BÀI GIẢNG - KIẾN THỨC TỔNG QUÁT TIN SINH HOC

Nội dung học phần1 - Giới thiệu chung về Tin sinh học và ứng dụng 2 - Cơ sở dữ liệu tin sinh học Bioinformatic Databases - Sắp xếp thẳng hàng trình tự Sequence Alignment 3 - Phép phân t

Giới thiệu chung về

Tin sinh học

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM

KHOA CNSH & KTMT

HỆ ĐẠI HỌC

TIN SINH HỌC

• Mã học phần : 08200018

• Số tín chỉ : 2

• Trình độ: Cho sinh viên năm thứ 3 đại học

• Phân bố thời gian: 30 tiết

─ Lý thuyết: 12 tiết

─ Tiểu luận, bài kiểm tra tại lớp: 4 tiết

─ Thực hành, thí nghiệm: 14 tiết

─ Tự học : 60 tiết

Nội dung học phần

1 - Giới thiệu chung về Tin sinh học và ứng dụng

2 - Cơ sở dữ liệu tin sinh học (Bioinformatic Databases)

- Sắp xếp thẳng hàng trình tự (Sequence Alignment)

3 - Phép phân tích hệ thống phát sinh loài (Phylogeny)

4 - Giải mã trình tự toàn bộ bộ gen

- Phân tích cắt với restriction enzyme online

5 - Thiết kế primer cho phản ứng PCR

- Ứng dụng các tiện ích của tin sinh học trong nghiên cứu khoa học

6 - Báo cáo tiểu luận

Mục tiêu môn học tin sinh học

• Mục tiêu chính:

 Khám phá những lĩnh vực mới trong sinh học.

 Mở ra triển vọng có tính chất toàn cầu về NC

 Thống nhất hóa các nguyên tắc, thành tựu của khoa học trong sinh học.

 Số hóa các cơ sở dữ liệu (database) cũng như xây dựng cách quản lý CNSH bằng tin học.

 Xây dựng và phát triển các chương trình ứng dụng

trong CNSH nhằm giải quyết vấn đề trong nghiên cứu VD: cây phát sinh loài, đột biến gen…

Mục tiêu của môn học

Sau khi học xong học phần này, sinh viên có khả năng:

─ Trình bày các nguyên tắc cơ bản trong phân

tích DNA, phân tích Protein, thiết kế các mồi

─ Tìm kiếm các bản đồ của các RE trên DNA & đăng ký trình tự gene vào ngân hàng gene thế

giới.

Tiêu chí đánh giá môn học

• Bài tập lớn (Tiểu luận): 30%

-Nhóm theo chủ đề lớn GV giao: báo cáo Seminar nhóm + báo cáo chủ đề dạng Report MS Word

-Khác: chuyên cần, bài tập cá nhân…

• Thi kết thúc học phần: 70%

-Hình thức thi: trên máy

Tài liệu tham khảo

• Tiếng Việt

-Nguyễn Thị Lang, Bùi Chí Bửu (2008) ‘Giáo trình Tin sinh

học–Bioinformatics’, Nhà xuất bản nông nghiệp, TP Hồ Chí

Minh.

-Trần Linh Thước và cộng sự (2008) ‘Thực tập

Bioinformatics –Lưu hành nội bộ’, Đại học Khoa học Tự

nhiên TP.HCM

• Tiếng Anh

-Baxevanis, A.D and Ouellette, B.F.F (2005)

Bioinformatics: A Practical Guide to the Analysis of Genes

and Proteins, 3 rd edition Wiley New York.

-Waterman, M.S (1995) Introduction to Computational

Biology: Sequences, Maps and Genomes CRC Press.

-Mount, D.W (2002) Bioinformatics: Sequence and Genome,

Cold Spring Harbour Press, New York

Yêu cầu chung cho môn học

-Tự chia nhóm và nộp cho lớp trưởng tổng hợp (<=5 người/nhóm) Ai không có nhóm = không có điểm báo cáo tiểu luận (Nộp DS vào tuần 2)

-Kiểm tra thông qua các bài báo cáo cá nhân sau mỗi buổi học (lý thuyết hoặc thực hành)

ĐẠI CƯƠNG VỀ TIN

SINH HỌC

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN CHƯƠNG I

- Lịch sử & khái niệm tin sinh học

- Vì sao phải cần nghiên cứu tin sinh học?

- Các lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng của tin sinh học

- Các công cụ, kỹ năng phục vụ cho tin sinh học

- Các thuật ngữ sử dụng trong các ứng dụng tin sinh học

TỔNG QUAN CHƯƠNG I

• Tin sinh học để làm gì?

• Tin sinh học ứng dụng như thế nào?

• Tin sinh học áp dụng cho đối tượng nào?

Lịch sử Tin sinh học

• Khởi nguồn từ nhu cầu cơ bản

trong việc tìm kiếm cũng như

nâng cao các phương pháp tìm

kiếm trong máy tính về di

truyền học

• Làm hữu ích hơn cho sự tiến

bộ của di truyền học và các kỹ

thuật di truyền cũng như sinh

học phân tử

Lịch sử Tin sinh học

• Sau sự phát kiến cấu trúc phân tử DNA của

Watson-Crick (1953)  ngày càng nhiều nhu cầu quản lý dữ liệu sinh học & CNSH ở các công ty & các nhà khoa học về SHPT.

• Chuyển hướng nghiên cứu từ in vitro  in vivo  in

situ  in silico  Hình thành ngành tin sinh học.

-Thuật ngữ Tin sinh học lần đầu tiên được công nhận

toàn thế giới vào năm 1991.

Lịch sử phát triển Tin sinh học

•1994-2004: Số lượng gia tăng đột biến do việc khám phá kỹ thuật PCR

•2000-2008: gia tăng do việc khởi đầu dự án giải mã toàn bộ bộ gen các loài

và người

Lịch sử phát triển của Tin sinh học

TIN SINH HỌC LÀ GÌ??

Khái niệm tin sinh học

-Tin sinh học (bioinformatics) là môn học được cơ bản hợp nhất hóa từ tổ hợp các môn sinh học, khoa học máy tính

và các kỹ thuật trong công nghệ thông tin.

-Theo Frank Tekaia, “Tin sinh học là những phương pháp dựa trên các thuật toán , thống kê và máy tính để hướng đến việc giải quyết các vấn đề sinh học sử dụng các chuỗi DNA và amino acid cùng những thông tin liên quan đến sinh học”.

Bioinformatics là gì?

23

What is Bioinformatics

Tin sinh học là gì?

Khái niệm tin sinh học

Là phương pháp xác định:

-Khả năng phân biệt giữa trình tự của gen này và

trình tự của những gen khác

-So sánh các trình tự giữa các loài có quan hệ huyết thống nhờ các dữ liệu có sẵn

-Tìm kiếm các hợp phần của gen thông qua các cơ sở

dữ liệu trên thế giới.

Nhu cầu tìm hiểu sự khác nhau giữa các loài có chung nguồn gốc

Sắp xếp các trình tự và giải

mã trình tự cần biết thông qua các website và phần mềm tin

học

VÌ SAO PHẢI NGHIÊN CỨU

TIN SINH HỌC?

VÌ SAO PHẢI NGHIÊN CỨU

TIN SINH HỌC?

“Tôi mơ ước rằng một ngày nào đó trên mỗi bàn giấy ở mọi nơi trên thế giới đều có một máy vi tính cá nhân (PC)”

Tin sinh học là xu hướng tất yếu của sự phát triển CNSH

“The two technologies that will shape the next century

are biotechnology and information technology”

– Bill Gates –

“The two technologies that will have the greatest impact on each other in the new millennium are biotechnology and information technology”

– Martina McGloughlin -

Vai trò ngày càng lớn của CNTT

Nguồn: ABC News, Australia 2010

Tầm quan trọng của tin sinh học trong nghiên cứu khoa học

-Khởi đầu sự nghiên cứu tiến hóa hay nghiên cứu trong

hệ genome.

-Duy trì và lưu giữ các dữ kiện và số liệu thông tin trong công nghệ genome bao gồm thông tin về trình tự

DNA, protein của tất cả sinh vật trên thế giới.

-Là công cụ giúp cho phân tích và tập hợp thống nhất các số liệu về sinh học.

TIN SINH HỌC CHỌN LỌC TỪ GEN MỤC TIÊU ĐẾN CHỌN TẠO GIỐNG CÓ GIÁ TRỊ

MONG MUỐN

Sự bùng nổ của các kỹ thuật di

truyền: Giải mã trình tự

Cơ sở dữ liệu sinh học NCBI

120 quốc gia

Anh đã giải mã 30% bản đồ gene

Mỹ, Pháp, Đức, Nhật Bản, Trung Quốc Các vi sinh vật khác: vi khuẩn, Virus…

Tin sinh học xây dựng, bổ sung, tổ chức quản lý khai khác

cơ sở dữ liệu (database - cơ sở dữ liệu) đa dạng, toàn diện trên quy mô toàn cầu về công nghệ sinh học.

Chuyển trình

tự Gene

Primary public domain bioinformatics servers

Các lĩnh vực nghiên cứu ứng

dụng Tin sinh học

Các lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng của tin sinh

học

- Nghiên cứu chuỗi trình tự DNA và protein

- Bộ gene người, động vật, thực vật, côn trùng,

VSV

- Sự tiến hóa sinh học

- Đa dạng sinh học di truyền

- Chức năng của gene & protein

- So sánh các gene & protein

- Dự đoán cấu trúc protein

- Phân tích kết quả thí nghiệm

- Bệnh di truyền

- Định danh loài

Các ứng dụng của Tin sinh học

Quy trình thực hiện chung của các phần mềm Tin sinh học 39

BẮT ĐẦU THÍ NGHIỆM

PHẦN MỀM

XÁC ĐỊNH LẠI

TỐI ƯU HÓA

THÔNG SỐ MÁY TÍNH

TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

TỪ CÁC THÔNG

SỐ NÀY

Sinh học máy tính (Computational Biology)

 Ngành học của việc ứng dụng các kỹ thuật tin học cho sinh học cổ điển

 Chủ yếu tập trung vào các quá trình tiến hóa, mật độ phân bố và nguyên lý sinh họchơn là cấp độ tế bào và sinh học phân tử

 Thuật ngữ có thể dùng thay thế cho thuật ngữ Tin sinh học

PHÂN TÍCH CƠ SỞ DỮ

LIỆU

41

Phần mềm sinh học

1 Sản phẩm nghiên cứu từ nông nghiệp

2 Sản phẩm nghiên cứu từ thực phẩm

3 Sản phẩm từ môi trường

vv…

Các kỹ thuật sinh học khi làm thí nghiệm

Tin y học (Medical Informatics)

 Cải thiện các dữ liệu giao

tiếp, hiểu sâu và quản lý dữ

liệu y học

 Vận dụng CSDL hơn là chỉ

là dữ liệu đơn thuần.

Tin hóa học (Chemical Informatics)

Kết hợp với các kỹ thuật

hóa và sinh học cho việc

điều chế và phát triển

thuốc trị bệnh.

Công nghệ hệ gen (Genomics)

 Phân tích và so sánh toàn bộ genome của 1 loài hoặc nhiều loài với nhau

 1 genome là 1 bộ của tất cả các gen có trong 1 cơ thể

 Genomics là môn học nghiên cứu đánh giá các chức

năng và phương pháp phân lập so sánh giữa các genome Phương pháp nghiên cứu thường dựa vào khảo sát các đột biến nhằm định danh các bộ, họ, loài

Các lĩnh vực chính trong

genomics

 Structural genomics (Gen cấu trúc)

 Functional genomics (Gen chức năng)

 Comparative genomics (Gen so sánh)

 Genomics hiện đang là tâm điểm của sinh học.

Gen cấu trúc

Tìm hiểu thành phần & cấu trúc bộ gen

 Bản đồ di truyền (linking map)

Không có độ phân giải cao

Không thực sự chính xác khi so sánh

 Bản đồ vật lý (physical map)

Dựa trên sự phân tích trực tiếp DNA và khoảng cách giữ các gen theo base (bp), Kilobase (Kb) và Megabase (Mb)

Giúp cung cấp thông tin về vị trí các gen, DNA marker và sự phân mảnh NST

Gen chức năng

(Functional genomics)

• Mục tiêu chỉ định, nhận diện tổ chức gene và nhận ra

chức năng của chúng.

– Dự đoán chức năng gen từ trình tự

– Dò tìm chức năng theo hướng đồng dạng

– Dò tìm chức năng dựa trên so sánh vùng chủ đạo

– Dò tìm theo tính chất biểu hiện phát sinh loài

– PP Hàng xóm gen (Gene neighboring)

– Kỹ thuật Microarray

Gene học chức năng

• Gene học chức năng (functional genomics) có thể

được định nghĩa nôm na như việc dùng tri thức tiêu biểu về hệ gene để tìm hiểu về gene, về các chức năng sản xuất và sự tương tác của chúng, và quan trọng hơn là vì sao điều này làm cho các sinh vật hoạt động.

Gene functions (Chức năng gene)

Protein abundance in a cell

(Sự dư thừa protein trong tế bào)

Gene regulation and networks

(Điều khiển gene và mạng gene)

Gene chức năng

– Dường như có một hệ hạn chế các genes (a limited universe of

genes) và proteins tương ứng của chúng

– Sự dư thừa protein (protein abundance) có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố như liệu gene tương ứng có được biểu hiện (expressed)

– Biểu hiện gene (gene expression) là quá trình qua đó thông tin mã

hóa trong một gene được truyền vào cấu trúc đang có trong tế bào và điều khiển tế bào (hoặc proteins hoặc RNAs).

– Một câu hỏi quan trọng và lý thú khác trong sinh học là sự biểu hiện

gene được “bật” và “tắt” thế nào, tức là các genes được điều chỉnh thế

nào.

Tin sinh học trong công nghệ

protein (Proteomics)

• Proteomics là ngành

học phân tích các mẫu

sinh học về hàm

lượng, sự phân bố và

hoạt động của protein.

Tin sinh học trong so sánh trình tự

(Sequence Alignment)

• Là ngành học nghiên cứu các phương pháp so sánh

chuỗi trình tự protein hay DNA với chuỗi trình tự khác nhằm tìm ra:

– Sự tương đồng giữa 2 chuỗi

– So sánh 1 gen và sản phẩm của nó

– Tìm ra cầu nối disulfide hay các vị trí xúc tác

– Tìm primer hay các đoạn gen đột biến trên gene

– Tìm ra các đoạn lặp lại trên chuỗi trình tự

Tin sinh học trong nghiên cứu các quan

hệ tiến hóa (Phylogenetic analysis)

Là ngành nghiên cứu các mối

quan hệ có tính chất tiến

hóa trong bộ các chuỗi trình

tự giống nhau nhờ phương

pháp tạo cây gia hệ

(phylogenetic tree) với các

nhánh đại diện với tính chất

gần gũi.

Các công cụ, kỹ năng cần

thiết cho tin sinh học

Là một lĩnh vực khá đặc biệt trong công nghệ sinh học và sinh học hiện đại, Tin-Sinh học cũng cần có những công cụ riêng phục vụ cho nhu cầu và sự phát triển của nó Những công cụ cơ bản có thể bao gồm:

-Máy tính (Computer) và hệ thống máy tính

-Các thuật toán (Algorithms)

-Các công cụ (tools) và phần mềm (software)

-Internet

Thông tin Tin sinh học trên Internet

Hầu hết các thông tin CSDL của Tin sinh học cũng

giống như khoa học máy tính đều phải thông qua

Internet

Các cơ sở DL trực tuyến:

– NCBI (The National Centre for Biotechnology

Information)– EMBL (European Bioinformatics Institute)

– TIGR (The Institute for Genomic Research)…

– Các dự án về giải mã bộ gene người (Human

genome project-HGP)

Các cơ sở dữ liệu sinh học lớn

trên thế giới

• Là những nơi chứa 1 lượng lớn các thông tin về sinh

học như các báo cáo khoa học, cấu trúc chuỗi DNA,

genome, protein, enzyme

– NCBI (The National Center for Biotechnology

Information)

– EMBL (The European Molecular Biology Laboratory) – CIB –DDBJ (DNA Data Bank of Japan)

– TIGR (The Institute for Genomic Research)

– ExPASy (Expert Protein Analysis System)

Ngân hàng dữ liệu protein quốc tế

Nơi cung cấp các kết quả nghiên cứu protein và các

dữ liệu cấu trúc sinh học phân tử gồm 4 phòng

KẾT LUẬN

• Tin sinh học cơ bản là nơi tìm kiếm các kỹ thuật và

phương pháp di truyền và sinh học phân tử mà

trong đó máy tính có thể hữu ích cho các phương pháp di truyền kỹ thuật cao.

• Các ứng dụng của tin sinh học trong nghiên cứu

khoa học và thực tiễn

• Các ngân hàng dữ liệu trên thế giới.

Challenges in Bioinformatics

– Truy nhập vào được nhiều nguồn phân tán (Access to multiple distributed resources)

– Cần thông tin được cập nhật (Needs information to be up-to-date)

– Dư thừa dữ liệu tối thiểu (Minimal data redundancy) – Các ứng dụng ổn định (Robust applications)

– Các ứng dụng mở rộng được (Extendable applications) – Monolithic App vs Components

– Các phần mềm chuyển tải được (Portable software)

Challenges in Bioinformatics

Bùng nổ thông tin

tin lớn

literature, annotations, protein levels, RNA levels etc…)

quan hệ quan trọng trong các tập dữ liệu rất lớn.

Thiếu các “nhà tin sinh học” (“bioinformaticians”)

cách giải thích kết quả của chúng.

Con đường tin sinh học

“It’s not the strongest, nor the most

intelligent, but the species most

adaptable to change has the best

chance of survival”

Darwin

-KIẾN THỨC CẦN NHỚ

-Các định nghĩa về tin sinh học, các ứng dụng tin sinh học trong CNSH

- Lịch sử tin sinh học bắt nguồn từ khi nào?

-Thế nào là hệ gen học (genomics)? Các hệ gen học cơ bản trong nghiên cứu?

-Các công cụ và kỹ năng cần thiết cho tin sinh học? -Nêu các lĩnh vực ứng dụng của tin sinh học?

KẾT THÚC CHƯƠNG I