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生物信息學分析方法范文1
【關鍵詞】高中生物教學；優化設計；方法
【中國分類號】G633.91
1、前言
在高中生物教學過程中，主要包括了高中階段的生物學科所涉及的全部知識、技能、過程、方法以及價值目標。與此同時要包括了教師與學生之間的教與學的具體活動。在設計高中生物教學的時候，要從宏觀到微觀來開展教學活動。在高中生物教學過程中，要形成教與學的互動形式，并且要充分利用科學的教學評價方式，從而可以使得學生課堂參與的積極性被調動起來。
2、不斷提高學生的學習興趣，最終提高學習效率
作為一名生物教師只有不斷激發學生學習生物的興趣，從而可以使得生物課堂的教學方法得以提高。在高中生物教學過程中，新課的導入起著非常重要的作用。合理的導言不僅可以營造良好的問題情境，而且能夠吸引學生的注意力，最終可以調動學生學習的主動性。高中生物課堂中的精心設計導言是非常重要的，有趣的導言可以引導學生不斷思考，并且可以啟發學生的自覺思維，最終有利于學生對知識的理解以及記憶。興趣可以引導著學生不斷發現問題，并且可以培養學生解決問題的能力。通過興趣可以使得學生的推理、思維、決策以及解決問題的能力得到培養。高中生物教師要營造一個探究性學習的環境，從而可以讓學生體驗到學習的樂趣。在探究式教學活動中，教師不僅要不斷激發學生的好奇心以及探究精神，而且要給學生提供充足的探究性材料，不斷引導學生找到問題的答案。
3、探索與完善生物課堂的教學方法
對于一名高中生物教師來說，要用新的觀念來確保課堂教學活動的順利開展，并且要敢于嘗試新的教學方法。教師要嘗試引導啟發教學法，這種教學方法要求高中生物教師在課堂教學過程中，要按照科學的教學目標來引導學生思考問題，與此同時要充分結合教學中的具體內容，不斷激發學生學習的興趣，并且教師在教學生學習方法的時候，還要不斷培養學生的創新意識以及創新能力。除此之外，教師要不斷鼓勵學生進行自主學習，這樣可以培養學生自主學習的能力。然而引導啟發教學法主要包括了講述背景法和提示要點法等教學方法。第一，講述背景教學法。在高中生物教學過程中，由于有一些理論以及概念比較簡單，學生可以自學掌握其中相關的概念。在這種情況下，高中生物教師沒有必要為學生講述這些理論以及概念，教師只需要將背景知識介紹給學生，從而可以激發學生學習的熱情，最終有利于提高學生的學習效率。第二，提示要點教學法。在高中生物課堂教學過程中，現學的內容與以前所學的知識有密切的聯系，此時高中生物教師要通過這些知識點來引導學生回憶舊的知識點，從而引導學生積極思考問題。這樣做不僅可以提高學生對新課的學習興趣，而且能夠幫助學生鞏固以及復習舊的知識，最終使得學生的思維能力與學習技巧得以提高，從而提高了學生的學習效率。
4、注重教師與學生的生物互動教學
在新課程理念的指導下，高中生物教學課堂中要實現教師與學生的教學互動，從而能夠建立起高效的生物課堂。在高中生物教學過程中，教師要重新定位自己的角色，并且要自覺的轉變自身的角色，這樣做可以處理好教師與學生之間的關系，最終使得教師與學生的共同發展。在高中生物教學過程中，教師要注重學生的獨立性、自主性、能動性以及創造性，不斷調動學生學習的積極性以及主動性。與此同時教師要創造生動的教學情境，從而可以營造民主以及和諧的教學氛圍，這樣可以鼓勵每一位學生不斷思考，最終培養學生思考問題以及解決問題的能力。在教師教學過程中，教學大綱以及課本是依據，并且在生物學課堂教學過程中要按照相關的教學目標來開展教學活動，從而確保教學任務的順利完成。由于生物教學與實際生活有著密切的聯系，因此教師要在教學過程中要緊密聯系實際生活，這樣做可以將抽象的理論知識變得更加具體化，從而可以加深學生對理論的理解。
5、結束語
在高中生物教學設計過程中，教師不僅要引導學生掌握相關的理論知識，而且要引導學生掌握實驗的基本技能，從而促進學生的全面發展。由于生物課堂教學活動是一個比較復雜的過程，因此教師要根據實際情況來不斷調動學生學習的積極性，不斷提高高中生物課堂的整體效率。與此同時，在高中生物教學過程中，教師要不斷增強學生的社會責任感，并且要培養學生的綜合分析能力以及人際交往能力，從而使得新課程的教學目標得以順利實現。
【參考文獻】
[1]李述友;賀寶柱.淺談生物課堂教學的幾種導入方法[J];新課程(教育學術版);2010(04):90-92.
生物信息學分析方法范文2
關鍵詞：生物技術;生物信息學;教學;實踐
中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）47-0123-02
生物信息學（Bioinformatics）是在生命科學的研究中，以計算機為工具對生物信息進行儲存、檢索和分析的科學，是一門新興的交叉學科。生物信息學針對生物學問題，發展各種算法及軟件，對迅速增長的浩如煙海的核酸和蛋白質序列進行收集、整理、儲存、、加工等，目的在于通過生物信息學手段及分析，逐步認識生命的起源、進化、遺傳和發育的本質，破譯隱藏在DNA序列中的遺傳語言，揭示生物體生理和病理過程的分子基礎，為探索生命的奧秘提供合理和最有效的方法或途徑[1]。作為當今生命科學和自然科學領域發展最為迅速的學科之一，生物信息學已成為介于生物學和計算機科學前沿的重要學科。實驗室的每一項技術，從簡單的克隆、PCR到基因數據分析都需要在計算機上應用生物信息學的方法進行處理。因此，對生物技術專業的學生而言，具備一定程度的理解和應用生物信息學方法和技術的能力是十分必要的。
目前，國內外許多高等院校相繼開設了生物信息學課程，我校也于2007年針對生物技術專業學生開設了此門課程。該課程不僅是一門新興的學科，而且學習難度大，理論課內容相對枯燥，如何讓學生更好地掌握本門課程的內容，是教師在教學過程中值得深思的問題。實驗教學是幫助學生理解抽象理論知識的有力手段，在教學中顯得尤為重要，但由于開設專業的特殊性，生物信息學實驗教學一直比較薄弱。本文對過去實驗教學中存在的問題進行了分析，并針對問題結合《基因工程原理》課程以及自己的科研對教學內容進行了優化和教學方法上的改進，取得了一定的成效。
一、過去教學中存在的問題
（一）實驗課教學學時偏少
生物技術專業五年制生物信息學課程總學時為72學時，其中理論48學時，實驗24學時。生物信息學課程最主要的目標是培養學生通過在線程序或利用生物信息學軟件來分析生物學問題的能力，有效解決學生實驗學時不足，實際操作時間少，解決實際問題能力較弱的問題。
（二）與其他課程聯系較少
生物信息學課程開設在生物技術專業教學進程的第6學期，此時學生已具備普通生物學、細胞生物學、分子生物學、生物化學、醫學免疫學、遺傳學、基因組學、基因工程原理等生命科學的基礎知識。但是，在生物信息學理論課和實踐課學習的內容，如查閱的文獻、分析的目的則由授課教師自行指定，忽略了與其他課程的聯系，不利于學生系統地學習專業課的知識。
二、教學體系的改革和完善
（一）增加實驗課教學學時
從2012年起，我校生物技術專業由五年制調整為四年制，同時在修訂教學進程的時候將學時調整為理論36學時，實驗36學時，理論課結束后即為該內容的實踐部分，以此增加學生的實踐訓練時間。
（二）將基因工程原理實驗課程與生物信息學實踐相聯系
在基因工程原理的實驗中，我們把家蠅防御素基因作為目的基因，主要設計的實驗內容包括：（1）目的基因的獲得：利用PCR技術擴增已經克隆到pMD-18T載體上的家蠅防御素基因;（2）pSK質粒載體的小量制備;（3）目的基因與載體的酶切;（4）目的基因與載體的連接;（5）大腸桿菌感受態細胞的制備;（6）重組質粒的轉化;（7）重組子的藍白斑篩選;（8）菌落PCR鑒定重組子[2]。
在學生對基因工程實驗內容熟悉的基礎上，我們在生物信息學的教學過程中對學生提出問題：家蠅防御素基因現有的研究現狀是怎樣的？PCR擴增目的基因的過程中引物該如何設計？獲得陽性重組子后我們如何判斷獲得的插入序列就是目的基因呢？
針對這樣的疑問，我們結合基因工程實驗對教學內容進行適當的調整：（1）PUBMED獲取文獻信息：由學生通過PUBMED查找近五年發表的有關家蠅防御素基因研究的文獻;（2）核酸序列分析：以家蠅防御素基因為對象，分核酸序列的檢索、搜索開放閱讀框（ORF）、限制性酶切分析、引物設計、載體序列識別、核酸序列的比對、分子質量/堿基組成/堿基分布分析和序列轉換共8大部分內容進行講解和學生實踐操作;（3）蛋白質序列分析：同樣以家蠅防御素蛋白為對象，分蛋白質序列檢索、蛋白質序列比對、蛋白質基本性質分析（蛋白質的氨基酸組成、分子量、等電點、親疏水性分析、跨膜區分析、信號肽分析）、蛋白質功能預測、蛋白質結構預測（蛋白質二級結構和三級結構預測）共5大部分內容進行講解和指導學生進行實踐操作。
（三）以科研促進生物信息學的教學改革
筆者所在課程組主要集中于功能基因組學的研究，涉及了功能基因的獲取、生物信息學分析、功能驗證等方面的內容。學生在課程學習中，參與到教師的科研課題中，學會運用生物信息學所學知識實際解決科研問題。學生可自行完成從文獻的查閱、目的序列的獲?。ㄓ晒矓祿飓@得或實驗室測序獲得）、基因序列的分析、理論推導氨基酸序列基本性質的分析及結構和功能的預測、系統發育分析，如有可能，學生可通過實驗的方法驗證生物信息學分析的結果，同時鼓勵學生自主選擇感興趣的基因、蛋白進行課程設計研究，實踐結束后學生將結果以論文形式提交給教師。
三、教學探索的成效
生物信息學是一門實踐性很強的學科，實驗教學作為培養學生的重要手段，在該門課程學習中有著舉足輕重的作用。在醫學院校生物技術專業生物信息學課程的教學中，立足于生物醫學視角的實踐教學，以與醫學相關的基因、蛋白質等數據作為研究的主體，結合基因工程實驗教學改革生物信息學的授課內容，有利于學生對專業課程知識的系統學習。同時，結合生物信息學研究前沿和自主科研課題成果，形成科研教學相融合的實踐性教學，能夠充分調動學生學習的主動性和積極性，進而激發學生的求知欲和創新能力。教學與科研形成相輔相成的互助關系，科研成果轉化為教學資源，明顯充實了教學內容，提升了教學水平和學生能力。在教學改革探索過程中，已有學生參與到課題組的科研工作中，利用所學的生物信息學知識，通過指定題目或自主選題，順利完成畢業實習并發表了科研論文《印鼠客蚤線粒體COⅡ基因的克隆、序列測定和分子系統學分析》[3]、《美洲大蠊i型溶菌酶基因的克隆及其功能預測》[4]、《致倦庫蚊防御素基因的克隆與原核表達及蛋白純化》[5]、《德國小蠊致敏原Blag 2的Glu 233突變的分子對接研究》[6]、《伏馬菌素B1特異單鏈抗體的同源建模及分子對接模擬研究》[7]等，證明生物信息學課程教學改革切實可行。
參考文獻：
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生物信息學分析方法范文3
關鍵詞：生物信息學;教學改革;師范院校
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）36-0134-02
生物信息學（Bioinformatics）的發展與上世紀90年代人類基因組計劃的啟動密切相關，它綜合運用生物學、計算機科學和數學等多方面知識與方法來闡明和理解大量生物數據所包含的生物學意義。生物信息學已成為當今生命科學的重大前沿領域之一，是生命科學研究中重要的、不可或缺的研究工具。
我校生物信息學課程開設較晚，所以課程教學仍處于探索階段，尚未形成成熟的課程體系。本文針對本校學生的需求、課堂教學反饋等情況對教學內容、教學方法等多方面開展了改革與實踐，以期提高教學的質量和效果，培養全面發展的人才。
一、生物信息學課程教學現狀
（一）教材較多，因此難以選擇一本適合的教材
生物信息學教材很多，有些教材側重于生物信息學理論和算法，如許忠能主編的《生物信息學》對生物信息學的理論和算法講解詳細，但是對于師范院校生物科學專業的本科生而言較為深奧，不易理解;有些教材側重于生物信息學軟件使用，學生對于軟件分析所需要的背景知識掌握不夠，即使能夠運用軟件，卻不能正確分析和理解所得到的分析結果;由于生物信息學發展較快，教材更新速度相對較慢，一些新的生物信息學知識未能及時納入到已出版的教材中，而且有些書中所講的數據庫資源早已停用，有些軟件及其應用也早已更新版本。
（二）學生理論基礎薄弱，學習主動性不夠
雖然這門課程在我校是專業選修課程，考核方式以考查為主，但是選修這門課程的學生都對生物信息學有濃厚的興趣。這門課程開設在大三下學期，很多同學尚未開展或即將畢業課題設計，希望通過本課程的學習對畢業論文或將來考研深造有所幫助。然而在學習過程中，由于對分子生物學、生物化學、遺傳學等理論知識掌握不扎實，并且對學科前沿進展關注不夠，很少閱讀實驗性論文，在學習生物信息學相關理論知識時理解困難，而且對于如何將生物信息學應用于實際的課題研究也感到困惑。
（三）學生英語基礎不同，學習過程中容易產生消極情緒
要學好生物信息學，離不開大量專業文獻的閱讀，尤其是外文文獻，追蹤學科前沿研究進展，這就需要具備一定的專業英語基礎。此外，很多生物信息學數據庫以及應用軟件都是全英文的，涉及專業英語詞匯較多。由于學生的英語基礎不同，在學習過程中有些學生感覺專業英語閱讀和理解方面較吃力，容易產生畏難情緒。
二、教學改革與實踐
（一）修改教學大綱，理論與實踐結合
生物信息學是一門實踐性很強的學科，僅僅靠教師單一的講解理論和軟件的使用方法學生是很難理解和掌握的，因此在教學過程中要理論和上機實踐結合。教學大綱中原36學時為理論24學時、上機實踐12學時?？紤]到我校學生學習該門課程的實際需求，強化實踐運用，將理論和上機實踐課時均調整為18學時，學生在實踐的過程中帶著問題主動去思考，發現問題、解決問題，更好地去理解生物信息學的理論知識。原教學大綱中理論課學習結束后再進行上機實踐，但是教學過程中發現理論課信息量大，有些知識學生初次接觸沒有較好地理解，或者當時能夠理解，但過了一段時間后再進行上機實踐時又要重新學習。在課程安排方面，調整為一個章節的理論課學習結束后開設相應的上機實踐，通過實際操作練習有利于鞏固所學理論知識，學生也比較喜歡這樣的教學方式。
（二）調整教學目標，優化教學內容
生物信息學內涵廣泛，應用領域廣，但是生物信息學在不同研究領域中的研究內容和應用程度有所不同。選修本課程的學生都是生物學背景，主要希望運用生物信息學知識去解釋課題研究中的生物學問題?？紤]到本科生理論知識基礎相對較弱，很多學生尚未開展課題研究，因此應該在有限的學時里讓學生掌握與專業需求相關的生物信息學知識和實用技術，教學的重點和難點要根據本校學生特點進行調整，對教學內容進行優化、精簡。例如多序列比對算法、馬爾科夫模型等涉及數學、計算機知識，可以簡要介紹，但不做深入的講解。理論和上機實踐部分主要介紹生物信息學數據庫資源、序列比對、核酸序列分析、系統進化分析、蛋白質結構與預測，同時理論部分還包括生物芯片、高通量測序技術、介紹生物信息學的前沿進展。此外，還結合學生的需求在上機實踐課中增加了引物設計內容。
課堂教學內容并不拘泥于一套教材，而是根據講授的章節選擇該章節適合的2～3套教材綜合講解，最終形成適合我校學生學習的講義。例如在講系統進化發育時，理論講解選擇由Masatoshi Nei和Sudhir Kumar編寫的高等教育出版社出版的《分子進化與系統發育》和蔡祿編寫的《生物信息學教程》，上機實踐選擇吳祖建等編寫的《生物信息學分析實踐》。
（三）教學與科研相結合，學以致用
生物信息學有很多分析軟件，應用很廣，即使是分章節按照序列比對、核酸序列分析、系統進化樹構建等給學生逐一講解相關的算法和實際的應用，學生仍然感覺知識零散，信息量太大難以掌握，容易產生畏難情緒而導致學習積極性不高。有些應用軟件學生即使有所了解，卻又不知道在科研中如何運用。所以在教學過程中，我們以課題研究為例，再結合相關的文獻來進行講解。例如選擇DNA條形碼開展物種鑒定為例，讓學生去查閱相關文獻，如DNA條形碼在中藥材混偽品鑒定中的應用、DNA條形碼在肉制品摻假中的鑒定等。這個課題應用性強，對本科生而言閱讀專業文獻的難度相對較小，僅涉及DNA提取、PCR擴增等實驗內容，容易激發學生的學習興趣。在學生理解課題背景知識的基礎上，讓學生重點看文獻中涉及的生物信息學相關知識，要求學生下載文獻中涉及的基因序列，根據下載的序列用MEGA軟件進行序列比對，計算遺傳距離，同時利用MEGA軟件構建NJ樹。這個過程就把生物信息數據庫、序列比對、系統發育分析等幾個章節的教學知識串聯起來，學生就知道為什么要下載序列、做序列比對，更好地理解系統進化樹構建的原理及意義。同時，也促進了學生閱讀專業文獻，尤其是外文文獻，增加專業英語詞匯量，主動關注學科前沿發展動態，更好的利用生物信息開展課題研究，做到學以致用。
（四）改革教學手段和教學方法
生物信息學理論教學中往往是教師主講、學生聽，學生被動接受，這種“灌輸式”的學習讓學生感覺枯燥乏味，教學效果較差。教學時應突出學生的主體地位，教師起主導作用，引導學生積極思考，參與課堂教學，激發學生的學習熱情。例如講解生物信息學數據庫資源時，可以布置課后作業，要求學生搜索國外生物信息學數據庫資源，并將查閱的資料制作成PPT，下一次上課時讓學生利用PPT講解搜索情況，分享經驗。教師在學生講完后點評，鼓勵學生關注生物信息學的前沿進展，在學習生物信息學的同時提高專業英語的水平。在講解生物芯片與高通量測序技術時，布置課前預習作業，針對高通量測序技術原理、應用、數據分析等教學內容設置幾個選題，讓學生分小組，每個小組選擇一個選題，通過查閱文獻資料，以PPT形式在課堂上講解。學生根據講解內容提問，交流討論。教師根據學生的匯報內容進行點評，進行有針對性的講解、補充。這樣的形式使學生主動去探究問題，而不是被動地接受教師傳遞的信息，對知識的理解更加深入，學生也反饋這種教學活動提高了學習的積極性，并留下深刻的印象。
三、結語
生物信息學作為一門新興學科，仍然在不斷的發展中，知識更新速度快，因此生物信息學課程的教學內容、教學方式應緊跟學科前沿發展，立足學校專業特點及培養特色，不斷摸索教學經驗，在教學模式上深入研究，提高教學質量，實現培養學生理論與實踐運用綜合能力的教學目標。
參考文獻：
[1]許忠能.生物信息學[M].北京：清華大學出版社，2008.
[2]Masatoshi Nei，Sudhir Kumar.分子進化與系統發育[M].北京：高等教育出版社，2002.
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[4]吳祖建，高芳鑾，沈建國.生物信息學分析實踐[M].北京：科學出版社，2010.
生物信息學分析方法范文4
關鍵詞：生物信息學；生物芯片；藥物開發；疾病檢測
Abstract: Bioinformatics was emerged in the 1980s,which is a new cross- discipline and then was applicated in the wide range of areas. Bioinformatics in biochips, drug development, energy fields, crop genetic analysis, disease detection are introduced in the context . Bioinformatics focuses on the collection, collation and services of biological data to discover laws guiding research,which is an indispensable tool for bioinformatics research.
Keywords: Bioinformatics；Biochip；Drug development；Disease detection
現代生物信息學是現代生命科學與信息科學、計算機科學、數學、統計學、物理學和化學等學科相互參透而形成的交叉學科，是應用計算機技術和信息論方法研究蛋白質及核酸序列等各種信息的采集、存儲、傳遞、檢索、分析和解讀，以幫助了解生物學和遺傳學信息的科學[1]。
1．生物芯片
生物芯片(Biochip)是指通過微電子、微加工技術在芯片表面構建的微型生物化學分析系統,以實現對細胞、DNA、蛋白質、組織、糖類及其他生物組分進行快速、敏感、高效的處理和分析
基因芯片是目前最重要的生物芯片。
基因微陣列是通過將核苷酸或DNA作為探針，緊密地排列在硅片等固相支持物上，然后將經過某種標記后的樣品與微點陣雜交進行檢測。根據雜交信息可以確定靶DNA的表達情況以及突變和多態性存在與否。芯片技術的突出特點是高度并行化、多樣化、微型化和自動化等，因而被廣泛用于測序、轉錄情況分析、不同基因型細胞的表現分析以及基因診斷、藥物設計等領域，成為后基因組時代基因功能分析的制程技術之一 [2]。
2．藥物開發
未來的藥物研究過程將是基于生物信息知識挖掘的過程。基因組研究對現代與未來藥物學和藥理學產生了重大影響，尤其為新藥篩選、藥靶設計和分子藥理學研究，以及疑難病的藥物設計和途徑選擇等提供了新的方法論基礎?；蚪M學與藥物學的結合已經產生出一門新的分支學科---藥物基因組學[3]。制藥公司特將充分應用藥物基因組學及生物信息學的理論知識和技術手段來設計臨床試驗并模擬和分析理論與實驗數據。這將大大減少新藥開發成本，縮短開發周期，為患者、醫生和健康醫療機構等諸方面帶來選擇性治療的革命。生物信息學也可用于破譯遺傳密碼、篩選免疫基因以及進行新藥研發等領域[4]。
3．生物信息學在能源領域的應用
綜合運用GenBank等數據庫以及各種分析軟件將各類數據對比分析，人們已經能夠使用酶來降解生物聚合物，通過篩選有益細菌來獲取高級的生物催化劑，從而提高使用的產量[5-6]。原核生物采礦技術也得到了迅速發展。同樣，不同類型的煤也會發生類似的生物轉變，可以轉變成甲烷。人們通過生物信息學技術手段開采能源的新方法，可提高能源的采出率和降低開采難度。
通過生物信息學技術改良生物基因，使之轉變為生物能源，這是解決能源短缺問題的途徑之一。這主要通過生物催化劑的基因轉變和代謝工程，利用酶和細菌對生物體的碳氫化合物進行新陳代謝優化，從而用于開發生產生物乙醇等生物能源。
4．農作物基因分析
對重要農作物及經濟植物進行基因組分析也需要生物信息學工具。例如，在植物基因組調控和結構研究中，涉及生物信息學的內容有：調控序列數據庫；基因表達的調控分析；基因組序列識別；基因結構預測，轉錄與翻譯控制模型；大規?；驍祿治觥?/p>
通過數據檢索、序列對比、同源性分析、結構預測等工具軟件的運用，可將分析數據應用于農作物模式植物研究、種質資源保存、病蟲害防治、作物遺傳育種等[7]方面，從而為解決模式植物的基因組測序、保護瀕危種質資源、控制動植物病蟲害和培育優良高產的農作物品種方面提供可靠保障。
5.疾病檢測
基因組計劃產生的基因及基因多態性數據與臨床醫學檢驗結果之間的關系需要利用生物信息學的方法去分析、去揭示，根據這樣的分析結果，科學家能夠更準確地了解疾病產生的根本原因，更精確地預測某個人患癌癥、糖尿病或者心臟病的可能性，從而徹底改變我們診斷、治療和預防疾病的方式[8]。
6.小結與展望
生物信息學的發展將給生命科學研究帶來明顯的變革，將幫助人類認識生命的起源、進化、遺傳和發育的本質，解釋人體生理和病理過程的分子基礎，為人類疾病的預測、診斷、預防和治療提供合理和有效地方法或途徑，同時還將對醫藥、衛生、食品、農業等產業產生巨大的推動作用，甚至可能引發新的產業革命。21世紀是生命科學的時代，生物信息學為生命科學的發展提供了遍歷和強有力的技術支持，推動者生命的迅速發展。
參考文獻：
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生物信息學分析方法范文5
關鍵詞：生物信息學；醫學；教育；建議
生物信息學（Bioinformatics）是一門發展迅速的生物學分支學科，由生物學、計算機學、信息管理學、應用數學及統計學等多門學科相互交叉而形成，本質是利用計算機技術解決生物學問題，通過信息的處理和整合實現發現和創新。它主要包括以下3個方面的內容：①生物數據的收集、整理、存儲、檢索、加工、分析和整合；②生物系統和結構的建模；③與生物科學相關的計算機技術的應用，這個范圍還在不斷的擴增中［1］。醫學生物信息學是指以醫學研究和臨床應用為中心開設的生物信息學，本文討論的內容主要圍繞醫學生物信息學展開。近20年來，互聯網、數據庫和計算方法的發展，為生物信息學的研究提供了更為廣泛和靈活的方法；多種模式生物基因組測序的完成，功能基因組、蛋白質組研究的開展，各種高通量生物實驗技術快速發展為生物信息學，提供了更大研究空間的同時，也對海量的生物學數據進行有效地挖掘和整合提出了嚴峻的挑戰；而以基礎研究與臨床醫療結合為宗旨的轉化醫學的興起對銜接二者之間的橋梁———生物信息學，提供了廣闊的應用空間。對生物信息學人才的熱切需求，以及上述機遇和挑戰導致了生物信息學專業在全世界的蓬勃發展。以美國為例，在1999年之前，全美只有6所大學設置有計算生物學與生物信息學專業，而到2002年，則有31所大學設置了計算生物學與生物信息學專業博士學位，其中有12所大學是在2001年～2002年之間設置的這門專業［1］。這些大學通常以生物學、生物統計學、計算機科學或者生物醫學信息學為依托設置這門專業，不同大學對該專業學生的培養模式也有所不同。在我國，很多高等院校將生物信息學作為專業課程設立，醫學高等院校也逐步將其作為基礎課程或選修課設立。作為一門新生學科，生物信息學在大部分院校尚處于探索階段，沒有成熟完善的教育模式可以借鑒［2］。在這種情況下，來自前期已畢業學生和用人單位的反饋意見對生物信息學教育模式的總結提高具有重要意義。作為一名臨床醫師和醫學研究人員，筆者深刻體會到在實際工作中，無論是自身合理應用生物信息學知識進行思考和設計，還是找到能夠迅速融入并滿足實驗室研究和臨床工作需求的生物信息學專業人才都不是一件容易的事情。因此，本文作者就自己的一些切身體會，結合文獻和思考，對我國醫學生物信息學人才培養列舉了一些意見和建議，希望能夠在生物信息學教學模式的完善中起到微薄的助力作用。本文著重探討信息技術在醫學領域中的應用，側重于醫院信息管理和信息系統建設方面的醫學信息學（Medical Informatics）不在本文討論范圍內。理想的醫學生物信息學人才培養目標應該是這三類人的集合：①計算機專家，掌握計算機算法、計算機語言、軟件、數據庫結構和相關知識框架，以及硬件知識；②生物信息學專家，具有熟練應用計算機儲存、處理、分析和整合相關生物信息的能力；③基礎研究或臨床工作者，具有查閱文獻，提出生物學或臨床醫學問題，合理使用上述生物信息學來思考、設計和解決問題的能力，并能收集和正確提供用于研究的初始數據。結合我國實際情況，想讓臨床醫學專業學生或醫學生物信息學專業學生同時完成以上3個方面的培訓顯然不切實際。理想的培訓模式，是通過對臨床醫學專業和醫學生物信息學專業學生不同側重的培訓，再通過二者的合理分工和配合，來滿足以上3個方面的需求。對醫學院校學生，尤其是醫學研究生，生物信息學培訓的內容應側重于對其計算思維能力和信息學應用能力的培養，目的是使其能熟練地從生物信息學角度發現和提出生物學或臨床醫學方面的科學假設，針對該假設設計合理的研究方案，并為后續研究提供正確的初始數據；對以生物醫學為中心的信息學專業人才培養，內容應側重于對其計算機技術和生物信息學在醫學實踐應用方面能力的培養，目的是與前者配合，指導并幫助其完成科學假設的設計，對前者提供的初始數據進行管理、存儲、檢索、分析和整合，以及完成更高要求的計算機技術方面的應用，例如應用軟件的設計，生物系統和結構的建模，等等。
1 醫學生的計算生物學與生物信息學思維培養
本部分特指醫學專業學生的生物信息學教學，部分醫學院校開設的醫學生物信息學專業教學將在下一部分中提及。無論是醫學基礎研究，還是以循證醫學為代表的臨床研究，生命科學研究的一般過程，都遵循發現問題資料查詢預實驗提出科學假設設計實驗驗證假說資料查詢和結果分析科學理論總結的基本思路［3］。在這個過程中，計算生物學與生物信息學不僅是進行資料查詢和結果分析的重要工具，更應是在提出科學假設和實驗設計階段就需要貫徹執行的理念和思維方式。換言之，具體的生物信息學與分子生物學實驗一樣都是驗證生物醫學假說的實驗方法，是將一個生命科學假設用計算和信息學思維方式表達和實現的過程。在我國，絕大部分醫學基礎研究和臨床研究課題都是由醫學院校畢業的臨床工作者設計和申請的。由于臨床醫師大都承擔了繁重的臨床工作，申請者親自完成課題的機會很少，獲批課題的具體實施及數據管理、存儲、檢索、分析和整合多由研究生或實驗室工作人員負責。因此結合我國的實際情況，將生物信息學與具體課題耦合，即將一個科學假設用計算和信息學表示并有效實施的思維和實踐培訓，才是醫學生生物信息學培訓的中心內容。由于我國臨床醫學教學采用長學制（5年、7年或8年）教學，對實踐性和針對性都很強的生物信息學而言，過早或過于籠統的培訓都顯得意義不大，所以筆者認為針對醫學生的生物信息學培訓安排在研究生階段是比較合適的，教育中心是以醫學研究需求為指導，強調信息學思維培訓和實踐操作。具體提出的建議有兩點，一是根據學生專業背景調整理論教學內容。醫學院校學生的數理基礎、計算機基礎及統計學理論基礎不能和工科院校的學生相比，醫學專業包括基礎醫學、臨床醫學、口腔、預防等專業，涉及廣泛，各個專業背景的學生對這門課程的需求不盡相同。因此在理論課程上，要根據不同的專業背景和研究內容形成“個性化”的培養方案，目的是讓學生有選擇有針對性地掌握相關生物信息學內容，例如數據庫的類型和選擇，常用軟件的種類和應用等，同時又不會對過于高深的生物信息學理論產生反感。二是結合研究生階段的課題，開展研究內容模擬和實踐操作練習。為了更好的配合研究生階段的課題，可將《生物信息學》開課時間調整到研究生階段的第三學期，即在學生進入課題研究階段之后，讓學生在清楚面臨的課題內容后，有針對性地學習在完成課題過程中要使用到的知識、工具和解決問題的思路，包括文獻查閱、保存、編輯，核酸序列查找和同源性比對及進化分析，PCR引物設計，基因功能、結構預測，調控元件及轉錄因子預測，蛋白質基本理化性質分析，跨膜區及信號肽預測，二級結構和空間三維結構的預測等。這樣學生的學習興趣和效率會大大提高。為了解決上課時間與課題時間沖突的問題，可以采用生物信息學授課老師加入導師組成員，通過網上教學和答疑、夜間授課、集中授課與個別指導結合等多種方式靈活解決。
2 以醫學為中心的生物信息學專業人才培養
如果說對醫學生進行生物信息學教育的目的是使其學會將一個生命科學假設用計算和信息學表示，并正確提供初始數據，那么以醫學為中心的生物信息學專業人才培養的目的，就是使其學會用計算機學和信息學處理并證實科學假設的過程。具體的內容包括，與實驗室工作人員和臨床醫生配合，從計算生物學與生物信息學角度指導并幫助其完成科學假設和課題內容設計；在課題實施階段對后者提供的初始數據進行管理、存儲、檢索、分析和整合，以及滿足后者更高要求的計算機技術的需求，例如應用軟件的設計，生物系統和結構的建模，等等。目前，計算生物學與生物信息學專業研究生的培養模式主要有3種：①以生物學為中心的多學科培養模式。理論教育以生物學為中心，在6～9個學期內陸續完成生物學部分課程（相當于普通生物學系1／3～1／4課程）的選修，然后根據興趣和實際情況選擇一個相關實驗室完成研究生課題。這種培養模式被大多數綜合大學采納。②以工程設計為中心的培養模式。③以醫學為中心的培養模式。指以醫學研究和臨床應用為中心設置計算生物學和生物信息學，絕大多數由醫學院校設置，側重生物信息學與臨床醫學的結合。在進入課題階段之前會有1～2年臨床相關概念和信息的培訓，主要開設的課程包括生物學、細胞生物學、分子生物學與基因組學、化學與物理學、計算機科學、數學和統計學等，甚至包括部分醫學課程，后期實踐階段通常選擇一個相關實驗室完成研究生課題?？偟目磥恚t學生物信息學基礎課程設置與國際趨勢相符，也符合以醫學為中心計算生物學與生物信息學的培訓要求。但從近年生物信息學專業研究生就業情況來看，確實存在素質參差不齊，學不能致用，不能很快融入研究工作等問題。筆者認為，這種現象可以從三個方面加以改進：①以職業發展和學位教育為導向，建立多層次、多形式的醫學信息學教育和繼續教育體系。各醫學院校可在統一專業培養目標和定位的基礎上，根據自身的學科基礎和特色，結合學生畢業后的工作領域和就業方向，形成“個性化”的專業方向和培養方案。②加強師資力量的建設，形成以課程為中心的教學團隊?，F有醫學生物學教材內容寬泛、偏重理論，對實踐環節的指導較少，需要授課老師有選擇的挑選合適的內容并予以補充和完善。這對授課教師的素質提出了更高要求，要求其能根據實際情況因材施教，有所取舍，強化重點。目前，各院校教學團隊和師資力量配備受限，建議可以課程為中心，培養、引進學術帶頭人，從其他專業挑選骨干教師兼任等多種形式，形成以課程為中心的教學團隊。③實踐教學與綜合能力的培養。生物信息學是一門實踐性非常強的學科，要將“學有所長，學以致用”作為人才培養的最終目的。可以通過構建開放式實踐教學平臺，建設實踐教學基地等方式盡可能強化實踐操作訓練［4］，后期部分學生可以結合個人興趣，本著雙向選擇的原則，將實踐階段訓練固定到導師和實驗室，并安排其參與完成某一項課題的設計、實施和總結，在整個過程中要特別注意培養學生的學習興趣和自學能力，強調知識的自我更新。
綜上所述，醫學生物信息學人才培養的最終目的是使生物信息學能滿足現代醫療和醫學研究發展的需要，使醫學生物信息學人才成為有效連接基礎研究與臨床醫療的橋梁，為現代醫學的發展提供新途徑［5］。
參考文獻：
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生物信息學分析方法范文6
關鍵詞：結核分枝桿菌；pst S1基因；擴增；生物信息學
結核?。═uberculosis， TB ）是由結核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis， MTB）所致的、以呼吸系統感染為主的慢性傳染病。世界衛生組織全球結核病疫情報告表明，當前結核病已成為可治性感染疾患中頭號致死疾病[1]。到目前為止對結核分枝桿菌的研究已經發現了很多特異性的抗原，但還沒有一個單抗原能達到WHO對結核診斷抗原的陽性率要求，即總陽性率大于80%，特異性大于95%[2]。動物實驗表明，結核分枝桿菌分泌蛋白Pst S1是比較重要和相對特異的一種抗原，可引起特異的保護性免疫反應。因此，可用作亞單位疫苗。本研究對pst S1基因進行擴增，利用生物信息學方法對該基因進行分析，為構建新型結核疫苗、制造診斷試劑和設計藥物靶點提供理論依據。
1材料和方法
1.1材料
DNA標準分子量marker、2×PCR Master Mix、細菌基因組提取試劑盒、DNA電泳凝膠回收試劑盒購自Promega公司，Agarose購自西班牙，其他試劑均為國產分析純，結核分枝桿菌為濰坊市第二人民醫院患者體內分離。
1.2方法
1.2.1 引物的設計
根據GenBank報道的結核分枝桿菌pst S1基因序列，自行設計特異性引物，序列如下：P1：gtggaattcgtgaaaattcgtttgcat； P2：atactcgaggctggaaatcgtcgcgat。均由上海生物工程公司合成。
1.2.2 結核分枝桿菌基因組DNA的提取
將結核分枝桿菌接種于蘇通液體培養基中，37℃培養4周，取3ml培養物80℃，滅活2h，按照細菌基因組提取試劑盒的操作說明操作（該步在市疾病預防控制中心生物安全三級實驗室中完成）。
1.2.3 pst S1基因的擴增和生物信息學分析
以MTB基因組DNA為模板，按照常規PCR條件進行擴增。擴增條件：94℃預變性5min，94℃變性1min，61℃復性1min，72℃延伸1min，循環30次，72℃延伸8min。將擴增出的pst S1基因送上海生物公司進行測序，然后利用DNA Star5. 0軟件中對pst S1基因的測序結果進行分析，測其蛋白的二級結構。
2結果
2.1 pst S1基因的測序結果及編碼蛋白的分子特征
測序結果表明， 擴增的pst S1基因的全長1112bp， 與GenBank中公布的標準株H37Rv的pst S1基因的核酸序列相比較同源性為92.7%。GC含量為64.95%，編碼362個氨基酸。推導出的蛋白分子質量約為38kD，含有74個強堿性氨基酸（K，R），28個強酸性氨基酸（D，E），101個疏水性氨基酸（A， I， L， F，W，V），68個極性氨基酸（N，C，Q， S，T，Y），等電點為11.989。
2.2pst S1基因編碼蛋白結構預測及可讀框分析
用Chou-Fasman法分析Pst S1基因編碼蛋白的二級結構，可見有11個α螺旋、5個β折疊和32個β轉角。一般認為α螺旋、β折疊結構較規則，形態固定，常處于蛋白質的內部；而β轉角和無規則卷曲多處于蛋白質的表面，有利于抗體空間構象上與抗原的嵌合，其膜外的β轉角可能是具有較強免疫原性的區域，見圖1。通過分析還可見該基因含有多個ORF，其中最長的一個是756bp，可能是編碼序列。
2.3 pst S1基因的親水性、疏水性以及抗原性分析
運用生物信息學軟件DNAstar6.0的Protean對pst S1基因表達蛋白的親水性和疏水性預測分析，表明pst S1基因的含有多個較強的親水區，可能是形成抗原表位的重要部位。用Jameson-Wolf方法抗原性分析顯示pst S1有多個明顯的具有抗原活性的結構域 ，抗原性指數最強為1.7，結合Hopp-Woods方法進行親水性分析，表明這些結構域的親水性普遍較強，二級結構預測顯示該基因含有大量β轉角結構，結合AMPHI方法預測該基因含有21個免疫優勢輔T淋巴細胞抗原位點，7個含有特定基序（motif）的潛在T 淋巴細胞抗原決定簇。綜合上述分析，表明這個基因可能含有良好的抗原
3討論
在結核分枝桿菌已發現的特異性抗原中，Pst S1抗原是目前公認的血清學診斷的最佳單抗原，并發展有多個商品化的試劑盒[3]。Pst S1蛋白是一種磷酸鹽轉運蛋白 [4]，以膜蛋白和分泌蛋白的形式存在，能刺激機體產生體液免疫和細胞免疫，特異性較強。通過分析發現，該株結核桿菌與GenBank中公布的標準株H37Rv的pst S1基因的核酸序列相比較同源性為92.7%，變異程度較??；該基因編碼蛋白含有多個β轉角結構，有利于抗體空間構象上與抗原的嵌合；含有多個明顯的具有抗原活性的結構域和免疫優勢輔T 淋巴細胞抗原位點，抗原性較強；并且該菌株的生物學特性與其它株相比基本相同，對常見的抗結核藥物具有耐藥性。所以該菌株具有一定的代表性，其分泌蛋白不僅可能是治療結核病的新的切人點，而且有可能作為新型亞單位疫苗用于防止結核病復發。本研究成功擴增了Pst S1基因，為地方結核病的防治以及進一步研究其生物學功能和潛在的臨床應用前景奠定了基礎。
參考文獻：
[1]WHO.Global tuberculosis control：surveillance，planning，finacing[J].Geneva：World Health Organization，2006：242.
[2]Julian E，Matas L，Alcaide J，et parison of antibody response to a potential combination of specific glycolipids and proteins for test sensitivity improvement in tuberculosis serodiagnosis [J].Clin Diagn Lab Immunol， 2004，11（1）：70-76.
