ị ch v ụ internet ISP (Internet Service Provider) và ICP (cung

c ấ p n ộ i dung trên internet).

Trang 28

K ế t c ấ u m ạ ng Internet

Các ki u m ng:

• M ạ ng c ụ c b ộ LAN (Local Area Network)

• M ạ ng vùng trung tâm MAN (Metropolitan Area

Network)

• M ạ ng di ệ n r ộ ng WAN (Wide Area Network)

Mạng cục bộ LAN: là mạng nhỏ nhất, trong vòng vài

km, ngoại trừ trường hợp máy tính ñơn kết nối trực tiếpvới internet, tất cả các máy tính có nối mạng ñều nốivào mạng LAN Mạng LAN ñược dùng cho một toà nhà,trường học, thư viện, bệnh viện…

Trang 29

Trang 30

Công nghệ LAN mới nhất hiện nay là mạng không dây sửdụng tia hồng ngoại hay sóng vô tuyến (Wireless Fidelity)thay cho cáp ñể truyền tín hiệu mạng.

Trang 31

Mạng vùng trung tâm MAN

LAN là dùng chung một

thiết bị truyền trong mạng

nên cho phép nhiều máy

tính kết nối vào cùng một

sợi dây, mạng MAN sử

dụng các kết nối ñiểm ñến

ñiểm (point to point) với chỉ

một máy tính tại cuối mỗi

liên kết Các máy tính tại

cuối mỗi liên kết của MAN

cũng có thể kết nối với các

mạng LAN, MAN và WAN

Trang 33

K t n i Internet

Kết nối vật lý: kết nối các thiết bị phần cứng như modem,dây cáp ñể thực hiện việc nối từ một máy tính ñến mạnginternet thông qua các nhà cung cấp mạng

Sau khi kết nối vật lý, việc kết nối internet có thể thựchiện theo hai cách:

Kết nối trực tiếp: cần có modem tốc ñộ cao nối với cổngV35 của thiết bị ñịnh tuyến (Router) ñể kết nối trực tiếpvào internet thông qua kênh thuê bao riêng Các loại dịch

vụ kết nối do các nhà cung cấp dịch vụ internet bao gồm:

Đường truyền thường trực (Leased Line)Đường dây thuê bao số bất ñối xứng ADSL

(Asymetrical Digital Subcribe Line)

Trang 34

Kết nối gián tiếp: chỉ cần một modem và một ñường dây ñiện thoại ñể quay số vào mạng Dịch vụ này có:

Quay số kết nối qua mạng ñiện thoại Dial-UpMạng số tích hợp ña dịch vụ (Intergrated Service Digital Network)

So với kết nối internet gián tiếp, kết nối internet trực tiếp

có nhiều ưu ñiểm như: băng thông rộng, tốc ñộ cao và ổnñịnh, hoạt ñộng liên tục (online 24/24) Đương nhiên chiphí cho việc kết nối trực cũng tốn kém hơn nhiều so vớiloại gián tiếp

Trang 35

Truy cập, tìm kiếm dữ liệu thông tin qua internet

Trang 36

Lu t l , o ñ c và các quy ñ nh ho t ñ ng c a Internet

• Không ñượ c truy c ậ p (Access) b ấ t h ợ p pháp vào nh ữ ng h ệ

th ố ng ñ òi h ỏ i ph ả i có Username và Password.

• Không phá ho ạ i và gây r ố i lo ạ n h ệ th ố ng l ư u thông trên Internet (gieo r ắ c, phát tán virus).

• Không lãng phí ngu ồ n tài nguyên (không download nh ữ ng

t ậ p tin quá l ớ n mà ch ẳ ng ñể làm gì, ñặ c bi ệ t trong gi ờ cao

ñ i ể m.

• Không xoá t ậ p tin c ủ a ng ườ i khác.

• Không xâm ph ạ m, phát tán nh ữ ng thông tin có tính ch ấ t riêng

t ư c ủ a ng ườ i khác.

• Không truy c ậ p, phát tán nh ữ ng thông tin ph ả n ñộ ng….

Trang 37

Một số thuật ngữ tin sinh thường gặp trên internet

Accession

Alignment Plasmid Transcription

DNA sequencing Primer Translation

Hairpin Restriction enzyme BLAST (Basic Local

Alignment Search Tool)

Intron Restriction map FASTA

Trang 38

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ SINH HỌC CỦA TIN SINH HỌC

Trang 39

- Cấu trúc xoắn kép của phân tử DNA

- Quá trình tái bản DNA

- Quá trình phiên mã và dịch mã

Trang 40

Trang 41

Trang 42

Low molecular weight organic

compound which is by definition not a polymer

Trang 43

Trang 44

Trang 45

Trang 46

Trang 47

Trang 48

Trang 49

Trang 50

Trang 51

Trang 52

Trang 53

Trang 54

Trang 55

Trang 56

Đặc ñiểm cơ sở dữ liệu công nghệ sinh học

Một số cơ sở dữ liệu lớn trên thế giới

Trang 57

Đặ c ñ i ể m c ơ s ở d ữ li ệ u công ngh ệ sinh h ọ c

-Ngu ồ n c ơ s ở d ữ li ệ u vô cùng ñ a d ạ ng, phong phú, gia

t ă ng m ạ nh m ẽ theo th ờ i gian

- Chi ế m kh ố i l ượ ng l ớ n nh ấ t và ñ a d ạ ng nh ấ t là các k ế t

qu ả nghiên c ứ u trên các ñố i t ượ ng sinh h ọ c

- Các d ữ li ệ u này ñượ c bi ể u di ễ n d ướ i d ạ ng s ố hay ký

t ự trong các t ệ p d ữ li ệ u ñơ n l ẻ hay d ướ i d ạ ng các thu ậ t toán hoàn ch ỉ nh ñể c ấ t gi ữ ho ặ c trao ñổ i

- V ề c ấ u trúc, d ữ li ệ u này g ồ m m ả ng d ữ li ệ u s ơ c ấ p và

d ữ li ệ u th ứ c ấ p

Trang 58

- D ữ li ệ u thông tin thông th ườ ng: sách, báo, t ạ p chí…

- D ữ li ệ u v ề phân lo ạ i h ọ c

- D ữ li ệ u v ề c ấ u trúc và ñặ c tính c ủ a nucleotide và genom

M ỗ i c ơ s ở d ữ li ệ u có th ể ñị nh h ướ ng t ậ p trung vào

M ỗ i c ơ s ở d ữ li ệ u có th ể ñị nh h ướ ng t ậ p trung vào các m ả ng thông tin riêng Song ph ả i ñả m b ả o tiêu chí:

d ễ dàng truy c ậ p, qu ả n lý và khai thác cho ng ườ i khác

d ữ li ệ u, nh ằ m h ỗ tr ợ và giúp h ọ tìm ñượ c thông tin mong muôn!

Trang 59

Cơ sở dữ liệu sinh học (CSDL): các thông tin về trình tự axit nucleic (ADN, ARN), trình tự axit amin của các phân tử protein, thông tin về cấu trúc và giải phẫu của một số genom, mô hình cấu trúc không gian của các ñại phân tử

Các thông tin này ñược sắp xếp và lưu trữ bởi một hệ thống các máy chủ rất mạnh của 3 ngân hàng gen lớn

nhất thế giới là NCBI, EMBL và DDBJ.

Trang 60

Phân tích dữ liệu DNA và Protein

Các thông tin về dữ liệu DNA, protein: chủ yếu là trình

tự nucleotit và trình tự axit amin

Ngân hàng gen cũng có thể ñược coi như một thư việnsách, trong ñó mỗi cuốn sách chính là một trình tựnucleotit DNA hoặc axit amin của protein và chúng ñềuñược ñánh số

Bằng cách này hay cách khác chúng ta có thể tìm ñượctrình tự cần quan tâm Tuy nhiên, vấn ñề ở ñây khôngphải là tìm bằng cách nào mà chúng ta phải hiểu ñượccuốn sách ñó viết về cái gì và sử dụng nó như thế nào?

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ SINH HỌC CỦA TIN SINH HỌC

Một số thuật ngữ tin sinh thường gặp internet

Accession

Alignment Plasmid

Định dạng
Số trang	165
Dung lượng	13,77 MB