Tài liệu Tìm hiểu một số công cụ hiện đại hỗ trợ nghiên cứu y sinh

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ---------- BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU MỘT SỐ CÔNG CỤ HIỆN ĐẠI HỖ TRỢ NGHIÊN CỨU Y SINH NGUYỄN BÁ HUY TRẦN ĐỨC LUÂN Formatted: Vietnamese BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012 TRƢỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ---------- BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU MỘT SỐ CÔNG CỤ HIỆN ĐẠI HỖ TRỢ NGHIÊN CỨU Y SINH SVTH: NGUYỄN BÁ HUY TRẦN ĐỨC LUÂN GVHD: PGS.TS TRẦN VĂN LĂNG Formatted: Space Before: 12 pt BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012 Formatted: Vietnamese LỜI CẢM ƠN Formatted: Vietnamese ---------- Formatted: Vietnamese Formatted: Vietnamese Để có kiến thức nhƣ ngày hôm nay và hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu khoa học “Tìm hiểu một số công cụ hiện đại hỗ trợ nghiên cứu y sinh”, đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu cùng toàn thể quý thầy cô khoa Công Nghệ Thông Tin - Trƣờng Đại Học Lạc Hồng đã tận tình dạy bảo, truyền đạt kiến thức và những kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong suốt hơn bốn năm qua. Chúng em xin gửi những lời tri ân sâu sắc tới thầy PGS.TS Trần Văn Lăng, ngƣời thầy đã tận tình hƣớng dẫn, động viên chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Chúng em xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp và hỗ trợ từ cô Ths. Võ Hồng Bảo Châu và thầy Ths. Phan Mạnh Thƣờng đã giúp chúng em hoàn thiện đề tài này. Chúng em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến của những ngƣời thân trong gia đình đình đã quan tâm, động viên và cổ vũ tinh thần cho chúng em trong suốt thời gian qua. Chúng em cũng vô cùng cảm ơn những ngƣời bạn đã đồng hành, giúp đỡ chúng em trong việc hoàn thành tốt đề tài này. Chúng em xin chân thành cảm ơn và kính chúc toàn thể quý thầy cô và các bạn luôn dồi dào sức khỏe và thành công trong cuộc sống. Nhóm thực hiện đề tài Nguyễn Bá Huy - Trần Đức Luân Biên Hòa, Tháng 12 1/ 2012 Formatted: Font: 18 pt MỤC LỤC ---------TRANG BÌA.............................................................................................................. Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... 111 Field Code Changed Formatted: French (France) MỤC LỤC ........................................................................................................................ 442 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................................ 664 DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH .................................................................. 775 PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 886 1. Tên đề tài .................................................................................................................. 886 2. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................... 886 3. Lịch sử nghiên cứu ................................................................................................... 997 3.1. Trên thế giới ...................................................................................................... 997 3.2. Trong nƣớc ........................................................................................................ 997 4. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 10108 5. Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................................... 10108 6. Những đóng góp mới của đề tài và những vấn đề chƣa thực hiện đƣợc .............. 10108 6.1. Những đóng góp mới của đề tài .................................................................... 10108 6.2. Những vấn đề chƣa thực hiện đƣợc ............................................................... 11119 7. Kết cấu của đề tài.................................................................................................. 11119 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TIN SINH HỌC VÀ CÁC CÔNG CỤ HIỆN ĐẠI HỖ TRỢ NGHIÊN CỨU Y SINH ............................................................................... 1 1.1. Tin sinh học, sinh học tính toán là gì? ....................................................................... 1 1.2. Giới thiệu viện nghiên cứu National Biomedical Computation Resource ................ 3 1.3. Giới thiệu bộ công cụ MGLTools ........................................................................... 65 Field Code Changed Formatted: French (France) Field Code Changed 1.4. Giới thiệu tổng quan về ngôn ngữ lập trình Python ................................................ 87 1.4.1. Giới thiệu về Python ......................................................................................... 87 1.4.2. Lịch sử phát triển của Python ........................................................................... 87 1.5. Tiểu kết .................................................................................................................... 98 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG TÀI LIỆU HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG BỘ CÔNG CỤ MGLTOOLS BẰNG TIẾNG VIỆT ................................................................................. 109 2.1. Từ thực trạng tới nhu cầu ...................................................................................... 109 2.2. Kiến thức, nền tảng để xây dựng tài liệu hƣớng dẫn ............................................. 109 2.3. Xây dựng tài liệu hƣớng dẫn sử dụng bộ công cụ MGLTools ............................ 1110 2.3.1. Bố cục tài liệu hƣớng dẫn ............................................................................ 1110 2.3.2. Tài liệu hƣớng dẫn đƣợc tạo thành dạng sách điện tử (ebook)..................... 1413 2.4. Tiểu kết ................................................................................................................ 1615 CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC ...................................................... 1716 3.1. Đóng góp của bộ tài liệu trong thực tiễn ............................................................. 1716 3.2. Ƣu và nhƣợc điểm của tài liệu hƣớng dẫn sử dụng bộ công cụ MGLTools ...... 1817 3.3. Mức trao đổi thông tin khoa học của đề tài ......................................................... 1918 KẾT LUẬN .................................................................................................................... 2120 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 1 - DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ---------Từ viết tắt Từ đầy đủ ADT : Auto Dock Tools aMD : accelerated Molecular Dynamics APBs : Adaptive Poisson-Boltzmann solver CADD : Computer Adied Drug Discovery CSMOL : Smoluchowski Solver @ Sub-cellular level ePMV : embedded Python Molecular Viewer FETK : Finite Element Toolkit GAMer : Geometry-preserving Adapter MeshER MGLTools : Molecular Graphics Laboratory Tools Mol : Molecule NBCR : National Biomedical Computation Resource PDB : Protein Data Bank PMV : Python Molecule Viewer POVME : POcket Volume MEasurer SMOL : Smoluchowski Solver @ Molecular level DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH ---------DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... Trang Hình 1.1. Hoạt động Summer Institute lần thứ 6 do NBCR tổ chức .............................. 4 Hình 2.1. Trang bìa ebook hƣớng dẫn sử dụng bộ công cụ MGLTools ........................ 13 Hình 2.2. Danh mục bookmark trong ebook ................................................................. 14 Hình 3.1. Bài đăng trên diễn đàn Molecular Graphics Laboratory ................................ 18 Hình 3.2. Bài đăng trên diễn đàn Sinh học Việt Nam .................................................... 19 PHẦN MỞ ĐẦU ---------1. Tên đề tài ““TÌM HIỂU MỘT SỐ CÔNG CỤ HIỆN ĐẠI HỖ TRỢ NGHIÊN CỨU Y SINH”Tìm hiểu một số công cụ hiện đại hỗ trợ nghiên cứu y sinh” Formatted: Centered, Indent: First line: 0 c Formatted: Vietnamese 2. Lý do chọn đề tài Với sự phát triển mạnh trong cả hai lĩnh vực là công nghệ sinh học và công nghệ thông tin, ngày nay một khối lƣợng khổng lồ dữ liệu sinh học phân tử đƣợc thu thập và phục vụ cho quá trình nghiên cứu. Một trong những ví dụ tiêu biểu nhất có lẽ là việc hoàn thành việc giải mã bản đồ gen của ngƣời ngƣời (Human Genome) vào Formatted: Font: Italic năm 2003. Bộ gen của ngƣời bao gồm khoảng 3 tỷ nucleotide và đƣợc lƣu trữ dƣới dạng số hóa. Tuy nhiên, việc giải mã thành công bộ gen của ngƣời hay các sinh vật khác nhƣ chuột hay lúa mới chỉ là bƣớc đầu tiên trong quá trình tìm hiểu về chúng. Việc giải mã thành công bộ gen ngƣời đƣợc so sánh nhƣ việc chúng ta tìm ra bức thƣ của tạo hóa nói về cấu tạo cũng nhƣ chức năng của các bộ phận trong cơ thể con ngƣời, tuy nhiên nội dung của bức thƣ trên lại đƣợc viết bởi ngôn ngữ tự nhiên (Natural Language) mà chúng ta chƣa hiểu đƣợc. Mục tiêu và thách thức của chúng ta hiện tại cũng nhƣ trong tƣơng lai là từng bƣớc tìm hiểu và dịch nội dung của bức thƣ trên sang dạng ngôn ngữ mà con ngƣời có thể hiểu đƣợc. Tuy nhiên, thực tiễn cho thấy, việc triển khai các ứng dụng công cụ hiện đại vào thực tiễn nghiên cứu trong các phòng nghiên cứu y sinh ở Việt Nam còn rất nhiều hạn chế và gặp nhiều khó khăn. Một số nhà nghiên cứu giỏi chuyên môn nhƣng lại bỡ ngỡ khi tiếp cận đến các công cụ hiện đại liên quan mật thiết lĩnh vực công nghệ thông tin. Bên cạnh đó việc học cách sử dụng một chƣơng trình mới hỗ trợ trong nghiên cứu y sinh đƣợc viết bằng tiếng Anh đòi hỏi mất một khoảng thời gian khá dài và yêu cầu các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm phải có nền tảng kiến thức về chuyên ngành công nghệ thông tin. Formatted: Font: Italic Vì vậy, để góp phần giảm bớt những khó khăn khi triển khai áp dụng những công cụ hiện đại vào nghiên cứu y sinh trong các phòng thí nghiệm, nhóm thực hiện đề tài đã thực hiện nghiên cứu và tổng hợp thành tài liệu hƣớng dẫn một trong những bộ công cụ hiện đại hỗ trợ nghiên cứu y sinh của tổ chức National Biomedical Computation Resource (NBCR) - Hoa Kỳ, đó là bộ công cụ MGLTools. 3. Lịch sử nghiên cứu 3.1. Trên thế giới Trên thế giới bắt đầu từ năm 2002 đã có những tài liệu hƣớng dẫn liên quan đến việc giới thiệu và hƣớng dẫn sử dụng các chƣơng trình con thuộc bộ công cụ MGLTools đã đƣợc công bố nhƣ: - The Python-based Molecular Viewing Environment (PMV), ( Sophie Coon 22/08/2002). - Python Molecular Viewer (Ruth Huey, Michel Sanner - 11/10/ 2005). - Using AutoDock with AutoDockTools:A Tutorial (Ruth Huey, Garrett M. Morris - 20/10/ 2005). - Programming Scalable Scientific Workflows (M. Sanner, Guillaume Vareille, Luca Clementi, Jane Ren, Wilfred Li - 03--07/08/ 2008). - Using AutoLigand with AutoDockTools: A Tutorial (Rodney M. Harris 20/08/ 2009). - Tutorial Draft for AutoDock with a Single Ligand (AutoDockSL) for Docking Experiments (Wendy M. Fong, Wilfred W. Li - 18/4/2011). - Tutorial Draft for AutoDockVS Local for Virtual Screening Experiments (Wendy M. Fong, Wilfred W. Li - 2/5/2011). - Prepare Single Ligand for Docking and Virtual Screening Experiments (Wendy M. Fong, Wilfred W. Li -17/5/2011). 3.2. Trong nƣớc Theo nhƣ nhóm nghiên cứu tìm hiểu thì hiện nay ở Việt Nam vẫn chƣa có một tài liệu nào nghiên cứu, hƣớng dẫn sử dụng về bộ công cụ MGLTools này. Formatted: Font: Italic 4. Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu một số vấn đề liên quan đến sinh tin học (Bioinformatics) và sinh học tính toán (Computational Biology). Tìm hiểu bộ công cụ hỗ trợ nghiên cứu y sinh MGLTools và những thành phần liên quan. Khai thác thử nghiệm bộ công cụ hỗ trợ nghiên cứu y sinh MGLTools. Biên soạn tài liệu hƣớng dẫn sử dụng về những phần mềm tìm hiểu đƣợc (MGLTools). 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Tìm hiểu và thu thập tài liệu hƣớng dẫn sử dụng về bộ công cụ MGLTools. Tìm hiểu các tài liệu hƣớng dẫn, các chuyên đề về MGLTools bằng tiếng Anh trên mạng internet. Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Python để hiểu hơn về các thuật toán xây dựng các node thƣ viện sử dụng trong chƣơng trình Vision. Khai thác thử nghiệm các chức năng của bộ công cụ MGLTools, từ đó tổng kết kinh nghiệm (tổng kết thực tiễn) rút ra các đặc điểm nổi bật và cách thức sử dụng của bộ công cụ MGLTools. 6. Những đóng góp mới của đề tài và những vấn đề chƣa thực hiện đƣợc 6.1. Những đóng góp mới của đề tài Xây dựng đƣợc bộ tài liệu hƣớng dẫn sử dụng bộ công cụ MGLTools bằng tiếng Việt giúp cho những nhà nghiên cứu y sinh trong phòng thí nghiệm, các sinh viên thực tập trong lĩnh vực y học, sinh học dễ dàng hiểu, tiếp cận và sử dụng phần mềm. Với bộ tài liệu hƣớng dẫn sử dụng bằng tiếng Việt có thể giúp cho những ngƣời mới tìm hiểu làm quen sử dụng phần mềm tiết kiệm thời gian tìm hiểu cũng nhƣ đạt hiệu quả tốt hơn khi có đƣợc những kiến thức đã đƣợc hệ thống, đúc kết qua thời gian dài. Tạo tiền đề cho việc phát triển các công cụ hỗ trợ trong nghiên cứu y sinh tại các phòng thí nghiệm ở Việt Nam. 6.2. Những vấn đề chƣa thực hiện đƣợc Việc nghiên cứu tìm hiểu về các công cụ hiện đại hỗ trợ nghiên cứu y sinh đòi hỏi thực hiện quá trình trong thời gian dài, do đó với thới gian hoàn thành trong 6 tháng nên đề tài chỉ mới tìm hiểu tổng quan về bộ công cụ MGLTools, chƣa đi vào tìm hiểu chi tiết tất cả các chức năng của các module có trong bộ công cụ này. Theo nhƣ tìm hiểu thì nhóm biết đƣợc chỉ riêng phần mềm hỗ trợ nghiên cứu y sinh của tổ chức NBCR thôi thì cũng có rất nhiều phần mềm và nó thƣờng liên quan hỗ trợ cho nhau, trong phạm vi của đề tài nhóm chỉ mới nghiên cứu gói gọn trong bộ công cụ MGLTools, chƣa có thống kê, so sánh với các bộ công cụ, phần mềm khác có chức năng hỗ trợ tƣơng đƣơng đang có hiện nay. 7. Kết cấu của đề tài Luận văn đƣợc đƣợc chia thành ba phần: phần mở đầu, phần nội dung và phần kết luận. Phần mở đầu: Nêu rõ lý do chọn đề tài, tổng quan tình hình phát triển, mục tiêu, phƣơng pháp nghiên cứu, cũng nhƣ những đóng góp mới của đề tài. Bên cạnh đó cũng nêu lên các mặt hạn chế chƣa làm đƣợc của đề tài. Phần nội dung: Chƣơng 1: Giới thiệu chung về tin sinh học, sinh học tính toán, giới thiệu vài nét sơ lƣợc về viện nghiên cứu NBCR - nơi phát triển các các công cụ hiện đại hỗ trợ nghiên cứu y sinh. Giới thiệu tổng quan về bộ công cụ MGLTools. Giới thiệu sơ lƣợc về ngôn ngữ lập trình Python, là nền tảng xây dựng lên bộ công cụ MGLTools cũng nhƣ nhiều phần mềm khác do viện nghiên cứu NBCR phát triển. Chƣơng 2: Trong chƣơng này giới thiệu về cuốn tài liệu hƣớng dẫn sử dụng MGLTools mà nhóm đã biên soạn. Trong đó nêu lên cơ sở lý thuyết để xây dựng tài liệu và nêu các nội dung chính đƣợc trình bày trong tài liệu hƣớng dẫn sử dụng MGLTools. Chƣơng 3: Đánh giá kết quả đạt đƣợc của đề tài, những đóng góp mới và những ƣu điểm của tài liệu hƣớng dẫn sử dụng bộ công cụ MGLTools. Phần kết luận: Đƣa ra những kết luận, kiến nghị và hƣớng nghiên cứu tiếp theo trong thời gian tới của đề tài. -1- Formatted: Tab stops: 8 cm, Centered + No at 8.25 cm CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TIN SINH HỌC VÀ CÁC CÔNG CỤ HIỆN ĐẠI HỖ TRỢ NGHIÊN CỨU Y SINH 1.1. Tin sinh học, sinh học tính toán là gì? Tin sinh học (Bioinformaticsbioinformatics) là một lĩnh vực khoa học sử dụng các công nghệ của các ngành toán học ứng dụng, tin học, thống kê, khoa học máy tính, trí tuệ nhân tạo, hóa học và hóa sinh (biochemistry) để giải quyết các vấn đề sinh học. Là một ngành khoa học kết hợp giữa hai ngành khoa học là tin học (informatics/information technology) và sinh học (molecular biology/biology technology). Tin sinh học hiện đang và sẽ tiếp tục đóng góp nhiều thành tựu khoa học mới và quan trọng nhƣ thúc đẩy nhanh quá trình chẩn đoán bệnh và tìm ra các loại thuốc chữa bệnh mới, tìm ra các giống cây trồng và vật nuôi mới cho năng suất cao, xây dựng quá trình tiến hóa của các loài sinh vật nói chung và loài ngƣời nói riêng. Hiện nay, tại một số ít các trƣờng đại học lớn trên thế giới có đào tạo chuyên ngành tin sinh học, tuy nhiên nhìn chung những ngƣời làm việc trong lĩnh vực tin sinh học thƣờng đƣợc đào tạo chuyên sâu về một trong 2 lĩnh vực là tin học (công nghệ thông tin, toán học) hoặc sinh học (hóa học, vật lý học). Bên cạnh đó, họ tìm hiểu thêm hoặc đƣợc đào tạo cơ bản về lĩnh vực còn lại. Tin học có ảnh hƣởng sâu sắc đến sinh học, thông thƣờng, những ngƣời làm tin sinh học sử dụng những kiến thức và công cụ trong tin học để giải quyết những vấn đề trong sinh học. Ví dụ, ngƣời ta tiến hành xây dựng những cơ sở dữ liệu nhằm quản lý và khai thác một lƣợng lớn các dữ liệu sinh học phân tử (Nucleotide, Amin acids). Mặt khác, sinh học cũng có những tác động ngƣợc lại đến tin học. Ví dụ xây dựng mạng nơron (neutral network) bằng cách mô phỏng bộ não của con ngƣời, hay thiết kế các thuật toán di truyền (Genetic Algorithms) dựa vào mô phỏng quá trình tiến hóa của các loài sinh vật. Với sự phát triển mạnh trong cả hai lĩnh vực là công nghệ sinh học và công nghệ thông tin, ngày nay một khối lƣợng khổng lồ dữ liệu sinh học phân tử đƣợc thu thập và phục vụ cho quá trình nghiên cứu. Một trong những ví dụ tiêu biểu nhất có lẽ là việc hoàn thành việc giải mã bản đồ gen của ngƣời (Human Genome) vào năm 2003. Bộ gen của ngƣời bao gồm khoảng 3 tỷ nucleotide và đƣợc lƣu trữ dƣới dạng số hóa. Tuy nhiên, việc giải mã thành công bộ gen của ngƣời hay các sinh vật khác nhƣ Formatted: Font: Italic -2- Formatted: Tab stops: 8 cm, Centered + No at 8.25 cm chuột hay lúa mới chỉ là bƣớc đầu tiên trong quá trình tìm hiểu về chúng. Việc giải mã thành công bộ gen ngƣời đƣợc so sánh nhƣ việc chúng ta tìm ra bức thƣ của tạo hóa nói về cấu tạo cũng nhƣ chức năng của các bộ phận trong cơ thể con ngƣời, tuy nhiên nội dung của bức thƣ trên lại đƣợc viết bởi ngôn ngữ tự nhiên (Natural Language) mà Formatted: Font: Italic chúng ta chƣa hiểu đƣợc. Mục tiêu và thách thức của chúng ta hiện tại cũng nhƣ trong tƣơng lai là từng bƣớc tìm hiểu và dịch nội dung của bức thƣ trên sang dạng ngôn ngữ mà con ngƣời có thể hiểu đƣợc. Sinh học tính toán (computational biology) là một lĩnh vực đa ngành nhằm ứng dụng các kĩkỹ thuật của khoa học máy tính, tính toán ứng dụng và thống kê để giải quyết các bài toán xuất phát từ sinh học. Các lĩnh vực chính trong sinh học có dùng các kĩkỹ thuật kể trên bao gồm:  Tin sinh học: ứng dụng các giải thuật và kĩkỹ thuật thống kê để phân tích các dữ liệu chuỗi sinh học. Các dữ liệu này thƣờng là rất lớn các chuỗi DNA, RNA, hoặc protein. Ví dụ nhƣ bắt cặp trình tự (sequence alignment); tìm kiếm gien; và dự đoán biểu hiện gien (gene expression). (Thuật ngữ sinh học tính toán thƣờng đồng nghĩa với tin sinh học.)  Mô hình sinh học tính toán (Computational computational biomodeling): là một lĩnh vực thuộc biocybernetics nhằm xây dựng các mô hình tính toán cho các hệ thống sinh học.  Gien học tính toán (Computational computational genomics): là một lĩnh vực thuộc gien học (genomics) nhằm nghiên cứu bộ gien của các tế bào và cá thể nhờ sử dụng các kĩkỹ thuật bắt cặp bộ gien (genome sequencing) tốc độ cao. Các kĩkỹ thuật này đòi hỏi phải có giai đoạn hậu xử lí, gọi là lắp ráp bộ gien (genome assembly), và nó dùng kĩkỹ thuật DNA microarray để thực hiện các phân tích thống kê trên các gien mà có biểu hiện ở từng loại tế bào.  Mô hình hóa phân tử (Molecular molecular modeling): là lĩnh vực nghiên cứu các phƣơng pháp lí thuyết và các kĩkỹ thuật tính toán để mô hình hay bắt chƣớc cách hành xử của phân tử, từ phân tử chỉ vài nguyên tử đến các phân tử cực lớn. Formatted: Font: Not Italic Formatted: Tab stops: 8 cm, Centered + No at 8.25 cm -3 Sinh học hệ thống (Systems systems biology): nhằm mục đích mô hình các mạng tƣơng tác sinh học qui mô lớn (thuật ngữ: interactome) nhờ dùng các phƣơng trình sai phân. Dự đoán cấu trúc protein và Gien học cấu trúc (structural genomics): Formatted: Font: Italic nhằm đƣa ra đƣợc một cách chính xác các mô hình cấu trúc 3 chiều của cấu trúc protein mà chƣa đƣợc tìm thấy bằng thực nghiệm.  Hóa sinh và lý hóa tính toán, nhằm sử dụng tối đa các phƣơng pháp mô phỏng và mô hình hệ thống nhƣ động học phân tử và các phƣơng pháp lấy mẫu Boltzmann- dựa trên- phƣơng pháp Monte Carlo trong nỗ lực nhằm làm sáng tỏ động năng và nhiệt động học của các chức năng protein. 1.2. Giới thiệu viện nghiên cứu National Biomedical Computation Resource Formatted: Vietnamese Formatted: Vietnamese Những phần mềm do tổ chức National Biomedical Computation Formatted: Vietnamese Resource (NBCR) phát triển giúp các nhà khoa học Y Sinh giải quyết các thách thức Formatted: Indent: Left: 0 cm, First line: 3 cm, Space Before: 12 pt, Tab stops: 3.5 cm, Left trong việc tích hợp các phép đo chi tiết cấu trúc từ các quy mô đa dạng của các tổ chức Formatted: Font: Italic sinh học Formatted: Vietnamese Formatted: Vietnamese tiết cấu trúc từ các quy mô đa dạng của các tổ chức sinh học từ phân tử, để đạt đƣợc sự hiểu biết định lƣợng của chức năng sinh học. Đoán trƣớc nhiều quy mô các mô hình cùng nhau giải quyết các vấn đề trong mô hình của các tế bào sinh lý, xây dựng các công cụ mô hình hóa phân tử để đẩy nhanh phát hiện và xác định các công cụ cho mô hình hóa theo nhiều quy mô cụ thể. Phần mềm do NBCR phát triển: ADT GAMer aMD iAPBS APBS MEME AutoClickChem MGLTools AutoGrow NNScore BrownDye Opal CADD PDB2PQR Continuity PMV Formatted: Indent: First line: 3.5 cm, Space Before: 12 pt, Tab stops: 3.5 cm, Left Formatted: Tab stops: 8 cm, Centered + No at 8.25 cm -4CSMOL POVME ePMV SMOL FETK TxBR -5- Formatted: Tab stops: 8 cm, Centered + No at 8.25 cm Hình 1.1. hoạt động Summer Institute lần thứ 6 do NBCR tổ chức (01/08/2011) [8]. Địa chỉ: Atkinson Hall, tầng 5, University of California, San Diego. 9500 Gilman Drive, MC 0446, La Jolla, CA 92093-0446. Điện thoại: 858.534.5079 / Fax: 858.534.5033 Email: [email protected] Formatted: Font color: Black -6- Formatted: Tab stops: 8 cm, Centered + No at 8.25 cm 1.3. Giới thiệu bộ công cụ MGLTools MGLTools là một phần mềm đƣợc phát triển tại Molecular Graphics Laboratory (MGL: phòng thí nghiệm đồ họa phân tử) của viện nghiên cứu Scripps cho phép hình dung và phân tích các cấu trúc phân tử. Dƣới sự hƣớng dẫn của Giáo sƣ Sinh học phân tử, Arthur J. Olson, phòng thí nghiệm này quan tâm đến việc phát triển các kỹ thuật mới cho việc tính toán, phân tích và mô hình hóa sự tƣơng tác của các hệ thống sinh học phân tử, protein với phối tử, protein với protein khác...  Ba ứng dụng chính của MGLTools là:  AutoDockTools (ADT)  Python Molecular Viewer (PMV)  Vision AutoDockTools: giao diện miễn phítƣơng tác cho AutoDock, phát triển bởi cùng một phòng thí nghiệm phát triển AutoDock. Ta có thể sử dụng nó để thiết lập, thực thi, phân tích và lắp ghép tự động đƣợc thiết kế để dự đoán các phân tử, cũng nhƣ tính toán bề mặt phân tử, hiển thị băng cấu trúc thứ cấp, tính liên kết hydro ... AutoDockTools là giao diện đồ họa cuối cùng để thiết lập, khởi động và phân tích AutoDock.  Các chức năng của AutoDockTools:  Xem phân tử trong không gian 3D xoay và thu phóng trong thời gian thực.  Thêm tất cả hydrogens hoặc không phân cực hydrogens.  Thiết lập liên kết xoay trong phối tử bằng cách sử dụng một phiên bản đồ họa của AutoTors.  Thiết lập tập tin tham số AutoDock (DPF) bằng cách sử dụng các form.  Khởi chạy AutoGrid và AutoDock.  Đọc trong các kết quả của công việc AutoDock và bằng đồ thị hiển thị chúng.  Xem bản đồ ái lực isocontoured AutoGrid. Formatted: Justified Formatted: Font: Not Bold -7- Formatted: Tab stops: 8 cm, Centered + No at 8.25 cm  Và nhiều, nhiều hơn nữa… Python Molecular Viewer: là một ứng dụng mô phỏng phân tử mạnh mẽ, nó có một số tính năng tùy biến và đi kèm với nhiều lệnh (pluggable) khác nhau, hiển thị bề mặt phân tử để vẽ khối lƣợng tiên tiến.  Các chức năng của PMV:  Đƣa raHiển thị màu khác nhau cho (nguyên tử, loại dƣ lƣợng, chuỗi, phân tử, đặc tính, vv ...)  Tích hợp công cụ đo lƣờng.  Xác định nguyên tử bằng cách lựa chọn (picking).  Hỗ trợ cho nhiều phân tử.  Đại diện cấu trúc thứ cấp.  Ngƣời sử dụng tự định nghĩa các nguyên tử, các dƣ lƣợng, chuỗi và các phân tử ... Vision: là một môi trƣờng lập trình trực quan, trong đó ngƣời sử dụng có thể tƣơng tác xây dựng lên mạng lƣới các node, kết hợp các phƣơng pháp tính toán trực quan mới của dữ liệu, mà không cần thực sự viết code. Mỗi node đóng gói phƣơng pháp tính toán cụ thể, đƣợc tổ chức trong các thƣ viện và hiển thị trong Vision. Ngƣời dùng có thể kéo và thả chúng lên Canvas (khung thao tác) và kết nối cổng đầu vào và cổng đầu ra để xác định một luồng lệnh sẽ thực hiện. Cho đến nay, vision bao gồm một tập hợp các node tiêu chuẩn bao gồm một thƣ viện OpenGL 3D trực quan. Thƣ viện SymServ thực hiện một tập hợp các node định biến đổi hình học nhƣ đối xứng điểm, dịch, luân chuyển, sắp xếp xoắn ốc vv... Formatted: Font: Italic -8- Formatted: Tab stops: 8 cm, Centered + No at 8.25 cm 1.4. Giới thiệu tổng quan về ngôn ngữ lập trình Python 1.4.1. Giới thiệu về Python Python là một ngôn ngữ lập trình hƣớng đối tƣợng rất thông dụng dùng để viết các tiện ích hệ thống và các đoạn mã trên Internet. Nó cũng đƣợc sử dụng nhƣ ngôn ngữ kết dính đóng vai trò tích hợp C và C++. Đƣợc tạo ra bởi Guido van Rossum tại Amsterdam năm 1990. Python hoàn toàn tạo kiểu động và dùng cơ chế cấp phát bộ nhớ tự động; do vậy nó gần giống nhƣ Perl, Ruby, Scheme, Smalltalk, và Tcl. Python đƣợc phát triển trong một dự án mã mở, do tổ chức phi lợi nhuận Python Software Foundation quản lý. Gần đây nhất, đầu tháng 8/2006 Microsoft đã cho ra mắt bản phân phối thử nghiệm IronPython 1.0, vừa tích hợp tốt với .Net Framework, vừa hoàn toàn kế thừa ngôn ngữ Python. IronPython còn tận dụng CLI (nền tảng ngôn ngữ chung) để đạt hiệu năng cao, chạy nhanh hơn 1.5 lần so với Python nền C thông thƣờng dựa trên thang đo benchmark. Python là ngôn ngữ có hình thức rất sáng sủa, cấu trúc rõ ràng, thuận tiện cho ngƣời mới học lập trình. Cấu trúc của Python còn cho phép ngƣời sử dụng viết mã lệnh với số lần gõ phím tối thiểu. Ban đầu, Python đƣợc phát triển để chạy trên nền Unix. Nhƣng rồi theo thời gian, nó đã “bành trƣớng” sang mọi hệ điều hành từ DOS đến Mac OS, OS/2, Windows, Linux và các hệ điều hành khác thuộc họ Unix. Mặc dù sự phát triển của Python có sự đóng góp của rất nhiều cá nhân, nhƣng Guido van Rossum hiện nay vẫn là tác giả chủ yếu của Python. Ông giữ vai trò chủ chốt trong việc quyết định hƣớng phát triển của Python. 1.4.2. Lịch sử phát triển của Python Sự phát triển Python đến nay có thể chia làm các giai đoạn: - Python 1: bao gồm các bản phát hành 1.x. Giai đoạn này, kéo dài từ đầu đến cuối thập niên 1990. Từ năm 1990 đến 1995, Guido làm việc tại CWI (Centrum voor Wiskunde en Informatica – Trung tâm Toán-Tin học) tại Amsterdam, Hà Lan. Vì nguyên nhân này, các phiên bản Python đầu tiên đều do CWI phát hành. Phiên bản Formatted: Font: Italic