Въведение

Глава 1. Био-информатика и био-технология
1.1 Кратко въведение
1.2 Основни понятия и дефиниции:
1.2.1 ДНК е носител на генетичната информация
1.2.2 РНК е посредник между ДНК и протеините
1.2.3 Някои вируси запазват генетична информация в РНК
1.2.4 Мутациите са промени в генетичната информация
1.2.5 Аминокиселини
1.2.6 Пептидни връзки
1.2.7 Структура на протеините
1.2.8 Генетичен код
Глава 2. Анализ и решение
2.1 Функционалност
2.1.1 Набавяне на секвенции
2.1.2 Генериране на секвенции
2.1.3 Мутиране на секвенции
2.1.4 Анализ на физикохимичните свойства
2.1.6 Методи за предсказване
2.1.7 Премахване на автогенни участъци
2.2 Архитектура
2.3 Дизайн
2.3.1 Генериране на секвенция
2.3.2 Транслиране на секвенция
2.3.3 Мутация на секвенция
2.3.4 Сваляне на секвенция от интернет
2.3.5 Стартиране на алгоритъма BLAST
Глава 3. Техническа реализация
3.1 Базови класове
3.2 Класове за обработка на секвенцията
3.3 Класове за получаване на информация от секвенцията
3.4 Методи за профилиране на секвенция
3.5 Класове за презентация на резултати.
3.6 Обобщение
Глава 4. Примерен сценарий за използване на програмата

Заключение

Използвана литература

Списък на използваните фигури
Списък на използваните таблици


Целта на тази дипломна работа е разработката на интегриран програмен продукт за анализ и обработка на биологични секвенции. Секвенция наричаме поредица от нуклеотиди или аминокиселини, които изграждат съответно молекулите на ДНК или протеините. Поради сложността на проблема се разглеждат основно протеинови секвенции, наричани оттук нататък само секвенции. Цели се създаването на реално работещ продукт, способен да обработва големи количества данни и ефективно да подпомага биолози в тяхната ежедневна работа предлагайки нужната функционалност.
Разработването на подобен продукт е необходимо и търсено, тъй-като съществуващите решения за анализ на секвенции са или цялостни системи разработвани по поръчка за големи фармацевтични компании, които не са публично достояние или безплатни програми решаващи само строго специфични проблеми. Усеща се липсата на интегриран продукт обхващаш целия процес на анализ на секвенции, разполагащ с лесен за използване графичен интерфейс.
Основните предимства, които предлага една такава система са:
- Спестяване на време за изследвания
- Увеличаване бързодействието на работа
- Интегрирана среда за разработката на нови лекарства
Разработването на дипломната работа следва основните стъпки, свързани с проектиране и разработката и:
- Проучване на предметната област
- Анализ на проблема, избор на програмна среда и архитектура
- Проектиране
- Програмиране
По долу са изброени основните операции, които могат да бъдат извършвани върху секвенциите.
Набавяне на секвенции
Секвенции се добиват в общия случай по експериментален път чрез процес на извличането им от някакъв организъм наречен секвениране. Двете основни организации предоставящи секвенции са европейската EMBL към университета в Хайделберг и американската GenBank към американския център за биотехнологична информация NCBI. Двете организации подържат собствен формат на записване на секвенциите. Съществуват още няколко основни бази данни и формати към тях съответно: Swissprot, Pir, PDB и др.
Генериране на секвенции
Като един алтернативен начин за набавяне на секвенция може да служи нейното генериране. Така биологът изследовател може да генерира секвенция със зададени характеристики и след това да изследва нейното поведение.
Мутиране на секвенции
Мутирането е един от основните механизми на еволюцията. Ето защо на биолозите се предоставя функционалност за симулиране на този процес и проследяване на различните последствия от него.
Анализ на физикохимичните свойства
Основните физикохимични свойства, които се търсят за една секвенция са нейната молекулна маса, процентното съдържание на различни аминокиселини и групи както и количественото съдържание на някои основни елементи като въглерод, азот, кислород и вода. С представянето на секвенцията като функция в двумерното пространство над нея се осъществяват някои математически манипулации, като например „изпъкване” на отделни части от получената графика.
Методи за предсказване на епитопи
Използвайки някои от получените на предишната стъпка профили на изучаваната секвенция и анализирайки неговите характеристики се отделят особени участъци от секвенцията, за които се предполага, че изпълняват специфични функции. Такива участъци са например епитопите. Те представляват уникална форма или маркер на повърхността на даден протеин (антиген), произведен от враждебна за организма приемник ДНК. Този маркер предизвиква имунна реакция и кара организма да произвежда антитела. Епитопите играят основна роля във фармацевтиката при създаване на нови лекарства.
Изпълнение на програмата BLAST
При откриване на даден епитоп трябва да се провери дали този фрагмент от секвенцията не се среща в протеини собствени за дадения организъм, защото би предизвикал автоимунна реакция, която кара организма да унищожава собствените си клетки и предизвиква смърт. Програмата, която претърсва съществуваща база от секвенции на даден организъм, с цел намиране на подобни или съдържащи дадения фрагмент секвенции се нарича BLAST. Реализираният програмен продукт използва BLAST свързвайки се към тази програма чрез интернет.
Намиране на вторична структура
Вторичната структура е важна характеристика на протеините. Извличането и от секвенцията с достатъчно висока достоверност е необходимо за изследване на тяхното поведение и последващо намиране на третичната структура.
Намиране на третична структура
Това е една от посоките за бъдещо развитие на програмата и един все още нерешен и основен проблем в съвременната молекулярна биология. Намирането на подходяща 3D структура на даден протеин би улеснило много намирането на неговите функции и характеристики.
Архитектура и използвани програмни средства
Като език за разработка е избран C++, използвайки интегрираната среда Microsoft Visual Studio 2003. Операционната система, на която може да бъде изпълнявано приложението е Microsoft Windows. Като библиотека за разработка е използвана библиотеката MFC. Предимствата, която дава тази комбинация са:
- Бързина и лекота на разработката, позволяващи концентрация върху разглеждания проблем
- Лесен за използване и приятен потребителски интерфейс на създаваното приложение
- Постигане на изпълнимост на програмата върху широк кръг компютри
Като архитектура на програмата е използван трислоен обектен модел състоящ се от модул за управление на секвенции, модул за анализ и модул за визуализация. При тази схема е използван също достъпния в MFC модел за Документ/Изглед приложения.
Заключение
В заключение може да се каже, че реализираното приложение притежава лесен и удобен за използване интерфейс и достига основните поставени цели като функционалност. Въпреки базовата реализация на някои модули програмата може да се приеме за добра отправна точка за бъдещо развитие на сериозен продукт, който да намери своето място.