Вычислительная молекулярная биология

Пакет ncbi-tools-x11 содержит набор графических утилит и полноценных программ основанных на базе известного пакета NCBI SDK. В пакет входят такие программы для работы с базами данных NCBI как Cn3D, Network Entrez, Sequin, ddv, и udv.

Plasmidomics предназначен для рисования плазмид и векторных систем с использованием плазмид. Plasmidomics имеет развитые возможности экспорта и может использоваться при создании иллюстраций для презентаций или публикаций. Основным форматом экспорта для Plasmidomics является PostScript.

Одна из самых быстрых и эффективных программ для множественного выравнивания белковых и нуклеотидных последовательностей. Согласно тестам MUSCLE достигает очень высоких результатов на системах тестирования качества множественного выравнивания, в основе которых лежат общепризанные базы известных выравниваний prefab и balibase.

MUSCLE это консольная утилита работающая преимущественно с FASTA и CLUSTAL форматами данных.

HMMER это реализация метода поиска в базах биологических последовательностей с использованием в качестве запроса к базе профиля множественном выравнивания. В основе алгоритмов построения и поиска пакета HMMER лежит теория скрытых марковских моделей, имитирующих работу процесса, похожего на марковский процесс с неизвестными параметрами, и задачей ставится разгадывание неизвестных параметров на основе наблюдаемых.

Пакет HMMER содержит набор консольных программ для построения статистических HMM профилей и поиска в биологических последовательностях при помощи уже готовых HMM профилей.

DIALIGN-TX это консольная утилита для множественного выравнивания последовательностей ДНК и белков.

Программа представляет из себя полную реализацию алгоритма выравнивания основанного на независимой обработке отдельных сегментов и имеет ряд улучшений и эвристик которые значительно улучшают качество результирующего выравнивания в сравнении с предыдущими версиями программы DIALIGN 2.2 и DIALIGN-T.

BLAST2  - семейство компьютерных программ, служащих для поиска гомологов белков или нуклеиновых кислот, для которых известна первичная структура (последовательность) или её фрагмент. Используя BLAST, исследователь может сравнить имеющуюся у него последовательность с последовательностями из базы данных и найти последовательности предполагаемых гомологов. Является важнейшим инструментом для молекулярных биологов, биоинформатиков, систематиков. Семейство программ серии BLAST делится на 5 основных групп:

1. Нуклеотидные - предназначены для сравнения изучаемой нуклеотидной последовательности с базой данных секвенированных нуклеиновых кислот и их участков:
   • megablast - быстрое сравнение с целью поиска высоко сходных последовательностей,
   • dmegablast - быстрое сравнение с целью поиска дивергировавших последовательностей, обладающих незначительным сходством,
   • blastn - медленное сравнение с целью поиска всех сходных последовательностей и др.
2. Белковые - предназначены для сравнения изучаемой аминокислотной последовательности белка с имеющейся базой данных белков и их участков.
   • blastp - медленное сравнение с целью поиска всех сходных последовательностей,
   • cdart - сравнение с целью поиска гомологичных белков по доменной архитектуре,
   • rpsblast - сравнение с базой данных консервативных доменов,
   • psi-blast - сравнение с целью поиска последовательностей, обладающих незначительным сходством,
   • phi-blast - поиск белков, содержащих определенный пользователем паттерн и др.
3. Транслирующие - способны транслировать нуклеотидные последовательности в аминокислотные:
   • blastx - переводит изучаемую нуклеотидную последовательность в кодируемые аминокислоты, а затем сравнивает ее с имеющейся базой данных аминокислотных последовательностей белков,
   • tblastn - изучаемая аминокислотная последовательность сравнивается с транслированными последовательностями базы данных секвенированных нуклеиновых кислот,
   • tblastx - переводит изучаемую нуклеотидную последовательность в аминокислотную, а затем сравнивает ее с транслированными последовательностями базы данных секвенированных нуклеиновых кислот.
4. Геномные - предназначены для сравнения изучаемой нуклеотидной последовательности с базой данных секвенированного генома какого-либо организма (человека, мыши и др.)
5. Специальные - прикладные программы, использующие BLAST:
   • bl2seq - сопоставление двух последовательностей по принципу локальных выравниваний, VecScreen - определение сегментов нуклеотидной последовательности нуклеиновой кислоты, которые могут иметь векторное происхождение и др.

Лучший на 2008-2009гг. алгоритм множественного выравнивания последовательностей белков. При выравнивании используются данные о третичной и вторичной структуре белков. Тестирование работы алгоритма осуществлялась на базе данных PREFAB. База данных PREFAB содержит множественные выравнивания белков, сделанные на основе структурных выравниваний трехмерных структур белков без учета данных о идентичности их первичных последовательностей. Pei J, Kim BH, Grishin NV. PROMALS3D: a tool for multiple protein sequence and structure alignments. Nucleic Acids Res. 2008 36:2295-2300.

Единственный алгоритм множественного выравнивания основанный на оценке вероятности эволюционного преобразования последовательностей на основе парной скрытой марковской модели. Используется алгоритмы итеративного улучшения выравнивания, прогрессивного выравнивание на основе дерева построенного по оценкам ожидаемой точности парных выравниваний последовательностей. Edgar RC. MUSCLE: a multiple sequence alignment method with reduced time and space complexity. BMC Bioinformatics. 2004 5:113.

Самый точный на 2008-2009гг алгоритм множественного выравнивания некодирующих РНК, основанный на предсказании вторичной структуры РНК. Наибольшая точность выравнивания оцененная на основе базы данных BRAliBase, содержащей множественные выравнивания РНК сделанные вручную, достигается при комбинировании R-COFFEE с Consan. Wilm A, Higgins DG, Notredame C. R-Coffee: a method for multiple alignment of non-coding RNA. Nucleic Acids Res. 2008 36:e52.

Один из лучших на 2008-2009гг. алгоритм множественного выравнивания протяженных геномных последовательностей. Алгоритм включает в себя поиск локальных надежно выравниваемых районов, реконструкцию по ним филогении, выделение подмножества локальных выравниваний в качестве якорей – коллинеарных групп, проведение рекурсивного расширения выравниваний от якорных коллинеарных групп. Darling AC, Mau B, Blattner FR, Perna NT. Mauve: multiple alignment of conserved genomic sequence with rearrangements. Genome Res. 2004 14:1394-1403.

MrBayes – это набор алгоритмов филогенетического анализа и реконструкции предковых последовательностей с помощью байесовского метода. Единственный в мире качественно распараллеленный алгоритм филогенетического анализа с помощью байесовского метода. MrBayes специально создан для анализа разнородных данных, в анализ могут быть включены качественные и молекулярные (количественные) данные, аминокислотные и нуклеотидные последовательности (множество моделей), митохондриальные и ядерные гены одновременно. Поиск оптимального решения идет с помощью связанных марковских цепей Монте Карло. Huelsenbeck JP, Ronquist F. MRBAYES: Bayesian inference of phylogenetic trees. Bioinformatics. 2001 17:754-755. Ronquist F, Huelsenbeck JP. MrBayes 3: Bayesian phylogenetic inference under mixed models. Bioinformatics. 2003 19:1572-1574. Altekar G, Dwarkadas S, Huelsenbeck JP, Ronquist F. Parallel Metropolis coupled Markov chain Monte Carlo for Bayesian phylogenetic inference. Bioinformatics. 2004 20:407-415.

RAxML - это алгоритм филогенетического анализа с помощью метода максимального правдоподобия. Единственный в мире качественно распараллеленный алгоритм филогенетического анализа генов и белков (множество моделей) с помощью метода максимального правдоподобия. Stamatakis A. RAxML-VI-HPC: maximum likelihood-based phylogenetic analyses with thousands of taxa and mixed models. Bioinformatics. 2006 22:2688-2690.

Объединяет среду для моделирования и PDE Solver. В основном используются для моделирования клеточных структур (пены, биологические ткани и т.д.), однако, предпринимаются усилия, чтобы включить возможности моделирования жидкостей. Является программным продуктом с открытым исходным кодом.

Является инструментом для моделирования и изучения клеточных автоматов в 3D-пространство. Приложение использует OpenGL и является достаточно быстрым, что создает правильное мнение о том, чтобы клеточные автоматы рассматривать как один из методов исследования искусственной жизни.