计算机在生命科学中的应用市公开课一等奖省赛课微课金奖课件.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,计算机在生命科学中应用,讲述计算机在生命科学中应用共性问题,详细内容：生命科学中数值方法、生物统计学、生命科学试验数据处理、生命科学中数学模型及其求解、生命科学试验设计、生物信息学、生命科学中惯用软件等几个部分。,主要应用,MATLAB,为计算工具。,第1页,课程教学安排,总课时：54课时,其中：课堂教学/32课时，上机练习/16课时(生物楼三楼机房),大作业/6课时,成绩评定：平时成绩50%，考试成绩50%,教材：计算机在生命科学中应用,参考书籍：计算机数值方法、,MATLAB、,生物统计学、回归分析、数学建模、生物信息学等相关书籍,第2页,计算机与生命科学结合,用计算机技术（数学方法）研究和处理生命科学问题。,生命科学问题数量化,用生物物质制造计算机，处理计算机发展存在问题（存放和计算速度）。,DNA,计算机,蛋白质计算机,第3页,交大科技消息1,/,1/,30-“,Science”,发表了署名“中国,SARS,分子流行病学协作课题组”论文“中国,SARS,流行期间,SARS,冠状病毒分子进化”,论文将/期间,SARS,流行划分为早、中、晚三期进行分析，揭开沙斯分子流行病学之谜，破解了沙斯冠状病毒变异和进化规律。,第4页,主要内容,课题组完成了来自广东和香港,SARS,发展各阶段24个病人18株,SARS,冠状病毒及11份含病毒生物样品病毒基因组全序列测定，结合已经公开其它32条人类,SARS,冠状病毒及2条果子狸,SARS,样冠状病毒基因组全序列进行,生物信息学分析,，研究,SARS,冠状病毒在流行过程中分子变异规律。,经过,进化模型计算,取得了一系列关键基础数据，发觉,SARS,冠状病毒基因组中性突变率是稳定，认识到了,SARS,冠状病毒基因组各主要片段对于环境选择压力不一样响应及其与,SARS,流行过程相关性。,第5页,交大科技消息2,上海交大和中科院上海营养科学研究所协作攻关，在试管中完成了,DNA,计算机雏形研制工作，在试验上把自动运行与表面,DNA,计算结合到了一起。这在中国属首次，相关论文已发表在中国科学通报49卷第1期英文版上。,第6页,主要内容,采取双色荧光标识对输入与输出分子进行同时检测，用测序仪对自动运行过程进行实时监测，用磁珠表面反应法固化反应提升可控性操作技术等，以至最终在一定程度上完成模拟电子计算机处理0、1信号功效,第7页,生物计算机,DNA,计算机把二进制数翻译成遗传密码片段，每个片段就是一个链。对问题以新,DNA,编码形式加以解答。,蛋白质计算机利用分子内电子或质子传递、状态改变等原理制备蛋白质晶片代替现有芯片。,生物计算机优点首先是体积小，存放信息量大。其次，这种电脑运算速度极快。第三是最大限量降低能耗，,DNA,电脑能耗，仅为普通电脑十亿分之一。,第8页,生物数学,生物数学是生物学与数学之间边缘学科。它以数学方法研究和处理生物学问题，并对与生物学相关数学方法进行理论研究。,生物数学分支学科较多，从生物学应用去划分，有数量分类学、数量遗传学、数量生态学、数量生理学和生物力学等；,从研究使用数学方法划分，又可分为生物统计学、生物信息论、生物系统论、生物控制论和生物方程等分支。,第9页,生物数学,生物学,遗传学,生态学,生理学,生物动力学,生物分类学,等,数学,统计学,线性代数,信息论,微分方程,概率论,积分变换等,计算机,第10页,生物数学发展过程,1901,Pearson,“,生物统计学杂志”,1920,sRashevsky,Lotka,生物方程、生物数学模型,1940,s,计算机产生，数量分类学、生物控制论、信息论随之产生,1970,s,数学各项内容应用于生物学，包含经典数学、应用数学,1990,s,生物信息处理,s,计算生物学、生物数学复杂模型等,第11页,www.sciencemag.org SCIENCE VOL 303：6 FEBRUARY,第12页,Introductory Science and Mathematics Educationfor 21st-Century Biologists,William Bialek and David Botstein,Galileo wrote that“the book of nature is written in the language of mathematics”;,Nearly 400 years later,the fragmented teaching of science in our universities still leaves biology outside the quantitative and mathematical culture that has come to define the physical sciences and engineering.,第13页,Bialek and Botstein,propose incorporating mathematical and quantitative approaches into biological sciences curricula,not merely as prerequisite courses to be suffered as a rite of passage but as full-fledged components of the training of a contemporary scientist.,第14页,第一章 绪 论,第一节 计算机在生命科学中应用,一、应用现实状况,1、计算机在生命科学领域中应用普遍，计算机已广泛应用于微生物学、遗传学、生态学、医学、人口学、药品动力学、生理学、分子生物学等领域。,2、生物信息学、数值方法、数据模型化、最优化试验设计等在生命科学中越来越显示出强有力作用。,3、生命科学领域中计算机应用起步较晚，主要因为生命过程非常复杂，影响原因众多，内在机理研究难以深入。,第15页,生物产物形成中细胞代谢与环境改变过程,第16页,第17页,带有计算机数据采集与控制生物反应器系统,第18页,第19页,双向凝胶电泳图,第20页,酵母完整基因表示图谱,第21页,计算机在生命科学中应用类型,1、计算机在生命科学领域数据采集。,试验数据在线检测，如常规温度、压力、,pH,值、溶氧浓度；生物医学中葡萄糖浓度、脑电流等生物电信号；,试验数据离线检测，如蛋白质浓度和,DNA、RNA,等核酸浓度测定，生物特征物质检测，生物种群数目标统计等。,因为生物数据量大面广，依靠传统人工采集数据方法已不能适应需要。,第22页,第23页,第24页,应用现实状况,2、计算机对生命科学试验数据处理,包含生命科学中各种试验数据处理，生命科学数学模型建立和求解，利用数学模型对试验控制和试验监测，试验跟踪生物量、生物参数，以及生命科学和生物工程试验设计包含最优化试验设计。,如将所测定,DNA,序列对应光谱数据进行整理和处理后确定核苷酸位置；,放射性示踪物在生物分子中研究应用；,利用计算机按分子量大小或其它特征自动分离生物物质；,利用计算机对生物工厂进行工艺优化设计，对试验测量值误差自动分析处理等。,第25页,第26页,cDNA microarray expression patterns,of small(S)and large(L)neurons,第27页,应用现实状况,3、计算机在生物信息学应用,计算机对生物信息处理是数据处理中一个特殊部分，生物信息学已成为一个单独应用领域。,生物信息学是以计算机为工具对生物信息进行储存、检索、传输和分析科学，包括范围很广。其,研究重点普通为两个方面，即基因组学(,Genomics,),和蛋白质组学(,Proteomics,)。,它们包括,对核酸和蛋白质序列信息获取、分析和存放，数据查询和校对等，包含对大量基因组数据、蛋白质组数据信息，如,GenBank、,生物分子结构数据库,MMDB，,以及生物类文件，如,MEDLINE,和,BA（Biological Abstract）,数据库检索等。,第28页,基因序列同源性比较,第29页,应用现实状况,4、计算机数值方法在生命科学中应用,实际上试验数据处理，包含生物信息学数据处理都是以数值方法和统计学知识为基础。,当代生命科学提出了相当多数学问题及复杂数学模型，包括到许多非线性代数或微分方程，这些方程经常是大量耦合。对于这类复杂数学模型研究，经典数学解析法是无能为力，必须借助数值方法应用计算机求解。,计算机数值法在生命科学领域内占有极其主要地位，是当代生命科学技术发展促进原因。,第30页,应用现实状况,5、计算机用于生物工程和生命活动过程控制和过程监督。,如发酵工程中，控制方式有些人工控制和计算机控制两种，但当前大部分还是人工控制或半人工控制为主，包含经典自动控制、次序控制、模拟控制等。,计算机全自动控制能直接实现人机对话，利用系统数学模型实现过程优化，如医学上人工血液输送系统（人工心脏等）控制。,第31页,本课程内容,生物信息学,生命科学中数值方法,生物统计学,生命科学试验数据处理,生命科学中数学模型及其求解,生命科学试验设计,生命科学中惯用软件,实例包括到生命科学中各个领域,第32页,课程内容数值方法,主要介绍怎样掌握各种数值计算技巧，利用计算机处理实际计算问题，学习重点放在各种算法应用，学以致用。,学习关键不但在于能从原理上了解各种算法，而且更主要是在于合理选择和应用这些算法去解题。,数值方法基本内容包含非线性方程求根、代数方程组求解、插值法、数值积分、常微分方程及其方程组求解等。,第33页,课程内容数学模型,数学模型优点：定量、简便、计算机应用,在生命科学中，传统研究方法如经验归纳法等已不能满足学科发展需要，在工程上数学模型已成为一个主要研究方法。,当代生命科学发展越来越多地要求用数学方法对生命过程进行定量研究，建立数学模型，以揭示生命现象本质。,第34页,课程内容数据处理和试验设计,数据处理和试验设计是一门综合性学科，它和生命科学相结合，被详细用于生命科学试验数据处理、生命科学建模和生命科学中试验设计，对生命科学发展发挥了主动作用。,详细内容包含生命科学试验数据误差及其分布、试验数据惯用处理方法、生命科学中数学模型建立方法以及生命科学中常见数学模型。试验数据回归分析及其检验，试验数据惯用设计方法、回归正交设计和序贯试验设计。,第35页,本课程学习目标,探索生命科学中试验数据改变规律，提升分析数据和处理数据能力。,了解和掌握计算机在生命科学数据处理与分析、试验数据模型化中应用基本思想和方法。,了解生命科学一些相关软件。,第36页,第二节 生命科学中惯用计算机软件概述,生命科学中各个领域以及和生命科学相交叉各学科，均开发了各种应用软件；,如用于数值计算,MATLAB,软件、药品设计分子构型软件、微生物发酵工程中控制软件、生物医学仿真软件、计算机辅助设计,AUTOCAD,等。,从网络资源来看，提供相关新闻、数据库服务、应用软件和软件在线服务、算法等。,第37页,GCG,软件,生物信息学中使用较广软件。,GCG(Genetics Computer Group),主要是提供一个计算机集成环境，它将大量序列分析和数据库搜索程序集成在一起，能够访问各种不一样起源序列数据库。,它提供集成环境,SeqLab（,图形用户界面）是,Wisconsin Package,一部分。,Wisconsin Package,则是一个综合性序列分析程序，由120多个独立程序组成，用户为适应不一样要求，可对其程序进行组合使用。,第38页,GCG,GCG,支持5种数据库供,Wisconsin Package,使用，分别是2种核酸数据库和3种蛋白质数据库。,2种核酸数据库是,GenBank,数据库和,EMBL,核酸序列数据库。这两种数据库也可被组合成为一个库，称为,GenEMBLPlus。,3,种蛋白质数据库是,Protein Information Resource(PIR),国际蛋白质序列数据库，,SWISS-PROT,蛋白质序列数据库，,SP-TrEMBL,数据库（由欧洲生物信息学研究所等开发）。,GCG,能够用于核酸和蛋白质序列编辑、搜索、比较、分析等。,第39页,SAS,SAS(Statistics analysis system),软件是当前国际上较流行、较权威一个统计分析软件，是由美国,SAS,企业研制，其版本不停更新，它可作为统计计算和绘图工具。,因为在生命科学试验数据处理上常需要应用回归方法、统计方法，所以,SAS,软件被广泛用于生物学、医学、药学等研究中。,第40页,SAS,软件,SAS,软件是模块式结构，含有约20个模块，其中惯用有,SAS/BASE（,基础）模块,SAS/STAT（,统计）模块、,SAS/GRAPH（,图形）模块、,SAS/ETS（,预测）模块、,SAS/IML（,矩阵运算）模块、,SAS/QC（,质量控制）模块等。这些,SAS,模块能够独立使用，也能够相互结合使用。,SAS,软件能够处理统计分析和试验设计一些问题。,SAS,软件使用是建立在,SAS,数据库之上，而实现,SAS,程序成功应用必须由用户编制,SAS,引导程序。,SAS,引导程序由一系列符合,SAS,语言语法规则语句所组成。使用前必须对,SAS,语言有一定了解。,第41页,Excel,Excel,为,Microsoft,企业产品，,Excel,扩展图表为一特制数学软件，用户可在数据行或列中输入数据并运算，可完成大量报表运算和输出。图表中任何一个数据发生改变时，软件都会更新计算结果。,Excel,内部也含有部分数值计算功效，如方程求解、曲线拟合和最优化等，同时,Excel,以,Visual BASIC,作为用户开发应用编程语言，可用于数值计算。,另外,Excel,也含有可视化工具（如三维立体作图），将数值计算和作图结合起来使用，能够进行含有相当难度数值分析。,第42页,MATLAB,MATLAB,为,Mathworks,企业主要产品，,MATLAB,出自于,MATrix LABoratory,原意为矩阵试验室，最开始是专门用于矩阵计算软件。,伴随,MATLAB,推向市场，,MATLAB,不但含有了数值运算功效、符号运算功效，而且还含有了数据图示功效。,在当前最新版本,MATLAB 6.0,中，,MATLAB,不但在数值、符号和图形等功效上做了深入增强，而且又增加了一些工具箱，以方便不一样专业技术人员使用（包含生命科学）。,第43页,MATLAB,MATLAB,中函数和运算器有利于各种数值方法实现。,MATLAB,作为一个高级语言，它不但能够以一个人机交互式命令行指令操作方式工作，而且还能够如,BASIC、FORTRAN、PASCAL、C,等高级语言一样进行程序设计，编制一个以,m,为扩展名文件，即,M,文件。,MATLAB,本身特点，,M,文件编制同,BASIC、FORTRAN、PASCAL、C,等比较起来，有许多无法比拟优点，如语言简单、可读性强、调试轻易、调用方便等，所以能够经过简单编程方便地实现数值计算。,第44页,其它应用软件,DNA,分析软件：,Gene Construct Kit,与大多数,DNA,分析软件不一样，它管理并显示克隆策略中分子构建过程，包含分子构建，电泳条带。另外，还能够质粒作图。,该软件附有详细在线帮助，可供从事分子生物试验人员和克隆策略人员备用。,第45页,其它应用软件,DNA,质粒构建软件：,pDRAW,是一个非常方便质粒绘制工具与,DNA,分析工具。,它包含,DNA,序列输入与分析、限制酶消化分析以及环形与线性,DNA,图形输出等许多功效。,主要功效有：（1）对核酸加上注释，如基因起点。（2）虚拟克隆酶切片段。（3）序列修改编辑，能够将序列旋转一定碱基距离，或将方向相反。（4）分析限制性酶切位点，各种酶切位点能够较自由地选择。（5）,ORF,分析显示。（6）在,PCR,试验中计算某一对引物作为,PCR,Tm,值。（7）能够文本或图形方式显示结果。（8）能够导入序列。,第46页,蛋白质分析软件：,MACAW,是一个多序列构建与分析软件。,主要用途：经过实施基因组计划，得到了大量蛋白序列与,DNA,序列数据，了解数据及其相互关系，查找有用片段是一个非常困难工作。一些片段经常显示类似分子结构与生物特征。用人工方法是不可能完成如此大量比较工作。应用,MACAW,程序，借助统计学方法和一定运算规则，来查找这些片段。,其它应用软件,第47页,蛋白序列分析软件包,ANTHEPROT 5.0,，,包含了蛋白质研究领域所包含大多数内容，功效强大。,主要功效：进行各种蛋白序列分析与特征预测,如进行蛋白序列二级结构预测；在蛋白序列中查找符合,PROSITES,数据库特征序列；绘制出蛋白序列全部理化特征曲线；在,Internet,或当地蛋白序列数据库中查找类似序列；计算蛋白序列分子量、比重与各蛋白残基百分组成；计算蛋白序列滴定曲线与等电点；选定一个片段后，绘制,Helical Wheel,图；进行点阵图（,Dot Plot）,分析；计算信号肽潜在断裂位点等。,其它应用软件,第48页,搜索查看软件：,Vector NTI Viewer,，,方便易用。,主要功效：,（1）,输入文件格式广泛，除了,molecule documents(.gb),本身文件格式外，还能识别各种数据库应用格式软件：,EMBL,GenBank,FASTA,Sequence files。,（2）,全部或部分序列能够拷贝到剪贴板，提供给其它程序使用。,（3）载体图像能够拷贝到剪贴板上供给其它程序使用，或直接存盘成.,wmf,格式图像文件。,其它应用软件,第49页,主要功效：,（4）能够查找特定序列，,ORF（,能够设置相关参数）、描述载体、限制酶位点、一些功效序列和附注。,（5）整个界面由文本、图形和序列三部分组成，而且点击任意序列、,RE、,基因，图形和序列均会自动标识到对应位置，非常直观方便。,（6）载体形状能够圆形表示，也能够线形表示。,（7）可进行核酸到蛋白翻译。,（8）图形能够放大缩小。,其它应用软件,Vector NTI Viewer,第50页,统计分析软件：,NoSA,是一个汉字统计软件，覆盖了绝大部分惯用统计分析方法，融入了当代数据处理技术，从数据录入与管理、统计分析、绘图，到结果管理，能满足从事各类研究同学、教授、学者对数据作统计分析需要。,其它应用软件,第51页,检索软件：,Entrez,是,NCBI,用来在网络上查找生物资料在线系统,能够在网上搜索找到对应资料:,（1）,GenBank,EMBL,DDBJ,三大数据库中,DNA,序列。,（2）,Swiss-Prot,PIR,PRF,PDB,数据库中蛋白序列以及从核酸翻译蛋白序列。,（3）基因组以及染色体作图数据。,（4）由,pdb,衍生三维蛋白结构,NCBI,Molecular Modeling Database(MMDB)。,（5）,文件引用数据库中引用数据。,其它应用软件,第52页,生化工程中反应器设计程序,BioStat B,发酵罐控制程序，用来搜集发酵工艺数据、并采取含糊控制原理控制工艺参数；,三维分子模型显示、编辑与构建程序，能够用各种模式显示3维分子，能够将几个蛋白叠加起来用来分析结构类似性，比较活性位点或其它相关位点，经过菜单操作与直观图形，能够很轻易取得氢键、角度、原子距离、氨基酸突变等数据；生物化学和微生物一些基本原理教学模拟软件；,DNA,和,RNA,分析软件；生命科学阅读与检索软件；辅助进行正交试验设计等统计分析和数据处理软件等,其它应用软件,第53页,