«использование нформационных технологий в молекулярной биологии» (стр. 1 из 4)

ДНК	Дизоксирибонуклеиновая кислота
ИТ	Информационные технологии
ПЦР	Полимеразная цепная реакция
РНК	Рибонуклеиновая кислота

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ»

Введение

Современная молекулярная биология и молекулярная генетика определяют развитие как фундаментальной, так и прикладной биологии. Огромное разнообразие подходов к решению задач исследований требует все более точных и быстрых методов анализа. Эффективность исследований зависит от нескольких параметров, основополагающими из которых, являются техническое оснащение лаборатории и освоение новых методических подходов.

На каждом этапе работы молекулярный биолог сталкивается с применением информационных технологий. Молекулярная биология изучает такие молекулы как ДНК, РНК и белки. Такие объекты изучения нельзя потрогать руками, нельзя увидеть невооруженным глазом. Поэтому практически все методы, которые используются в молекулярной биологии, связаны с использованием информационных технологий (ИТ).

Любой молекулярно-биологический эксперимент можно разделить на три стадии: планирование эксперимента, его проведение и анализ полученных результатов. На той или иной стадии молекулярный биолог сталкивается с использованием ИТ-инструментов, будь то пакет Microsoft Office и глобальная сеть «Интернет» или же программное обеспечение для приборов, используемых в молекулярно-биологической лаборатории (амплификаторы в режиме реального времени, секвенаторы, системы гель-документации, спектрофотометры и др.). Также стоит отметить применение различных графических редакторов и программ для моделирования не только макромолекул, но и целых процессов протекающих на молекулярном уровне.

Глава 1
Анализ последовательностей ДНК

Молекулярная биология – это комплекс биологических наук, изучающих механизмы хранения, передачи и реализации генетической информации, строение и функции нерегулярных биополимеров (белков и нуклеиновых кислот). Поскольку ДНК является материальным носителем генетической информации, молекулярная биология значительно сблизилась с генетикой, и на стыке образовалась молекулярная генетика, являющаяся одновременно разделом генетики и молекулярной биологии. Для анализа генетической информации привлекается вычислительная техника, в связи с чем появились новые направления молекулярной генетики, которые иногда считают особыми дисциплинами: биоинформатика, геномика и протеомика.

Анализ последовательностей биологических макромолекул (ДНК, РНК, белков) является существенной частью повседневной работы современного биолога. Из-за большого размера макромолекул в подавляющем большинстве случаев такой анализ требует использования специализированных программ для просмотра аннотированных последовательностей, выявления интересующих исследователя функциональных участков, рестрикционного анализа, подбора праймеров для ПЦР и т.д. Кроме того, планирование молекулярно-биологических экспериментов in silico перед их реальной постановкой in vitro способно сэкономить время, средства и помочь избежать ошибок[1].

В связи с большим разнообразием возможных вариантов анализа последовательностей ДНК и потребностей молекулярных биологов в настоящее время существует значительное количество компьютерных программ, в той или иной степени эти потребности удовлетворяющих. Существующие программные решения можно разделить на две группы: крупные программные пакеты, способные выполнять всесторонний анализ последовательностей ДНК, и специализированные программы, предназначенные для решения конкретной частной проблемы. В первом случае речь идет, как правило, о наборе небольших программ (например, пакет EMBOSS [2]) суммарно представляющих мощный аналитический инструмент, который, однако, из-за слабой связи этих программ между собой и нестандартного интерфейса не очень удобен для молекулярного биолога, не специализирующегося в области биоинформатики. Программы второй группы имеют, как правило, более привычный простой графический интерфейс и должны быть удобнее в работе (при условии реализации всех необходимых для пользователя функций). Также существуют различные web-приложения, среди которых можно, наверное, найти программы для всех мыслимых вариантов анализа последовательностей биологических макромолекул, но подавляющее большинство таких приложений является слишком узкоспециализированными[1].

1.1 WEB-приложения, используемые для анализа последовательностей ДНК

В качестве примера можно привести web-приложение Sequence Manipulation Suite [3]. Данное приложение работает on-line и включает в себя множество различных программ (более 50), которые значительно облегчают работу молекулярного биолога. Так, например, программа Restriction Summary (рисунок 1.1) позволяет быстро определить ферменты, разрезающие определенную последовательность ДНК; программа Reverse Translate преобразует аминокислотную последовательность белков в кодирующую данный белок нуклеотидную последовательность ДНК. Программа DNA Stats при вводе нуклеотидной последовательности ДНК и РНК определяет количество каждого азотистого основания в последовательности, а также процентное соотношение нуклеотидов и пар нуклеотидов, что может быть очень полезным для расчета температуры отжига праймеров.

Преимуществом данного web-приложения является его доступность и широкий выбор программ. Однако существует и ряд недостатков. Данное приложение не позволяет одновременно выполнять в одном окне несколько программ. Еще одним недостатком может быть то, что приложение Sequence Manipulation Suite доступно только на английском языке.

Рисунок 1.1 – программа Restriction Summary в web-приложении Sequence Manipulation Suite.

1.2 Приложения в составе Vector NTI Suite

Vector NTI Suite – это достаточно удобный набор программных инструментов, предназначенных главным образом для анализа последовательностей. Инструменты разработаны компанией InfoMax Inc. для специалистов в области молекулярной биологии и позволяют изучать, визуализировать, манипулировать и конструировать биологические молекулы, а также хранить и предоставлять доступ к информации об этих молекулах [4].

При помощи инструментов Vector NTI Suite можно делать следующее:

1. Легко ориентироваться и осуществлять поиск в базе данных молекул и ферментов;

2. Разрабатывать стратегию рекомбинации и соответствующие протоколы;

3. Симулировать гель-электрофорез, анализировать результаты эксперимента;

4. Анализировать и манипулировать ДНК, РНК и белковыми молекулами;

5. Создавать или импортировать молекулы, энзимы, олигонуклеотиды, добавлять описание и дополнительную информацию.

Vector NTI позволяет генерировать протоколы для клонирования и амплификации, разрабатывать пробы и праймеры, расcчитывать фрагменты рестрикции и симулировать гель-электрофорез. Приложения Vector NTI Suite обеспечивают молекулярный анализ, выравнивание и сборку последовательностей из фрагментов. К базовым приложениям Vector NTI Suite следует отнести следующие программы и инструменты:

1. Основная программа Vector NTI (Графическая оболочка для работы с базой данных, молекулами, гель-электрофорезом, обеспечивающая интеграцию на уровне данных с другими приложениями Vector NTI Suite);

2. 3Dmol - приложение, позволяющее эффективно визуализировать и манипулировать 3х-мерными молекулярными структурами, описанными в стандарте Protein Data Bank (программа по функциям близка к Rasmol);

3. AlignX – программа для выравнивания последовательностей (множествен.), позволяющая работать как с протеинами, так и с нуклеиновыми кислотами. AlignX читает все стандартные текстовые форматы, например FASTA, GenBank, EMBL, SWISS-PROT, GenPept и ASCII- текст;

4. AlignX Blocks – программа для определения положения, анализа и редактирования блоков из найденных подобий среди множества белковых последовательностей;