A Biologia na Era da Computação. Hugo Brandão Uchôa Laboratório de Sistemas Biomoleculares IBILCE-UNESP

Transcrição

1 A Biologia na Era da Computação Hugo Brandão Uchôa Laboratório de Sistemas Biomoleculares IBILCE-UNESP

2 Tópicos Motivação Áreas da Computação Parmodel BioLinux MyODB Conclusão

3 Motivação Grande desenvolvimento da computação. Aplicação nas mais diversas áreas do conhecimento humano. Extremamente útil para a biologia molecular.

4 Motivação Grande desenvolvimento da Biologia Molecular. Enorme quantidade de dados que necessitam ser armazenados e analisados.

5 Motivação

6 Motivação Surge o termo Bioinformática: Desenvolvimento e utilização de técnicas computacionais na resolução de problemas biológicos

7 Motivação Pode ser dividida em duas partes: Desenvolvimento das ferramentas. Utilização das ferramentas.

8 Áreas da Computação Computação de Alto Desempenho Banco de Dados Computação Científica Sistemas Operacionais Redes Neurais

9 Áreas da Computação Computação de Alto Desempenho Surge da necessidade de maior poder computacional para a resolução de problemas de Biologia Estrutural

10 Áreas da Computação

11 Áreas da Computação Solução: Utilização de computadores que operam em paralelo (Clusters) Aplicação de técnicas de Programação Paralela para portar os programas a esta nova arquitetura

12 Áreas da Computação Bancos de Dados Grande massa de dados gerada. Armazenamento realizado em Bancos de Dados. Integração com ferramentas WEB para disponibilizar estes dados

13 Áreas da Computação Computação Científica Aplicação de computação na resolução de problemas científicos. Alinhamento de seqüências.

14 Sistemas Operacionais Áreas da Computação Utilização do Sistema Operacional Linux Necessidade de modificar este sistema para direcioná-lo à aplicações de biologia estrutural Facilitar a vida do usuário

15 Áreas da Computação Redes Neurais Simulam os neurônios e são utilizadas nas mais diversas aplicações Podem ser utilizadas para predizer estruturas secundárias de proteínas

16 Ferramentas do BMSys Objetivos: Automatizar e paralelizar programas existentes; Criação de interfaces amigáveis com acesso pela WEB; Desenvolvimento de novas ferramentas e bases de dados; Facilitar a vida dos biólogos;

17 Ferramentas do BMSys Parmodel; BioLinux; MyODB;

18 Parmodel Nem sempre é possível determinar a estrutura terciária de uma proteína através de métodos experimentais. Necessidade de usar técnicas computacionais para a construção de modelos. Principal técnica: modelagem molecular por homologia.

19 Parmodel Utilização do software Modeller (Sali & Blundell, 1993). Processo não automatizado que envolve várias etapas. Modelagem e análise demanda um tempo considerável. Necessário realizar a análise e visualização dos modelos

20 Parmodel Criação do Parmodel - pipeline que permite a execução de todas as etapas da modelagem molecular por homologia: Criação dos Modelos; Avaliação; Otimização; Visualização;

21 Parmodel Modeling - Identificação do paralelismo; - Escolha do estilo de paralelismo; - Desenvolvimento do algoritmo; - Escolha de uma linguagem de programação;

22 Identificação do paralelismo: Parmodel Modeling

23 Parmodel Modeling Escolha do estilo de paralelismo: - Optou-se pelo modelo de paralelismo bag of tasks - Caracteriza pela existência de um processo gerente que distribui tarefas aos processos trabalhadores

24 Parmodel Modeling Vantagens do bag of tasks: - Balanceamento de carga; - Escalabilidade;

25 Parmodel Modeling Trab.1 Trab. 2 Trab. 3 Trab. 4 Trab.15 Requisita modelagem Envia número e semente Gerente Dados na Página Internet Usuário Envia result. da análise Ordena N modelos Alinhamento

26 Parmodel Modeling Desenvolvimento do programa através de uma linguagem: - A linguagem utilizada foi o C. - Utilização da biblioteca de troca de mensagens MPI (Message Passing Interface).

27 Parmodel Modeling MPI é um modelo de interface de troca de mensagens para computadores que utilizam memória distribuída. O MPI utiliza o paradigma SPMD (Single Program Multiple Data) onde cada processo executa o mesmo programa.

28 Parmodel Assessment Análise dos Modelos: Procheck; 3DAnalysis; Whatcheck;

29 Parmodel Assessment Procheck: Checa a qualidade estereoquímica da estrutura; Construção do mapa de Ramachandran; Importante na modelagem e na resolução de estruturas de proteínas;

30 Procheck: Parmodel Assessment

31 Procheck: Parmodel Assessment

32 Parmodel Assessment 3DAnalysis: Relaciona a estrutura tridimensional de uma proteína com sua seqüência de aminoácidos; Permite saber se o modelo tridimensional condiz com a preferência de cada aminoácido;

33 Parmodel Assessment 3DAnalysis: - Classifica a qualidade dos modelos de acordo com os scores dos aminoácidos; Score Ideal: S ideal = exp( xln(L)) onde L= Número de aminoácidos

34 3DAnalysis: Parmodel Assessment

35 Parmodel Assessment Whatcheck: Gera um relatório completo com várias análises da proteína; Informações relativas à qualidade estereoquímica e RMSD.

36 Parmodel Optimization Permite realizar a otimização dos modelos através da utilização do software GROMACS. Processo realizado através da minimização de energia da molécula. Nem sempre o modelo final melhora.

37 Parmodel Visualization Permite visualizar a estrutura secundária do modelo final. Criação de gifs animados, jpeg, ps e VRML. Acessos do mundo todo.

38 Parmodel Visualization

39 Parmodel Database Os 20 melhores modelos de cada modelagem podem ser obtidos através desta base de dados; Atualmente conta com modelos;

40 Parmodel Resultados: Permite executar modelagem, avaliação, otimização e visualização dos modelos de forma automática; Diminui tempo de execução do Modeller; Aumenta a chance de se obter bons modelos; Acessível de qualquer lugar;

41 BioLinux-BR Modificação do SO Linux incorporando ferramentas de bioinformática

42 Biolinux-BR Inexperiência dos usuários; Uso incorreto de aplicativos; Baixo nível de facilidade; Instalação de aplicativos de modo incorreto.

43 BioWindows?

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45 Linux é difícil?

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48 Características do Linux Multitarefa; Estável; Confiável; Seguro; Alto desempenho; Suporte à redes;

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51 BioLinux-BR

52 BioLinux-BR Facilidade de uso; Boot direto do CD; Reconhecimento automático de hardware; Programas pré-instalados e configurados; Atualizações de maneira simplificada.

53 BioLinux-BR Capacidade de instalar no HD; Fácil e rápido; Problema: não há como escapar de particionar o disco.

54 BioLinux-BR Cientistas e pesquisadores de bioinformática; Usuários pouco familiarizados com a instalação de sistemas operacionais;

55 MyODB MyODB (My Own DataBase) Ferramenta que possibilita a construção de banco de dados do ponto de vista biológico através de busca por palavras chaves. Conjunto de 12 tabelas correlacionadas com dados específicos para as necessidades do usuário.

56 MyODB

57 MyODB GenBank PDB Scripts 01 Busca das informações por palavras chaves. GenBank Espécies Seqüências - DNA - Proteínas - EST PDB Estrutura Grande quantidade de dados Scripts 02 Filtrageme organização das informações (dados). Dados filtrados e organizados. Scripts 03 Inserção dos dados nas tabelas correlacionadas. Paralelização Nova tentativa Banco de Dados

58 MyODB

59 Conclusão A bioinformática é uma área nova e está em ascensão. Existem muitos problemas que ainda podem ser resolvidos ou cuja a resolução pode ser aprimorada com a ajuda de técnicas computacionais.

60 Conclusão

61 FIM