计算机在生命科学中的应用.ppt

1、计算机在生命科学中的应用讲述了计算机在生命科学中应用的常见问题：生命科学中的数值方法、生物统计学、生命科学实验中的数据处理、生命科学中的数学模型及其解决方案、生命科学中的实验设计、生物信息学以及生命科学中的通用软件。MATLAB主要用作计算工具。课程教学安排，总学时：54学时，其中：课堂教学/32学时，计算机实践/16学时(生物楼三楼机房)，大作业/6学时。平时50%，考试50%。教材：计算机在生命科学中的应用参考书：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生命科学问题的量化利用生物材料制造计算机解决了计算机发展中存在的问题(存储和计算速度)。DNA计

2、算机蛋白质计算机，2004交通大学科技新闻1，2004年1月30日-科学发表了中国非典流行期间非典冠状病毒的分子进化一文，将2002/2003年非典流行分为早期、中期和晚期进行分析，解开了非典分子流行病学和非典冠状病毒之谜。主要内容：课题组完成了广东和香港非典不同发展阶段的24名患者的18种非典冠状病毒和11种含病毒生物样品的全基因组序列测定。结合已发表的其他32种人SARS冠状病毒和2种果子狸SARS样冠状病毒的全基因组序列，进行生物信息学分析，研究SARS冠状病毒在流行过程中的分子变异规律。通过进化模型的计算，获得了一系列关键的基础数据。发现SARS冠状病毒基因组的中性突变率是稳定的，并认

3、识到SARS冠状病毒基因组主要片段对环境选择压力的不同反应及其与SARS流行过程的相关性。交通大学科技新闻2、上海交通大学和中国科学院上海营养科学研究所合作攻关，完成了试管内DNA计算机的原型开发，实现了实验中自动化操作和表面DNA计算的结合。这在国内尚属首次，相关论文已发表在中国科学通报第49卷第1期的英文版上。主要内容有：双色荧光标记同时检测输入和输出分子，测序仪实时监控自动操作过程，磁珠表面反应法固化反应操作技术提高可控性等。最终在一定程度上完成了模拟电子计算机处理0和1信号的功能。生物计算机和脱氧核糖核酸计算机将二进制数翻译成遗传密码的片段，每一个片段都是一条链。用一种新的脱氧核糖核酸

4、编码形式回答问题。蛋白质计算机利用分子内电子或质子转移和状态改变的原理来制备蛋白质芯片，而不是现有的芯片。首先，生物计算机的优点是体积小，存储的信息量大。其次，这种计算机速度极快。第三是尽量减少能源消耗。脱氧核糖核酸计算机的能耗只有普通计算机的十亿分之一。生物统计学是生物学和数学之间的边缘学科。它用数学方法研究和解决生物学问题，并对与生物学相关的数学方法进行理论研究。生物数学有许多分支，从生物学的应用上可以分为数量分类学、数量遗传学、数量生态学、数量生理学和生物力学。根据研究中使用的数学方法，它可以分为生物统计学、生物信息学、生物系统理论、生物控制论和生物方程。生物数学、生物遗传学、生态学、生

5、理学、生物动力学、生物分类学、数理统计、线性代数、信息论、微分方程、概率论、积分变换等。计算机，生物数学的发展过程，1901Pearson，Journal of Biostatistics，1920sRashevsky，Lotka，Biological equations and Biological mathematic models是20世纪40年代由计算机产生的，而20世纪70年代数学的各种内容是用数量分类学、生物控制论和信息论产生的，它们被应用于生物学，包括经典数学、应用数学、20世纪90年代的生物信息处理、21世纪的计算生物学、生物数学的复杂模型等。www.sciencemag.or

6、g科学第303卷：2004年2月6日，21世纪生物学家科学与数学教育导论，伽利略写道：“自然之书是用数学语言写成的”；将近400年后，我们大学里零散的科学教学仍然将生物学排除在数量文化和数学文化之外，而数量文化和数学文化已经开始定义物理科学和工程。比亚莱克和博茨泰因建议将数学和定量方法纳入生物科学课程，不仅作为必修课，作为成人礼，而且作为当代科学家培训的正式组成部分。第1章：导论，第1节：计算机在生命科学中的应用1。应用程序状态1。计算机被广泛应用于生命科学。计算机已经广泛应用于微生物学、遗传学、生态学、医学、人口学、药代动力学、生理学、分子生物学等领域。2.生物信息学、数值方法、数据建模和优

7、化实验设计在生命科学中发挥着越来越重要的作用。3.计算机在生命科学领域的应用起步较晚，主要是因为生命过程非常复杂，影响因素很多，所以很难深入研究其内在机理。生物制品形成中的细胞代谢和环境变化，具有计算机数据采集和控制的生物反应器系统，二维凝胶电泳，完整的酵母基因表达图，计算机在生命科学中的应用类型，1。生命科学中计算机的数据采集。在线检测实验数据，如常规温度、压力、酸碱度和溶解氧浓度；生物医学中的葡萄糖浓度和脑电流等生物电信号；离线检测实验数据，如测定蛋白质浓度和核酸浓度如DNA和RNA，检测生物特征物质，统计生物种群数量等。由于生物数据量大，传统的人工采集数据的方法已经不能满足需要。2.生命

8、科学中实验数据的计算机处理包括生命科学中各种实验数据的处理、生命科学中数学模型的建立和求解、使用数学模型的实验控制和监控、实验中生物量和生物参数的跟踪以及生命科学和生物工程的实验设计，包括实验设计的优化。例如，在分类和处理对应于所确定的脱氧核糖核酸序列的光谱数据之后，确定核苷酸的位置；放射性示踪剂在生物分子中的研究与应用：通过计算机根据分子量或其他特性自动分离生物物质；计算机用于优化生物工厂的工艺设计，并自动分析和处理实验测量值的误差。小(s)和大(l)神经元的cDNA微阵列表达模式，应用现状，3。计算机在生物信息学中的应用生物信息的计算机处理是数据处理的一个特殊部分，生物信息学已经成为一个独

9、立的应用领域。生物信息学是一门使用计算机作为工具来存储、检索、传输和分析生物信息的科学，涉及范围广泛。它的研究集中在两个方面，即基因组学和蛋白质组学。它们涉及核酸和蛋白质序列信息的获取、分析和存储、数据查询和校对等。包括检索大量的基因组数据、蛋白质组数据信息，如基因库、MMDB生物分子结构数据库，以及生物文献，如MEDLINE和BA(生物文摘)数据库等。基因序列同源性比较及应用现状；4.计算机数值方法在生命科学中的应用事实上，实验数据的处理，包括生物信息学数据处理，是基于数值方法和统计知识。现代生命科学已经提出了相当多的数学问题和复杂的数学模型，涉及到许多非线性代数或微分方程，这些方程往往是大

10、量耦合的。对于这类复杂数学模型的研究，经典的数学分析方法是无能为力的，必须用数值方法和计算机来解决。计算机数值方法在生命科学领域发挥着极其重要的作用，是现代生命科学技术发展的促进因素。5.计算机用于生物工程和生命活动的过程控制和过程监督。例如，在发酵工程中，有两种控制方法：手动控制和计算机控制，但目前大多数主要是手动控制或半手动控制，包括经典的自动控制、顺序控制和模拟控制。计算机自动控制可以利用系统的数学模型直接实现人机对话和优化过程，如人工输血系统(人工心脏等)的控制。)在医学上。本课程的内容，生物信息学生命科学中的数值方法，生物统计学，实验数据处理，生命科学中的数学模型和解决方案，生命科学

11、中的实验设计，以及生命科学中的常见软件示例，涉及生命科学的各个领域。本课程的内容，数值方法，主要介绍如何掌握各种数值计算技巧和使用计算机解决实际计算问题。学习的关键不仅在于从原理上理解各种算法，还在于合理地选择和应用这些算法来解决问题。数值方法的基本内容包括求解非线性方程、代数方程、插值、数值积分、常微分方程及其方程等。数学模型的优点：定量、简单，计算机在生命科学中的应用，经验归纳等传统研究方法已经不能满足学科发展的需要，数学模型已经成为工程中一种重要的研究方法。随着现代生命科学的发展，越来越需要用数学方法定量研究生命过程，建立数学模型来揭示生命现象的本质。数据处理与实验设计是一门综合性学科，

12、它与生命科学相结合，用于生命科学实验数据处理、生命科学建模和实验设计，对生命科学的发展起到了积极的作用。具体内容包括生命科学实验数据的误差和分布、常用的实验数据处理方法、生命科学数学模型的建立方法以及生命科学常用的数学模型。实验数据的回归分析和检验、实验数据的常用设计方法、回归正交设计和序贯实验设计。本课程的目的是探索生命科学实验数据的变化规律，提高分析和处理数据的能力。理解和掌握计算机在生命科学数据处理和分析以及实验数据建模中应用的基本思想和方法。了解一些生命科学的相关软件。在第二部分，概述了生命科学中常用的计算机软件，生命科学的各个领域以及与生命科学交叉的各个学科已经开发了各种应用软件；如

13、用于数值计算的MATLAB软件、用于药物设计的分子组态软件、用于微生物发酵工程的控制软件、生物医学模拟软件、计算机辅助设计软件AUTOCAD等。从网络资源的角度来看，它提供相关的新闻、数据库服务、应用软件和在线软件服务、算法等。GCG软件，在生物信息学中被广泛使用。GCG(Genetics Computer Group)主要提供一个计算机集成环境，集成了大量的序列分析和数据库搜索程序，可以从不同的来源访问序列数据库。图形用户界面是威斯康星软件包的一部分。威斯康星软件包是一个综合序列分析程序，由120多个独立程序组成。用户可以组合他们的程序来满足不同的需求。Gcg和gcg支持威斯康星软件包的五种

14、数据库，即两种核酸数据库和三种蛋白质数据库。两种核酸数据库是基因库数据库和EMBL核酸序列数据库。这两个数据库也可以合并成一个名为GenEMBLPlus的库。这三个蛋白质数据库是蛋白质信息资源国际蛋白质序列数据库、瑞士-PROT蛋白质序列数据库和欧洲生物信息学研究所开发的蛋白质数据库。)。GCG可用于编辑、搜索、比较和分析核酸和蛋白质序列。统计分析系统软件是目前世界上流行的、权威的统计分析软件。它是由美国SAS公司开发的，它的版本是不断更新的。它可以用作统计计算和绘图的工具。SAS软件在生物学、医学、药学等领域的研究中有着广泛的应用，因为在生命科学的实验数据处理中经常需要用到回归法和统计法。S

15、AS软件是一个模块化结构，约有20个模块，其中常用的有SAS/BASE模块、SAS/STAT模块、SAS/GRAPH模块、SAS/ETS模块、SAS/IML模块和SAS/QC模块。这些SAS模块可以单独使用，也可以相互组合使用。SAS软件可以解决一些统计分析和实验设计的问题。SAS软件的使用是基于SAS数据库的，要实现SAS程序的成功应用，用户必须编写SAS引导程序。SAS引导程序由一系列符合SAS语言语法规则的语句组成。使用前必须对SAS语言有一定的了解。Excel和Excel是微软公司的产品。Excel扩展图表是一种特殊的数学软件。用户可以在数据行或数据列中输入数据并执行操作，这样就可以完成大量报表的操作和输出。当图表中的任何数据发生变化时，软件将更新计算结果。Excel还具有一些数值计算功能，如方程求解、曲线拟合和优化等。同时，Excel使用Visual BASIC作为用户开发和应用的编程语言，可用于数值计算。此外，电子表格还具有可视化工具(如三维绘图)，可以将数值计算与绘图相结合，以相当大的难度进行数值分析。MATLAB、MATLAB是Mathworks公司的主要产品。MATLAB来自MATrix LABoratory，最初是作为m