5. BioPlot – набор инструментов для анализа последовательностей белков и нуклеиновых кислот, предоставляющих более пятидесяти различных предопределенных градаций для анализа белковых последовательностей (ProtScale-анализ), связанных с картой свойств и последовательностью аминокислот. BioPlot позволяет выполнять восемь различных видов анализа нуклеиновых кислот, среди которых анализ: температуры плавления, свободной энергии, энталпии, энтропии, содержания GC;
6. ContigExpress – программа для манипулирования и сборки множества небольших фрагментов, как текстовых последовательностей, так и хроматограмм с автоматического секвенатора, в длинные последовательности;
7. GCG Converter – инструмент в составе Vector NTI Suite, который преобразует последовательности в файл формата GCG, так чтобы их можно было импортировать в Suite;
8. PubMed/Entrez Search – это поисковый механизм для поиска (и извлечения) цитат и молекул из публичных баз данных, таких как PubMed, GenBank и Protein DataBank. Результаты поиска могут быть импортированы другими приложениями Vector NTI Suite [4].
Part 1 : Protein Visualisation Tool: Rasmol : Raswin : Molecular Graphics Visualisation
В терминах Vector NTI, конструирование – это создание молекул из полностью предопределенных фрагментов, сочетание которых определяется пользователем программы. Конструирование молекулы ДНК выполняется по следующей схеме:
1. Выбор и описание фрагментов молекулы;
2. Создание списка фрагментов, описывающего целевую молекулу (Goal Molecule Definition List);
3. Вызов соответствующего инструмента и собственно конструирование молекулы.
Молекула ДНК может быть собрана из различных типов фрагментов – из фрагментов существующих молекул, линкеров, адаптеров и т.п. (рисунок 1.2). Значительная часть работы при конструировании молекул — это определение фрагментов, описание линкеров и адаптеров занимает значительно меньше времени. К счастью, в составе Vector NTI есть специальный инструмент – Мастер фрагментов (Fragment Wizard), который «руководит» пользователем в процессе описания нового фрагмента и обеспечивает быстроту и прозрачность процедуры [5].
Рисунок 1.2 – Пример сконструированной плазмидной молекулы на основе векторов pUC19 и pBR322 в программе Vector NTI [5]
В дополнении к Fragment Wizard для определения фрагментов можно использовать Редактор фрагментов (Fragment Editor). С помощью редактора легко описываются любые фрагменты, однако наиболее эффективно он может быть использован при определении линкеров и адаптеров.
Кроме конструирования, в рамках инструментария Vector NTI для создания и добавления новой молекулы в базу данных существует целый ряд возможностей, в частности:
1. Описание молекулы может быть импортировано из GenBank, EMBL, FASTA;
2. Для описания молекулы может быть использована последовательность из какого-либо текстового файла;
3. Молекула может быть разработана по правилам встроенной в Vector NTI базы биологических знаний.
Молекулы, которые собраны из фрагментов, в терминах Vector NTI называются сконструированными молекулами. Молекулы, описание которых импортировано или составлено вручную, называются базовыми молекулами, т.к. они записываются в базу данных как нечто целое в противовес сконструированным молекулам, для которых вместе с общими данными записывается информация об исходных фрагментах [5].
Protein Visualization Tool | RasMol Tutorial for Beginners [PART 1]
1.3 Компьютерная программа SQ для редактирования и анализа биологических последовательностей
Приложение SQ было разработано преподавателями кафедры молекулярной биологии биологического факультета БГУ, доцентом, к.б.н. Николайчиком Е. А. и к.б.н. Валентовичем Л.Н.
SQ – редактор последовательностей ДНК, предназначенный для создания, редактирования и анализа последовательностей ДНК, а также для моделирования экспериментов молекулярного клонирования и ПЦР. Простота и удобство интерфейса были одной из основных целей при разработке программы SQ. Для достижения этой цели в SQ реализованы поддержка альтернативных языков интерфейса, удобная панель инструментов и использование вкладок вместо отдельных окон для отображения результатов анализа последовательности (рисунок 1.3).
Рисунок 1.3 – Интерфейс компьютерной программы SQ
Программа SQ использует классификацию стандартных функциональных участков последовательностей ДНК, принятую в формате GenBank [6] и таблицы генетического кода [7], опубликованные на сайте NCBI.
При помощи программы SQ можно выполнить следующие операции:
1. Получить обратную, комплементарную или обратно-комплементарную цепь ДНК;
2. Поиск промоторных, операторных и прочих последовательностей;
3. Создание, отображение и редактирование аннотации последовательности ДНК;
4. Трансляция нуклеотидных последовательностей и поиск открытых рамок считывания;
5. Рестрикционный анализ;
6. Виртуальное клонирование;
7. Проверка праймеров для ПЦР.
Процедуры рестрикционного анализа используют базу данных REBASE [8]. Связанные с рестрикцией функции доступны через многие элементы интерфейса программы: через панель инструментов, стандартное меню, контекстные меню основного окна и вспомогательного окна «Ферменты». Последнее окно содержит список доступных ферментов, представляющий собой выборку из рестрикционных эндонуклеаз, описанных в базе данных REBASE [2]. Меню «Рестрикция» позволяет редактировать этот список, а также создавать/редактировать наборы ферментов. Также графическая карта предоставляет некоторые дополнительные возможности по сравнению с простым рестрикционным анализом[1].
Виртуальное клонирование позволяет моделировать реальные эксперименты по молекулярному клонированию. Последовательности рекомбинантных плазмид, которые можно создать с помощью этой методики, облегчают документацию экспериментов по молекулярному клонированию, а также помогают оценить размеры фрагментов рестрикции, ожидаемых при проверке рекомбинантных клонов[1].
Программа SQ является сегодня единственной, предназначенной для анализа нуклеотидных последовательностей и симуляции молекулярного клонирования программой с русскоязычными (а также белорусскоязычными) интерфейсом и документацией. Несмотря на то, что программа SQ уступает по своим функциональным возможностям аналогичным коммерческим продуктам, она превосходит большинство из них по удобству пользования (и, естественно, цене).Программа SQ распространяется свободно и не имеет ограничений по ее использованию. Последняя версия программы и вспомогательные файлы доступны для загрузки на официальном сайте проекта SQ [9].
2.1 Программа RasWin для просмотра 3D молекул
Данная программа находится в свободном доступе в глобальной сети «Интернет». RasWin позволяет просматривать изображения молекул в формате .pdb. Файлы в данном формате можно найти в базе данных Protein Data Base (PDB) [10]. Для того чтобы найти интересующую структуру необходимо в окне поиска набрать код структуры или название, например, 132L — лизоцим.
В открывшемся окне, найти ссылку на файл .pdb, который откроется в окне браузера. Далее необходимо скопировать весь текст в блокнот и сохранить как name.pdb (изменить при сохранении ‘текстовые файлы’ на ‘все файлы’, для того, чтобы изменить разрешение). Пользовательский интерфейс достаточно прост (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Интерфейс программы RasWin
При помощи RasWin макромолекулы можно представить в различных вариациях (рисунок 2.2). Также в данной программе предусмотрен выбор цветов для отдельных групп атомов, которые составляют макромолекулу. Полученные 3D изображения можно сохранить в форматах .bmp, .gif, .epsf, .ppm и .rast.
Источник: smekni.com
Просмотр 3D-молекул
Для просмотра 3D-молекул необходимо закачать архив программы RasWin и распаковать его на ваш компьютер.
Теперь вы можете просматривать изображения молекул в формате .pdb
Чтобы попробовать закачайте файл cellulos.pdb
Если у вас не получается открыть закаченный файл щелкните по нему правой кнопкой мыши, выберете в меню — открыть с помощью, выбрать программу, обзор, отыщите RasWin, укажите всегда открывать файлы такого типа этой программой.
Некоторые файлы вы сможете найти на нашем сайте в соответствующих обзорах.
Файлы можно также искать в базе данных Protein Data Base (PDB) . Для того чтобы найти интересующую вас структуру необходимо в окне поиска набрать код структуры или название, например, 132L — лизоцим. В открывшемся окне, найти ссылку на файл .pdb, который откроется в окне вашего браузера. Скопируйте весь текст в блокнот и сохраните как name.pdb (не забудьте изменить при сохранении ‘текстовые файлы’ на ‘все файлы’, чтобы изменить разрешение). Приятного вам просмотра!
Для атомов пространственных моделей приняты следующие цвета:
H — белый , O — красный , С- серый , N — синий , P — оранжевый, S — желтый.
Коды некоторых интересных структур
132L — Лизоцим
1AAY — Цинковый палец
1COO — РНК-полимераза
1BBE — Коллаген
1C3W — Бактериородопсин
1HGA — Гемоглобин
7ICG — ДНК-полимераза
1A29 — Кальмодулин
1A0S — Порин
1C1G — Тропомиозин
1I6H — РНК-полимераза II синтезирующая РНК по матрице ДНК. Двухцепочечная ДНК входит в фермент, раскручивается перед активным центром фермента. В пределах активного центра существует дуплекс ДНК-РНК длинной 9 пн. 3′-конец РНК располагается над порой, через которую РНК выходит из фермента. Виден желоб в который входит и выходит ДНК и выходит РНК.
| cellulos.pdb | 5.51 кб |
| raswin.exe_.gz | 244 кб |
Источник: cellbiol.ru
Использование нформационных технологий в молекулярной биологии
Данная программа находится в свободном доступе в глобальной сети «Интернет». RasWin позволяет просматривать изображения молекул в формате .pdb. Файлы в данном формате можно найти в базе данных Protein Data Base (PDB) [10]. Для того чтобы найти интересующую структуру необходимо в окне поиска набрать код структуры или название, например, 132L — лизоцим.
В открывшемся окне, найти ссылку на файл .pdb, который откроется в окне браузера. Далее необходимо скопировать весь текст в блокнот и сохранить как name.pdb (изменить при сохранении ‘текстовые файлы’ на ‘все файлы’, для того, чтобы изменить разрешение). Пользовательский интерфейс достаточно прост (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Интерфейс программы RasWin
При помощи RasWin макромолекулы можно представить в различных вариациях (рисунок 2.2). Также в данной программе предусмотрен выбор цветов для отдельных групп атомов, которые составляют макромолекулу. Полученные 3D изображения можно сохранить в форматах .bmp, .gif, .epsf, .ppm и .rast.
1
2
3
Р
4
5
6
исунок 2.2 – различные варианты представления 3 D модели молекулы ДНК полимеразы бета (код 7ICG в базе данных Protein Data Base ) с помощью программы RasWin
2.2 Программа Modeller для моделирования макромолекул.
Modeller — компьютерная программа, которая моделирует трехмерные структуры белков и строит их со всеми необходимыми пространственными ограничениями. Modeller является наиболее часто используемой программой для гомологического или сравнительного моделирования структуры белков: пользователь предоставляет выровненную последовательность, на основе которой программой будет смоделирована молекула с известными родственными структурами. В процессе работы Modeller автоматически вычислит модель со всеми неводородными атомами.
В более широком смысле, использование программы Modeller ограничено пространственной структурой аминокислотной и лигандной последовательностью, которые будут смоделированы. Результат вычислений — трехмерная структура, которая соответствует этим ограничениям настолько, насколько это возможно [11].
Трехмерная модель, полученная в программе Modeller при оптимизации функции вероятности молекулярной плотности имеет формат (pdf). Молекулярная pdf для сравнительного моделирования оптимизирована с переменно-целевой процедурной функцией в пространстве декартовых координат, которое использует методы сопряженных градиентов и динамику молекул с модельной «закалкой».
Программа Modeller может также выполнять множественное сравнение последовательностей белка и/или структур, объединенных в кластеры белков, и поиска последовательности из баз данных. Программа использует язык скриптов (сценариев) и не имеет графического интерфейса. Программа Modeller распространяется бесплатно. Скачать ее можно с официального сайта Modeller [12].
2.3 Использование программы AutoDock для моделирования молекулярных процессов
Докинг – одна из самых главных и важных стадий процесса компьютерного моделирования лекарств. Основной задачей докинга является построение модели структуры комплекса молекулы лиганда (биологически активного вещества) и молекулы рецептора (биомишени). Обычно молекула рецептора представляет собой белковую макромолекулу, а молекула лиганда — малую молекулу. Реже встречаются примеры белок-белкового докинга [13].
Молекулярный докинг предсказывает структуру межмолекулярного комплекса, сформированного между двумя или больше молекулами. При докинге необходимо учитывать конформационную подвижность как молекулы рецептора так и лиганда.
Молекулярный докинг рассматривается как размещение низкомолекулярного вещества в активный сайт белка и предсказание энергетически выгодного расположения. Когда активный сайт белка не известен, поиск сайт соединения и конформации лиганда называют «слепым докингом». Исследование при слепом докинге также ценны для поиска белок-белковых взаимодействий, когда обе макромолекулы, как предполагается, дополняют друг друга формой и межмолекулярными взаимодействиями. В слепом докинге предполагается, что энергетически выгодная конформация с учетом комплементарности является искомой структурой. Для решения данных задач применяется одна из наиболее эффективных программ – AutoDock [14] .
Программа AutoDock позволяет проводить молекулярный докинг с целью поиска локального минимума энергии взаимодействия между лигандом и белком, а также проводить поиск глобального минимума энергии взаимодействия между лигандом и белком, если положение лиганд связывающего центра не определено эксперементально. В частности, программа применяется для разработки лекарств, специфически связывающихся с тем или иным белком, при виртуальном высокопроизводительном скрининге, при белок-белковом докинге, а так же для изучения химических механизмов взаимодействия, для определения геометрии лиганд-рецепторных комплексов рецепторов на основе использования экспериментальных или расчетных данных о строении лиганд-связывающего центра. При расчете энергии связывания учитываются ван-дер-ваальсовы и электростатические взаимодействия, водородные связи, а также вклад энергии десольватации. Эффективность докинга в программе AutoDock повышается путем построения карт электростатических потенциалов, силового поля AMBER. Результаты, полученные с помощью программы Autodock, позволяют анализировать минимальную энергию связывания лиганда с макромолекулой, вероятность нахождения лиганда в активном центре белка в положении, отвечающем наименьшей энергии связывания, и среднеквадратичное отклонение найденного положения лиганда от данных рентгеноструктурного анализа [13,14].
AutoDock состоит из двух главных программ: AutoDock выполняющий докинг лигандов в сайт связывания мишений белка в решетке; AutoGrid предварительно вычисляет размер этой решетки. В дополнение к использованию существует GRID — распределение визуализированных моментов между этими двумя частями. Это может быть полезным, например, при дизайне синтетических органических соеденений, когда запросы программы очень массивные и идет большая нагрузка на процессор компьютера.
Также разработан графический пользовательский интерфейс, который называется AutoDockTools или сокращенно ADT, который позволяет визуализировать вращение лиганда, просматривать места взаимодействия лиганда и молекулеы управлять докингом.
- Рентгеновской кристаллографии;
- Дизайне структуры кандидатов на роль лекарств
- Проведении оптимизации;
- Виртуальном скрининге (HTS);
- Дизайне комбинаторных библиотек;
- Белок-белковых взаимодействий;
- Механизмах химических исследований [13,14].
Современную науку трудно себе представить без информационных технологий. В данной работе были рассмотрены методы использования ИТ в молекулярной биологии. Постановка многих экспериментов в молекулярной биологии была бы крайне затруднительна без использования компьютерных устройств и программного обеспечения. Такие программы как Vector NTI, SQ позволяют изучать, визуализировать, манипулировать и конструировать биологические молекулы, разрабатывать стратегии клонирования молекул, тем самым в большой степени повышая продуктивность работы молекулярного биолога. Также при помощи целого ряда программ, таких RasWin, Modeller, AutoDock возможно не только 3D моделирование макромолекул, но процессов, идущих на молекулярном уровне.
- Николайчик Е. А., Валентович Л. Н.. SQ –компьютерная программа для редактирования и анализа биологических последовательностей // Труды Белорусск. гос. ун-та. Сер.: Физиологические, биохимические и молекулярные основы функционирования биосистем. 010. –Т.5. –Ч.1. –с.57-67.
- Rice, P., Longden, I., Macelis, D. REBASE-a database for DNA restriction and modification: enzymes, genes and genomes // Nucleic Acids Research – 2010. – Vol. 38. – P. D234-236.
- SQ: редактор биологических последовательностей для молекулярных биологов // Биологический факультет Белорусск. гос. ун-та [Электронный ресурс].– 2003. – Режим доступа: http://www.bio.bsu.by/sq/about.html. – Дата доступа: 10.12.2010.
- A Resource for Studying Biological Macromolecules // Protein Data Bank [Electronic resource] – 2008. – Mode of access: http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do. – Date of access: 19.12.2010.
- Программа Modeller — что это и для чего? // Биоинформатика и познания [Электронный ресурс].– 2009. – Режим доступа: http://www.bioinformatix.ru/modeller/programma-modeller-chto-eto-i-dlya-chego.html. – Дата доступа: 19.12.2010.
- Mollder [Electronic resource] / Departments of Biopharmaceutical Sciences and Pharmaceutical Chemistry, California Institute for Quantitative Biomedical Research, 2010. – Mode of access: http://salilab.org/modeller/download_installation.html. – Date of access: 19.12.2010.
- Энгелевский Н. Докинг: определение, виды, методы, проблемы и решения. Программы для докинга / Биоинформатика и познания [Электронный ресурс].– 2009. – Режим доступа: http://www.bioinformatix.ru/drugie-programmyi/doking-opredelenie-vidyi-metodyi-problemyi-i-resheniya.-programmyi-dlya-dokinga.html. – Дата доступа: 19.12.2010.
- Мартынюк А. Молекулярный докинг: понятие, применение, программы для докинга / Биоинформатика и познания [Электронный ресурс].– 2009. – Режим доступа: http://www.bioinformatix.ru/drugie-programmyi/molekulyarnyiy-doking-ponyatie-sut-programmyi-dlya-dokinga.html. – Дата доступа: 19.12.2010.
Источник: 100-bal.ru