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國網中心生物知識庫與生物計算服務系統
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國家高速網路與計算中心 科學計算組 生物小組
葉昌偉 c00cwy00@nchc.org.tw
劉曉佩 c00hpl00@nchc.org.tw
莊朝鈞 c00cjz00@nchc.org.tw
陳家和 c00chc00@nchc.org.tw
謝昌煥 c00chh00@nchc.org.tw

摘要
國家高速網路與計算中心生物知識庫與生物計算服務系統(http://bioinfo.nchc.org.tw/)為本中心生物計算服務的入口,同時也是一個豐富多元的生物知識網站。該網站包含生物科普資訊,以及進階生物資訊軟體分析,它提供了生技領域新知、生物計算軟體教學介紹和生物計算軟體文獻收集等不同類型的文章與資訊,本文將針對此網站做一個整體性的介紹。

[原文PDF下載]

前言
由於生物科技及分子生物的研究近年來的蓬勃發展,產生了大量的數值資料,為了協助處理和解讀數量龐大的遺傳密碼,利用電腦來處理分析資料的生物資訊學便因此誕生。除了處理分析遺傳密碼的相關資訊之外,各種生物與醫學相關的影像處理技術需求也是與日俱增。國家高速網路與計算中心(以下簡稱國網中心)的生物知識庫與生物計算服務系統,藉由網際網路的技術建立一個整合性的知識庫環境,不但為了對於生物相關知識有濃厚興趣的廣泛大眾提供最新的生技新知,並將一直以來所收集的生技文章整理以方便搜尋;同時為從事生命科學研究的科學家們提供各種不同的生物資訊軟體服務。與一般生技新知網站所不同的是,國網中心希望能提供生命科學領域的研究生與學者們更多的加值服務,例如在生技新知的文章後方提供原始論文的鏈結,以及蒐集彙整最新的應用這些生物資訊軟體所發表論文等,以利生命科學家們在使用本網站時更加迅速且有效地找到所需的資訊。

服務架構
國網中心生物知識庫與生物計算服務系統可分為生物知識庫以及生物資訊服務系統兩大部分。在生物知識庫方面,分別是生技新知、期刊導讀、生物計算軟體文獻收集、生物計算軟體與資料庫介紹等四個區塊,內容從科普新知到進階生物計算研究分析,可提供不同層次的使用者閱讀;在生物計算服務系統方面,主要提供各種不同生物資訊資料庫及相關軟體,協助生命科學家進行相關研究工作。網站架構即如圖一所示,首頁登入畫面即如圖二。


圖一  國網中心生物知識庫與生物資訊服務系統可分為兩大部分


圖二  國網中心生物知識庫與生物資訊服務系統首頁

生物知識庫


由於服務對象為科普大眾與任何想要踏入生物計算領域的使用者,所以在生物知識庫的內容建置規劃上包含了不同層次以及難易度的科普新知與專題報導,粗略的將生物知識庫分為四大區塊,分別是生技新知、期刊導讀、生物計算軟體文獻收集、生物計算軟體與資料庫介紹等。


生技新知與期刊導讀:顧名思義為提供最新的生技相關新知報導,包含有生化調控、生物影像、生物技術、生技產業、細胞生物、臨床醫藥、計算生物、發育生物、生態保育、基因體科學、健康保健、微生物及免疫學、神經生物及傳統生物等生物相關的新興知識報導。生技新知與期刊導讀來源主要來自科景[1]以及華文生技網[2]等網站。此外,為了讓使用者在使用上更為便利,本網站特別在文章後面增加原始論文的鏈結,只要輕輕一點,免除繁複的搜尋過程即可直接看到原文摘要。使用者不只可以在這瀏覽到最新的生物新知,更可以利用我們的站內搜尋系統找尋特定類別的文章,只要點擊首頁上方生技新知右邊的"more"鍵,所有的文章分類即可一目了然,並且可以依照個別的需求找到該類文章。
除了各種科普新聞類文章之外,本單元也提供期刊導讀類的深入文獻報導,不只針對學術論文的詳盡探討和介紹,更標明了文章的原始出處,讓想閱讀原文的讀者們可以更加迅速的找到該篇文獻。
為了方便使用者取得特定主題的生技新知,達到使用者導向的目標,我們建立了RSS(Really Simple Syndication)的服務平台。RSS是一種XML格式,可以用來分發和匯集網頁內容,只要利用RSS閱讀器訂閱個別主題,便會主動通知讀者生物知識庫提供了更新的新聞內容,並且讀者可以依照個人喜好訂閱不同主題的生技新知。

生物計算軟體文獻收集:這是國網中心計算生物小組的最新服務,主要的內容是各個生物計算應用軟體的相關文獻收集,只要是近期的研究文獻中有提到或使用到該軟體的部分,便會依照各軟體分門別類的整理出來。目前收集的文獻主要是國網中心生物資訊服務系統有提供服務的軟體;如序列分析軟體GCG和EMBOSS、生物晶片分析軟體BASE、影像軟體Amira等等。除了會不斷更新並擴充此收集庫的內容之外,未來也計畫將其他尚未提供服務的軟體相關文獻一一收錄。雖然目前有不少搜尋引擎亦可以達到搜尋相關文獻的功能,但是使用一般搜尋引擎所查到的結果多半較為雜亂,因此我們將這些龐大的搜尋結果加以整理,提供使用者更為有系統的文獻收集(圖三)。


圖三  軟體應用文獻收集流程

生物計算軟體與資料庫介紹:這個部分包含了許多的計算生物學相關知識,有生物資訊學的簡介以及各種軟體的介紹和教學,是生物資訊學的入門,目前主要可分為三大類,生物資訊軟體、結構生物以及生物影像等,內容包含生物資訊軟體介紹、實用的軟體操作範例以及深入的軟體相關文獻導讀等等,使用者不但可以吸收生物資訊相關軟體的各項詳細資料,更可以藉此了解我們所提供的軟體服務內容以及研究成果。

生物計算服務系統


生物計算服務系統的服務對象主要為具備生物及生物資訊學基礎的使用者,提供生物序列分析軟體及資料庫、生物晶片分析軟體、結構生物軟體以及生物影像軟體服務。


生物序列分析軟體及資料庫
我們提供了各種不同功能與用途的序列分析工具與軟體套組,從最基礎的NCBI Web-BLAST、到生命科學研究人員最常用的GCG/SeqWeb生物序列分析軟體套組、EMBOSS序列分析軟體套組、整合性序列分析入口SeWeR,以及BioTeam iNquiry生物資訊分析軟體,上述軟體使用者只需要透過本生物資訊服務系統網站,申請使用者帳號和密碼,即可使用上述的生物資訊軟體。


NCBI-BLAST[3]:BLAST是生命科學研究人員最常使用的序列比對工具之ㄧ,國網中心提供的BLAST程式包含有雙序列比對的bl2seq,序列資料庫搜尋比對的blastn、megablast、blastp、blastx、tblastn與tblastx,以及進行蛋白質模組(domain)序列比對的PSI-blast與PHI-blast,其中blastn為核酸序列比對、blastp為蛋白質序列比對、blastx為核酸序列與蛋白質資料庫比對、tblastn為蛋白質序列與轉譯核酸序列比對、tblastx為核酸序列與轉譯核酸資料庫比對。NCBI-BLAST可免申請帳號直接點選使用。


GCG/SeqWeb[4]:GCG(Genetics Computer Group)是生物資訊界最廣為人知的分子序列分析軟體套組。GCG包括了超過130 個分析程式,可以分成序列比對、資料庫搜尋、演化分析、限制?裂解圖譜、特殊序列片段辨識、PCR引子設計、蛋白質分析、核酸二級結構、轉譯等類別;除了分析程式外,GCG同時也提供多種生物資料庫,例如:核?酸相關的GenBank[5],蛋白質相關的GenPept[5]、PIR[6]、UniProt[7]、PROSITE[8]、Pfam[9],以及REBASE[10]等資料庫。使用者可以輸入自己實驗的分子序列,或是從這些資料庫取得分子序列,再利用GCG分析軟體分析這些序列。
國網中心所提供之GCG服務以SeqWeb網頁介面為主,使用者僅需透過生物資訊服務系統網頁申請帳號核准後,即可使用GCG/SeqWeb服務。


EMBOSS/JEMBOSS[11]:EMBOSS的全名是European Molecular Biology Open Software Suite,由歐洲多個學術單位所開發出來的生物序列分析套組。EMBOSS套組目前包含超過一百個以上的程式,除了可以進行序列搜尋比對,也有尋找蛋白質motif、domain,以及二級結構分析等功能。
國網中心所提供的EMBOSS服務為網頁介面(Luke's EMBOSS-GUI)與Java使用者介面(Java EMBOSS,JEMBOSS)。使用者只需要透過網頁瀏覽器即可使用Luke's EMBOSS-GUI,而Java使用者介面的JEMBOSS,使用者需先下載安裝Java web start,再行點選JEMBOSS網頁即可使用。


SeWeR[12]:SeWeR是SEquence analysis using WEb Resources的縮寫,它整合了網路上常用序列分析工具的入口,包含一般常用的核酸與蛋白質序列比對分析的功能、資料庫的搜尋、PCR引子設計以及其他相關的序列比對與整理工具。


BioTeam iNquiry[13]:BioTeam iNquiry為一套網頁介面之生物資訊工具整合性軟體,內含的工具程式除了目前本中心有提供的EMBOSS軟體套組之外,更包含了Hmmer、Wise2、NCBI-BLAST、Glimmer、ClustalW、PHYLIP等常用的生物資訊分析軟體,總計超過170種以上。使用者可以透過QueueStatus工作管理程式,監控看到自己的工作是否已經進入排程執行。使用者僅需透過生物資訊服務系統網頁申請帳號核准後,即可使用BioTeam iNquiry服務。


SRS[14]:由於生物序列資料庫相當的多元,有核酸序列資料庫(GenBank、RefSeq[15]、EMBL[16])、蛋白質序列資料庫(SwissProt[17]、PIR、TREMBL[18])以及蛋白質結構資料庫(PDB[19])等等,而各種資料庫分別由不同的研究機構所維護,所以在過去資料查詢必須連線至各資料庫網站進行搜尋,因此為了讓資料庫搜尋能有一個統一的入口,SRS(Sequence Retrieval System)便因此而生。
SRS是由歐洲分子生物學實驗室(EBI)開發而成,最初是為核酸序列資料庫EMBL和蛋白質序列資料庫SwissProt的查詢開發的,SRS目前已經成為歐洲各國主要生物信息中心必備的資料庫查詢系統。國網中心所提供的SRS服務包含EMBL、TREMBL、SwissProt、PIR、PDB等數個序列及結構資料庫,使用者僅需輸入一個關鍵字,即可同時針對所有資料庫進行搜尋,並且所有的資料庫內容都可以相互參照,讓使用者更容易找到需要的資訊。


生物晶片分析軟體
由於生命科學研究人員對基因晶片分析的需求,業界以及學術界都推出許多基因晶片相關的分析應用軟體,從單純進行影像處理、正規化、差異性表現分析、叢集分析或是資料庫軟體,到彙整多項功能的整合性軟體都有。
國網中心提供的生物晶片分析軟體為BASE(BioArray Software Environment)[20],BASE是一個基因晶片分析與資料儲存軟體,經由網頁介面能夠處理大量的基因晶片數據,包含基因晶片雜交實驗過程的資訊,與經掃描所產生的原始影像及數據,也提供了資料正規化、瀏覽與分析的工具。BASE是由瑞典Lund大學的研究人員開發而成,目前陸續都有更新版的發行,尤其是這個基因晶片分析環境平台是完全免費使用,安裝程式、原始檔、操作手冊等都可以經由網路取得,對於學術單位進行基因晶片分析研究有相當大的幫助。使用者僅需透過生物資訊服務系統網頁申請帳號核准後,即可使用BASE服務。


結構生物軟體
結構生物學為生命科學中重要的一個分支,主要目的為探討生物巨分子之複雜結構特性、形成此結構之動力過程、以及分子結構與其生化功能之間的關係。近年由於計算機之快速發展,以及生化資料庫中實驗數據的累積,使高速計算在結構生物學研究中扮演的角色越趨重要。因此,國網中心亦提供結構生物相關軟體供研究人員使用。
Insight II[21]是一套進行蛋白質結構分析研究人員常用的一套軟體,它具有建立與模擬計算分析結構的功能,利用套件提供的圖形使用介面,可在短時間內建構好所需研究的巨分子系統,並且具有能量最佳化、分子動態模擬、靜電作用力計算、分子間作用力計算、鍵結區域搜尋、同源蛋白建構和比對等計算與模擬的功能,可依使用者的需求選擇適合自己的分析工具。此套軟體配合X視窗軟體與網路瀏覽器整合技術[22],使得使用者透過瀏覽器與X視窗模擬軟體就可以輕易的開啟及使用國網中心提供的Insight II軟體。


生物影像軟體
在生物醫學的研究當中,常常會產生出許多的生物醫學影像,諸如電腦斷層掃描、核磁共振影像、顯微鏡影像等,以往對影像的分析與判讀,都是透過醫生或生醫研究人員的肉眼進行,而由於電腦技術的進步,利用電腦來輔助生物影像分析及3D影像重建,已經成為現今進行生醫研究的趨勢。
Amira[23]:目前我們與清華大學腦科學研究中心合作建立果蠅大腦3D影像資料庫,使用者可以透過網頁,依研究需要重組影像模組,進而觀察腦神經叢與神經網路在立體空間的關係(圖四)。Amira軟體除了應用在果蠅大腦3D立體影像重組之外,只要是任何一系列的2D橫切面影像,如斷層掃描或核磁共振影像,經由Amira的影像處理功能,都可以重組為3D立體影像,提供研究人員從各個方向進行不同角度的影像分析及解讀。

  
圖四   果蠅大腦影像模組化後所觀察到的腦神經叢與神經網路3D立體影像

ImageJ[24]:這是一個免費的共享軟體,用來處理各種生物醫學臨床或研究的影像圖片,是由美國國家衛生研究院(NIH)利用Java語言所發展的科學影像處理軟體。程式可以跨平台上使用:例如Linux、Mac OS、Windows。此程式可以展示、編輯、分析處理、儲存及列印多種格式(TIFF、GIF、JPEG、BMP、DICOM、FITS與RAW)影像。除了一般標準的圖形處理功能,還可以計算影像中特定區域的面積、圖點顏色與灰階的統計資料、測量圖中某兩點間的距離、兩線間的角度、及沿某線的濃淡變化。由於是開放式架構,使用者可下載其他現有的擴充組件(plug-in),如VolumeJ, FlowJ, SurfaceJ, Register ROI , SegmentingAssistant等,或用內附的編輯器依照個人需求撰寫程式,是個延伸性很高的影像處理應用程式。

結語
為了推廣生物相關知識以及各種生物計算軟體服務,國網中心經營這個生物知識庫與生物計算服務系統的網站,期望提供社會大眾最新且豐富的生技新知及知識庫,與生命科學領域之研究人員進行生物相關的計算研究環境,國網中心的生物知識庫與生物計算服務系統可以是您獲得計算生物相關知識的最佳網站之一。

致謝
感謝清華大學生物科技研究所所長暨腦科學研究中心主任江安世教授提供果蠅大腦神經網路影像。

[原文PDF下載]

參考資料
1. http://www.sciscape.org/
2. http://www.bioweb.com.tw/
3. http://ncbi.nih.gov/BLAST/
4. http://www.accelrys.com/products/gcg/
5. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
6. http://pir.georgetown.edu/
7. http://www.pir.uniprot.org/
8. http://www.expasy.org/prosite/
9. http://www.sanger.ac.uk/Software/Pfam/
10. http://rebase.neb.com/rebase/rebase.html
11. http://emboss.sourceforge.net/
12. http://iubio.bio.indiana.edu/webapps/SeWeR/
13. http://www.bioteam.net/
14. http://srs.ebi.ac.uk/
15. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/RefSeq/
16. http://www.ebi.ac.uk/embl/
17. http://ca.expasy.org/sprot/
18. http://www.ebi.ac.uk/trembl/
19. http://www.rcsb.org/pdb/
20. http://base.thep.lu.se/
21. http://www.accelrys.com/products/insight/
22. 謝昌煥、何智雄、莊朝鈞、葉昌偉 (2005) "X-視窗介面與網路瀏覽器整合與應用-以網頁自動設定生物化學應用軟體環境為例" 國研科技第五期,pp54~58。
23. http://www.amiravis.com/
24. http://rsb.info.nih.gov/ij/

 

 

  

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