“构建中药成分数据库项目”的设计与实践

“构建中药成分数据库项目”的设计与实践摘要：课程设计是生物信息专业的实践课程，该课程在往年的教学中采用教师讲学生做练习的方式。为了提高教学效率，现采用了流行的项目教学法来进行教学，通过“构建中药成分数据库项目”在课程设计的具体应用，进一步加深理解生物信息学理论知识点，选择合理的生物信息算法和编程工具解决具体的生物学问题，提高学生自主学习能力，为本科生进入“毕业设计”学习阶段打下基础。关键词：项目教学法；生物信息；实践Designandpracticeof"buildingthedatabase

projectoftraditionalChinesemedicineingredients%Abstract:Curriculumdesignisapracticalcourseforthemajorofbioinformatics.Inpastyears，teachersteachstudentstodoexercises.Inordertoimprovetheteachingefficiency，thepopularproject-basedteachingmethodisadoptedtocarryouttheteachingofthiscourse.Throughthespecificapplicationof"buildingtheprojectoftraditionalChinesemedicinecomponentdata%inthecoursedesign，wecanfurtherdeepentheunderstandingofthetheoreticalknowledgepointsofbioinformatics，selectthereasonablebioinformaticsalgorithmandprogrammingtoolstosolvethespecificbiologicalproblems，andimprovethestudents#independentlearningability.Tolaythefoundationforthestudentstoenterthelearningstageof"graduationproject%.Keywords：project-basedteaching;bioinformatics;practice“课程设计”是生物信息专业实践课程的必修课程，其目的是指导学生如何运用生物信息工具解决生物医学方面的问题，通过系统地指导学生掌握科学研究的基本思路，为生物信息专业本科生即将进入到“毕业设计”学习阶段打下坚实的基础。由于生物信息学是综合了计算机、生物信息、数学、信息科学的交叉学科，所以更注重学生对数据处理能力的实验培训m。如何开展生物信息实习课程,提高学生的处理大数据的动手能力和学习效率也是值得探索的问题。项目教学方法在实践课程中得到广泛推广：3-5］，设计好的项目涵盖了多个知识点，分配给学生完成，在完成的过程中可以充分地理解理论知识,还培养了学生的动手能力，锻炼了创新思维,也提高了团队协助能力。教师在整个教学的过程中起到指导、解疑和评价的作用。我们在课程设计中设计了“构建中药成分数据库”的课程项目，其项目前导有生物信息学、计算机辅助药物设计课程打下的理论基础，后续有现代生物环境学习编程等课程。1项目设计背景与方法中药现代化研究中的一个瓶颈是中药成分的鉴定，特别是中药在体内的有效成分研究一直是大家关注的热点和难点6"。中药无论采用口服还是静脉注射，其在体内的药代和药动过程均极其复杂。体外成分全谱、主要成分、体内吸收成分和入血成分是中药成分研究的四个主要关键节点。中药成分的本质属性是有机化合物，因此其结构信息是鉴定的核心内容。国内外许多高校和科研院所已成功建设了中药、天然药物化学成分数据库，并得到广泛应用。但是大部分数据库也存在数据单一、数据缺失和商业化数据库的状况，因此本项目将在已有中药成分信息的基础上，利用强大的分析和整合方法构建具有信息全面、质量可靠，反映中药成分特性，与工业和学术用户界面良好的中药成分数据库。构建一个WebServer应用，其后台数据库的构建是最为核心的步骤。一个好的数据库设计与构建，将有效提高整个Web应用的数据流通速度，包括数据存储，查询，修改，删除等大量数据库的操作，从而能够大大提高网站整体的运行速度，特别在数据量巨大，并且数据结构复杂(例如化合物结构数据)时更为明显。在具体操作中，可以通过E-R图来辅助我们进行数据设计。比如我们设计一个简单的草药成分的数据库，可以作出数据库的E-R图图1草药成分数据库的E-R图2项目实践2.1数据来源中药数据库有文本文献数据库和电子数据库，规模最大的文本数据库是南京中医药大学的《中华本草》,全书共34卷2800万字，收录中药8980种，插图8534幅，是迄今为止所收录药物种类最多的一部本草专著，代表了我国当代中医药研究的最高水平。常用的电子数据库有TCMSP、TCMID、TCM@TAIWANHIT等，记载中药成分药物最多的数据库为TCM@taiwan［8］，大约有37170种中药化学物，最常用的还有TCMID、TCMSP等，。TCMSP是由西北农林科技大学通过文献挖掘和数据库整合了500味中药、30069种中药分子化合物［9］，TCMID整合HIT、TCM@TAIWAN等数据库通过文本挖掘等方法收集中药化合物信息，是一个综合的中药信息数据库”0'。我们重点推荐学生可以从这些数据库中获取中药及中药成分数据作为数据源。2.2数据模型数据库是所有信息学科的基础和依据，因为数据既要满足数量大、格式规范，同时保障质量高，选择合适的数据分析算法，才可能得出准确可靠的创新结果。因此我们在构建数据库的时候,首选要确定数据模型，比如中药数据库包含药物名称、CASID、分子结构、靶标、疾病。用户在使用数据库的时候,有些人更注重在数据之间相互关联，有些人希望通过数据库信息发现新知识或者知识推理，也就是知识发现。因此我们要求构建的数据库可以进行的应用服务有:全文检索、结构匹配、相似性比对、类药性、类先导性等。学生可根据自己的学习能力来搭建不同的功能，比如全文检索在检索方法上要关联更多的信息查询，如中药相关疾病、分子表达式、靶点信息、中药的基础信息、化学或生理实验信息等。2.3数据处理根据提出的数据模型，我们需要进行数据处理。对于中药成分数据库的构建其中最基本的处理单元就是重要化学成分分子，而对于化学结构的处理分析，目前现存有大量不同的化学信息学分析工具。针对不同的开发语言，其中包括JAVA平台下的TheChemistryDevelopmentKit(CDK)、Daylight、Marvin，PYTHON开发平台下的Indigo、OpenBabel、RDKit等不同的化学信息学分析工具。在不同编程语言中，python以其简单易学，功能强大,语法简明等特点在近几年不断应用于各个领域，并随之发展出了大量的功能型类库。我们需要对下载的数据进行分子相似性比对、结构匹配等操作。2.4WebServer搭建我们实验使用PYTHON作为服务器脚本语言，可以让学生快速掌握，加快完成作业的速度。同时使用Django网站开发框架来帮助我们的Webserver开发,Django框架已经对网站的构架、数据构建及操作、网站效率优化及安全性优化等问题进行简化，学生能全身心投入到自身的网站构建之中（具体操作 步骤见表1所示）。表1WebServer搭建步骤实验步骤实验内容实验要求安装Django安装稳定版本正确安装创建项目与APP采用Apache+Mysql+Django的部署方式创建HIDB项目数据库创建及管理使用SQLite3作为数据库创建超级管理员，实现对用户的添加、删除等操作创建页面添加url编辑index视图函数创建一个简单打印“Hell。”的页面模型操作创建数据表数据后台管理页面的数据访问Bootstrap模板的使用，美化操作仅需要对实现页面的查询操作、数据库更新、插入等添加导航栏添加图文多媒体组件页面美化function.html文件进行操作，而其它文件的代码都不需要更改3项目考核与评价课程考核分成过程考核和结果考核两部分,过程考核有学生上课的出勤率以及课上的表现，占20%，结果考核是上交的实验报告,是课程考核的主要部分。实验报告有电子版和纸质版两份,纸质版要求:课程项目目的、课程项目步骤、课程项目的结果、项目实施心得等，电子版要求有编程代码。这个课程项目实施以来受到学生的一致好评,“课程设计非常棒，我觉得算是大学几年来最有收获的课程'；’在这个课程项目中体会到了科研的完整过程,其中关键点是首先要弄明白自己的课题所要解决的问题所在，其次才能入手解决方案';%通过课程设计,我学习到了很多知识，也加深理解学过的理论知识,调动学习积极性希望更多的课程采用这样的教学方法'；“这个课程项目给我的思想和技能带来的影响是非常持久的”…。这是近两年学生对生物信息实习课程教学的客观评价。但是生物信息学是一门与时俱进的学科，我们在以后