CDIO理念在《蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)DALI方法》教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用

1、    cdio理念在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)dali方法教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用    闞顯照蔣瀾陳冬生聶劉旺楊建課摘 要：cdio是“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行”的工程教育理念。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)dali方法是生物信息學(xué)重要的教學(xué)內(nèi)容，主要采用分子內(nèi)距離的方法，將結(jié)構(gòu)相似的氨基酸片段拼接成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)比對(duì)。本文將cdio理念引入蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)dali方法的教學(xué)實(shí)踐，旨在提高生物信息學(xué)的教學(xué)效果。關(guān)鍵詞：生物信息學(xué) cdio 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì) dali方法生物信息學(xué)是計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)與生命科學(xué)的融合。隨著新一代核苷酸測(cè)序技術(shù)和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生物信

2、息學(xué)進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)是對(duì)蛋白質(zhì)三維空間的相似性進(jìn)行比較，是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的重要手段之一。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)可應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：1.探索蛋白質(zhì)進(jìn)化及同源關(guān)系；2.改進(jìn)序列比對(duì)的精度；3.對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)提供幫助；4.為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類提供依據(jù)。常用的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)方法主要包括：1.基于分子內(nèi)距離比較的dali方法和ce方法；2.基于雙動(dòng)態(tài)規(guī)劃的structural方法和sap方法；3.基于類似于分子間距離比較動(dòng)態(tài)規(guī)劃的tm-align方法；4.基于二級(jí)結(jié)構(gòu)單元匹配的ssm方法；5.基于遺傳算法的k2方法；6.基于圖論的vast方法。在教學(xué)實(shí)踐中，我們以安徽師范大學(xué)生物制藥專業(yè)（工科）

3、二年級(jí)本科生為教學(xué)對(duì)象，以陳銘主編的生物信息學(xué)（第二版）為教材1，選取dali在線分析平臺(tái)為教學(xué)內(nèi)容，探討cdio理念在生物信息學(xué)教學(xué)中的具體應(yīng)用。一、cdio理念簡(jiǎn)介cdio是conceive（構(gòu)思）、design（設(shè)計(jì)）、implement（實(shí)施）和operate（運(yùn)行）四個(gè)英文單詞的縮寫。麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)于2000年創(chuàng)立了 cdio 工程教育理念，并成立了以 cdio命名的國(guó)際合作組織。cdio理念以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、 實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。在全世界范圍內(nèi)，cdio計(jì)劃的合作者都采用cdio作為其課程計(jì)劃和基于結(jié)果的評(píng)

4、估框架。目前，中國(guó)有上海交通大學(xué)、汕頭大學(xué)、清華大學(xué)、逢甲大學(xué)等十多數(shù)高校加入了cdio國(guó)際工程教育聯(lián)盟。二、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)dali方法蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)dali方法是生物信息學(xué)重要的教學(xué)內(nèi)容，主要采用分子內(nèi)距離的方法，將結(jié)構(gòu)相似的氨基酸片段拼接成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)比對(duì)。dali在線分析平臺(tái)首先建立在德國(guó)海德堡（heidelberg），已連續(xù)運(yùn)行了20多年，目前服務(wù)器已移到芬蘭的赫爾辛基，網(wǎng)址為http：/ekhidna2.biocenter.helsinki.fi/dali/。dali在線分析平臺(tái)執(zhí)行四種類型的結(jié)構(gòu)比較：1.啟發(fā)式pdb搜索（heuristic pdb search）， 將一個(gè)查詢結(jié)

5、構(gòu)與pdb中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較； 2.窮盡的pdb25搜索（exhaustive pdb25 search），將一個(gè)查詢結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的代表性子集結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較；3.兩兩結(jié)構(gòu)比對(duì)（pairwise structure comparison），將一個(gè)查詢結(jié)構(gòu)與使用者指定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較； 4.所有結(jié)構(gòu)比對(duì)（all against all structure comparison）， 返回使用者指定的一組結(jié)構(gòu)相似性樹狀圖。三、基于cdio理念的dali方法教學(xué)實(shí)踐陳銘主編的生物信息學(xué)（第二版）教材中，已包含dali方法，多為理論內(nèi)容。為了更好地了解dali方法，我們?cè)诮虒W(xué)設(shè)計(jì)中，增加了dali在線分析

6、平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)生物制藥專業(yè)的特點(diǎn)，我們將藥物蛋白質(zhì)作為結(jié)構(gòu)比對(duì)的對(duì)象。下面就cdio理念的四個(gè)環(huán)節(jié)在dali方法具體教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。cdio中的“構(gòu)思”指的是明確客戶的需求，考慮技術(shù)、企業(yè)戰(zhàn)略和制度等因素，不斷改進(jìn)概念、技術(shù)和商業(yè)計(jì)劃。其宗旨與實(shí)踐教學(xué)人才培養(yǎng)的調(diào)研與分析不謀而合。根據(jù)構(gòu)思是一個(gè)不斷改進(jìn)計(jì)劃的過(guò)程。在本教學(xué)實(shí)踐中，首先對(duì)全班同學(xué)進(jìn)行分組，4-5人一個(gè)小組。各小組將分配的不同類別的蛋白質(zhì)類藥物（如蛋白質(zhì)類細(xì)胞生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子、粘蛋白、膠原蛋白、堿性蛋白質(zhì)、凝集素等），分別在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)pdb中查找序列代碼。cdio中的“設(shè)計(jì)”指制訂開發(fā)的產(chǎn)品系統(tǒng)所需的各種計(jì)劃

7、、圖紙和算法。在本教學(xué)實(shí)踐中，各小組同學(xué)通過(guò)資料收集、文獻(xiàn)查閱、交流學(xué)習(xí)等方式，對(duì)藥物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)方法及步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：1.怎樣找到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（pdb）？2.在pdb數(shù)據(jù)庫(kù)中怎樣查詢藥物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)？3.怎樣找到dali結(jié)構(gòu)比對(duì)在線分析平臺(tái)？4.選擇哪一種結(jié)構(gòu)比對(duì)類型？4.怎樣解讀結(jié)構(gòu)比對(duì)后的結(jié)果？5.對(duì)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)怎樣進(jìn)行圖形化？cdio中的“實(shí)施”指把設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的過(guò)程；cdio中的“運(yùn)行”指對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng) 的維護(hù)、優(yōu)化和淘汰等。在本教學(xué)實(shí)踐中，各小組同學(xué)根據(jù)上一階段設(shè)計(jì)的藥物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比對(duì)方案，按照操作步驟，得出結(jié)果。各小組根據(jù)dali提供的具有統(tǒng)計(jì)竟義的z-score值，對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析，判斷查詢藥物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的相似性。四、教學(xué)效果通過(guò)多次教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，cdio理念在我校生物制藥專業(yè)生物信息學(xué)教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生通過(guò)自發(fā)、主動(dòng)地進(jìn)行課程實(shí)踐，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物信息學(xué)的興趣。參考文獻(xiàn)1 陳銘，等. 生物信息學(xué)（第2版）m. 北京：科學(xué)出版社，20152 holm l， laakso l m. dali server update j. nuc