XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU HAI GENE 16S VÀ 23S RIBOSOM RNA Ở VI KHUẨN – ỨNG DỤNG CƠ SỞ DỮ LIỆU HAI GENE 16S VÀ 23S RIBOSOM RNA Ở VI KHUẨN ĐỂ PHÁT HIỆN CÁC TÁC NHÂN GÂY BỆNH VIÊM MÀNG NÃO MỦ (Bacterial Meningitis)

Chia sẻ: G G | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

101
lượt xem 23
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sự phát triển của ngành công nghệ thông tin trong những thập kỷ qua đã góp phần cải thiện chất lƣợng cuộc sống con ngƣời. Máy tính đã có mặt trong hầu hết các ngành khoa học, hỗ trợ con ngƣời giải quyết những công việc khó khăn và nhiều thời gian. Công nghệ sinh học đƣợc xem là ngành khoa học mũi nhọn của thế kỷ XXI. Với sự ra đời của kỹ thuật giải trình tự, nhiều bộ gene của sinh vật đã đƣợc giải mã, tạo ra một lƣợng dữ liệu sinh học khổng lồ. Điều này...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU HAI GENE 16S VÀ 23S RIBOSOM RNA Ở VI KHUẨN – ỨNG DỤNG CƠ SỞ DỮ LIỆU HAI GENE 16S VÀ 23S RIBOSOM RNA Ở VI KHUẨN ĐỂ PHÁT HIỆN CÁC TÁC NHÂN GÂY BỆNH VIÊM MÀNG NÃO MỦ (Bacterial Meningitis)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ***000*** LÊ VĂN TÁM XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU HAI GENE 16S VÀ 23S RIBOSOM RNA Ở VI KHUẨN – ỨNG DỤNG CƠ SỞ DỮ LIỆU HAI GENE 16S VÀ 23S RIBOSOM RNA Ở VI KHUẨN ĐỂ PHÁT HIỆN CÁC TÁC NHÂN GÂY BỆNH VIÊM MÀNG NÃO MỦ (Bacterial Meningitis) Luận văn kỹ sƣ Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Thành phố Hồ Chí Minh -2006-
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ***000*** XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU HAI GENE 16S VÀ 23S RIBOSOM RNA Ở VI KHUẨN – ỨNG DỤNG CƠ SỞ DỮ LIỆU HAI GENE 16S VÀ 23S RIBOSOM RNA Ở VI KHUẨN ĐỂ PHÁT HIỆN CÁC TÁC NHÂN GÂY BỆNH VIÊM MÀNG NÃO MỦ (Bacterial Meningitis) Luận văn Kỹ sƣ Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Giáo viên hƣớng dẫn Sinh viên thực hiện TS. TRẦN THỊ DUNG LÊ VĂN TÁM LƢU PHÚC LỢI Thành phố Hồ Chí Minh -2006-
MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING NONG LAM UNIVERSITY, HCMC DEPARTMENT OF BIOTECHNOLOGY ************ CONSTRUCT DATABASE OF 16S AND 23S RIBOSAMAL RNA GENE IN BACTERIA – APPLICATION THE DATABASE FOR DETECTION BACTERIAL MENINGITIS Graduation thesis Major: Biotechnology Professor Student Ph.D. TRAN THI DUNG LE VAN TAM LUU PHUC LOI Ho Chi Minh City -2006-
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Ban Giám hiệu trƣờng Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh, Ban chủ nhiệm Bộ môn Công nghệ Sinh học, cùng tất cả quý thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tại trƣờng. TS. Trần Thị Dung và Cử Nhân Lƣu Phúc Lợi đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong thời gian làm khóa luận tốt nghiệp. Xin gởi lời cảm ơn đến tập thể lớp Công Nghệ Sinh Học K28 đã động viên, giúp đỡ và luôn ở bên cạnh tôi trong những lúc vui buồn. Cha mẹ kính yêu đã nuôi nấng, dạy dỗ và động viên để con có thể đạt đƣợc thành quả nhƣ ngày hôm nay. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm 2006 Sinh viên LÊ VĂN TÁM iii
TÓM TẮT KHÓA LUẬN LÊ VĂN TÁM, Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh. Tháng 8/2006. “XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU HAI GENE 16S VÀ 23S RIBOSOM RNA Ở VI KHUẨN – ỨNG DỤNG CƠ SỞ DỮ LIỆU HAI GENE 16S VÀ 23S RIBOSOM RNA Ở VI KHUẨN ĐỂ PHÁT HIỆN CÁC TÁC NHÂN GÂY BỆNH VIÊM MÀNG NÃO MỦ (Bacterial Meningitidis)” Hội đồng hƣớng dẫn: – TS. Trần Thị Dung – Cử nhân Lƣu Phúc Lợi Khóa luận đƣợc thực hiện tại bộ môn Công Nghệ Sinh Học - Trƣờng Đại Học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh, từ tháng 1/2006 đến 8/2006. Với sự phát triển của kỹ thuật sinh học phân tử, một số lƣợng lớn các gene 16S và 23S rRNA đã đƣợc giải trình tự. Những trình tự gene này đƣợc lƣu trữ trong CSDL sinh học lớn nhƣ NCBI, EMBL, DDBj…Vì các CSDL này quá lớn và chứa rất nhiều thông tin khác nhau, không tập trung cho một đối tƣợng cụ thể nên khó có thể thực hiện việc truy xuất các thông tin phục vụ trực tiếp cho một nghiên cứu chuyên biệt. Do vậy, mục tiêu của đề tài là tiến hành xây dựng cơ sở dữ liệu hai gene 16S và 23S rRNA ở vi khuẩn và ứng dụng CSDL này để phát hiện các loài vi khuẩn gây bệnh viêm màng não mủ. Để đạt đƣợc mục tiêu trên, khóa luận cần đảm bảo thực hiện những nội dung nhƣ sau: Dùng Perl script để thu nhận các mẫu tin của hai gene từ trang CSDL GenBank (CSDL nucleotide của NCBI). Tiếp tục sử dụng Perl script tách các mẫu tin thu nhận đƣợc thành từng phần riêng biệt nhƣ accession number (mã số truy cập), gi, definition, sequence (trình tự của gene)… Thiết kế CSDL dựa vào mô hình dữ liệu quan hệ. Dùng Perl script để chuyển tự động các thông tin tách đƣợc ở bƣớc trên vào CSDL. Sử dụng giao thức CGI kết hợp với ngôn ngữ lập trình Perl để thiết kế trang web CSDL về hai gene 16S và 23S rRNA ở các loài vi khuẩn. iv
Sử dụng trình tự của hai gene 16S và 23S rRNA trong CSDL để thiết kế mồi cho phản ứng PCR phát hiện và phân biệt các tác nhân gây bệnh viêm màng não mủ. Đề tài đã đạt đƣợc những kết quả nhƣ sau: Đã thu thập đƣợc 2825 mẫu tin về gene 16S rRNA và 305 mẫu tin về gene 23S rRNA từ cơ sở dữ liệu GenBank (NCBI). Tạo đƣợc CSDL của hai gene 16S và 23S rRNA tích hợp với web. Trang web CSDL của hai gene và gồm có 5 trang chính: HOME, SEARCH, TOOL, LINK, ABOUT. Từ các trang web này, ngƣời sử dụng có thể truy xuất thông tin, tìm kiếm trình tự, so sánh một trình tự quan tâm với các trình tự trong CSDL (alignment, BLAST)… Ngoài ra, những trang web chính này còn kết nối đến những trang phụ khác để cung cấp các tiện ích cho ngƣời dùng. Thiết kế mồi cho phản ứng PCR phát hiện các tác nhân gây bệnh viêm màng não mủ bằng chƣơng trình thiết kế mồi Primrose. v
MỤC LỤC Nội dung Trang LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. iii TÓM TẮT KHÓA LUẬN .......................................................................................... iv MỤC LỤC ................................................................................................................... vi DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ ......................................................................x DANH SÁCH CÁC HÌNH ......................................................................................... xi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... xiii PHẦN 1: MỞ ĐẦU .......................................................................................................1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ......................................................................................................... 1 1.2. MỤC ĐÍCH ............................................................................................................. 2 1.3. YÊU CẦU ................................................................................................................ 2 PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................3 2.1. SƠ LƢỢC VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU .......................................................................... 3 2.1.1. Định nghĩa .................................................................................................................. 3 2.1.2. Hệ quản trị CSDL (Database Management System – DBMS) ....................... 3 2.1.3. Các mô hình dữ liệu ................................................................................................. 3 2.2. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH PERL, MẠNG INTERNET VÀ WEB ................... 3 2.2.1. Perl ............................................................................................................................... 3 2.2.1.1. Tóm tắt lịch sử phát triển................................................................................. 3 2.2.1.2. Ứng dụng.............................................................................................................. 4 2.2.1.3. Một số module của Perl thƣờng đƣợc sử dụng............................................ 4 2.2.2. Giới thiệu về mạng Internet ................................................................................... 5 2.2.3. Tích hợp CSDL với web dùng CGI ...................................................................... 5 2.3. CƠ SỞ DỮ LIỆU SINH HỌC ............................................................................... 6 2.3.1. NCBI (National Center for Bioinformatic Information) ................................. 6 2.3.1.1. Vài nét về NCBI .................................................................................................. 6 2.3.1.2. Một số cơ sở dữ liệu trong NCBI .................................................................... 7 2.3.1.3. Một số công cụ trong NCBI ............................................................................. 7 2.3.2. EBI (European Bioinformatics Institute) ........................................................... 8 vi
2.3.2.1. Vài nét về EBI ..................................................................................................... 8 2.3.2.2. Một số cơ sở dữ liệu trong EBI ....................................................................... 8 2.3.2.3. Một số công cụ hỗ trợ phân tích trình tự sinh học ..................................... 9 2.3.3. SIB (Swiss Institute of Bioinformatics) ............................................................... 9 2.3.4. DDBJ (DNA Data Bank Japan) và PDBj (Protein Database Japan) ......... 10 2.4. BỆNH VIÊM MÀNG NÃO MỦ .......................................................................... 12 2.4.1. Sơ lƣợc về bệnh viêm màng não mủ................................................................... 12 2.4.1.1. Định nghĩa ......................................................................................................... 12 2.4.1.2. Bệnh theo lứa tuổi ............................................................................................ 12 2.4.1.3. Các con đƣờng xâm nhiễm của vi khuẩn gây bệnh .................................. 13 2.4.2. Các triệu chứng biểu hiện lâm sàng của bệnh ................................................. 13 2.4.2.1. Những triệu chứng giai đoạn khởi phát ...................................................... 13 2.4.2.2. Biểu hiện lâm sàng của viêm màng não mủ ............................................... 13 2.4.3. Hậu quả của bệnh trên những đối tƣợng bị lây nhiễm .................................. 15 2.4.4. Tình hình bệnh viêm màng não mủ trên thế giới và Việt Nam ................... 15 2.5. VI KHUẨN GÂY BỆNH VIÊM MÀNG NÃO MỦ .......................................... 16 2.6. CÁC PHƢƠNG PHÁP XÉT NGHIỆM BỆNH VIÊM MÀNG NÃO MỦ ...... 18 2.6.1. Phƣơng pháp chẩn đoán lâm sàng ..................................................................... 18 2.6.2. Phƣơng pháp xét nghiệm vi khuẩn học ............................................................. 18 2.6.3. Phƣơng pháp miễn dịch học ................................................................................ 19 2.6.4. Phƣơng pháp tế bào học ....................................................................................... 19 2.6.5. Phƣơng pháp sinh hoá ........................................................................................... 19 2.6.5.1. Đƣờng trong dịch não tủy .............................................................................. 19 2.6.5.2. Đạm trong dịch não tủy .................................................................................. 19 2.6.5.3. Phƣơng pháp khảo sát nồng độ lactate ....................................................... 20 2.6.6. Phƣơng pháp chụp cắt lớp – CT (computer tomography) ........................... 20 2.6.7. Phƣơng pháp xét nghiệm dựa vào kỹ thuật PCR ........................................... 20 2.7. KỸ THUẬT PCR VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÁT HIỆN TÁC NHÂN GÂY BỆNH VIÊM MÀNG NÃO MỦ ....................................................................... 20 2.7.1. Nguyên tắc của kỹ thuật PCR ............................................................................. 20 2.7.2. Quy trình của phản ứng PCR .............................................................................. 21 2.7.3. Seminested PCR/ Multiplex PCR ....................................................................... 22 vii
2.7.3.1. Seminested PCR ............................................................................................... 22 2.7.3.2. Multiplex PCR .................................................................................................. 22 2.7.4. Ứng dụng kỹ thuật PCR trong việc phát hiện vi khuẩn gây bệnh viêm màng não mủ. ..................................................................................................................... 22 2.8. GENE 16S rRNA VÀ 23S rRNA .......................................................................... 24 2.8.1. RNA ribosome (rRNA) – Cấu trúc ribosome .................................................. 24 2.8.2. Gene 16S rRNA thƣớc đo tiến hóa ...................................................................... 25 2.8.3. Gene 23S rRNA ....................................................................................................... 28 2.9. ĐIỀU TRỊ BỆNH VIÊM MÀNG NÃO MỦ BẰNG KHÁNG SINH ............... 28 PHẦN 3: PHƢƠNG PHÁP VÀ CÁC CHƢƠNG TRÌNH SỬ DỤNG ..................29 3.1. CÁC CHƢƠNG TRÌNH VÀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH ĐƢỢC SỬ DỤNG 29 3.1.1. Hệ điều hành............................................................................................................ 29 3.1.2. Các chƣơng trình phân tích trình tự ................................................................. 29 3.1.2.1. Chƣơng trình so sánh trình tự ClustalW.................................................... 29 3.1.2.2. Chƣơng trình tìm kiếm các trình tự tƣơng đồng – BLAST ................... 30 3.1.3. Hệ quản trị CSDL quan hệ MySQL .................................................................. 30 3.1.4. Apache web server ................................................................................................. 31 3.1.5. Ngôn ngữ lập trình Perl và các gói sử dụng ..................................................... 31 3.1.6. Chƣơng trình thiết kế mồi Primrose 2.17 ......................................................... 32 3.2. PHƢƠNG PHÁP .................................................................................................. 33 3.2.1. Thu nhận các mẫu tin chứa trình tự và thông tin liên quan của hai gene 16S và 23S rRNA ............................................................................................................... 33 3.2.3. Thiết kế CSDL gene 16S và 23S rRNA .............................................................. 38 3.2.3.1. Phân tích dữ liệu .............................................................................................. 38 3.2.3.2. Thiết kế CSDL dạng bảng .............................................................................. 39 3.2.3.3. Lƣu trữ các thông tin vào CSDL .................................................................. 41 3.2.4. Tích hợp CSDL gene 16S rRNA và 23S rRNA với trang web ...................... 42 3.3. Thiết kế mồi cho phản ứng PCR phát hiện vi khuẩn viêm màng não ............. 42 3.3.1 Thiết kế mồi dựa trên trình tự gene 16S rRNA ................................................ 43 3.3.2. Thiết kế mồi dựa trên trình gene 23S rRNA .................................................... 47 3.3.3. Nhiệt độ nóng chảy của mồi ................................................................................. 51 PHẦN 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................52 viii
4.1. Kết quả thu nhận các mẫu tin chứa trình tự và thông tin liên quan của hai gene 16S và 23S rRNA ................................................................................................. 52 4.2. CSDL gene 16S và 23S rRNA .............................................................................. 52 4.3. Trang web thể hiện thông tin CSDL gene 16S và 23S rRNA ............................ 52 4.3.1. Trang thông tin chung về CSDL gene 16S và 23S rRNA (Home Page) ..... 54 4.3.2. Trang tìm kiếm (Search Page) ............................................................................ 55 4.3.3. Trang công cụ (Tool Page) ................................................................................... 58 4.3.4. Trang Meningitidis ................................................................................................ 60 4.4. Kết quả thiết kế mồi phát hiện các tác nhân viêm màng màng não mủ ......... 60 PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................................63 PHẦN 6: TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................64 PHỤ LỤC ix
DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ Trang Bảng 2.1. Tóm tắt tác nhân gây bệnh theo lứa tuổi ...................................................... 12 Bảng 2.2. Dấu hiệu và triệu chứng của bệnh viêm màng não mủ ................................ 14 Bảng 2.3. Các nhóm kháng sinh đặc trị vi khuẩn viêm màng não mủ ......................... 28 Bảng 3.1. Các đối tƣợng phụ dựa trên đối tƣợng chính sinh vật .................................. 38 Bảng 3.2. Các đối tƣợng phụ dựa trên đối tƣợng chính trình tự .................................. 39 Sơ đồ tóm tắt quá trình thu nhận mẫu tin của hai gene 16S và 23S rRNA ................... 33 Sơ đồ các đối tƣợng chính trong CSDL hai gene 16S và 23S rRNA ............................ 38 Sơ đồ chi tiết các bảng quan hệ .................................................................................... 40 Sơ đồ cấu trúc các trang web thể hiện thông tin CSDL gene 16S và 23S rRNA .......... 53 x
DANH SÁCH CÁC HÌNH Trang Hình 2.1. Tƣơng tác giữa Perl script-DBI-DBD và RBDMS ........................................ 5 Hình 2.2. Tƣơng quan giữa NCBI, NLM (National Library of Medicine) và NIH ....... 6 Hình 2.3. Một số cơ sở dữ liệu trong EBI ..................................................................... 9 Hình 2.4. Ba cơ sở dữ liệu nucleotide (GenBank – EMBL – DDB) và công cụ tìm kiếm tƣơng ứng ............................................................................................................. 11 Hình 2.5. Sự hợp nhất của ba cơ sở dữ liệu MSD, PDBj, PDB ................................... 11 Hình 2.6. Quy trình phản ứng PCR .............................................................................. 21 Hình 2.7. Thành phần cấu tạo của ribosome ở prokaryote ........................................... 25 Hinh 2.8. Vị trí và kích thƣớc của 16S và 23S rRNA trong bộ gene vi khuẩn ............. 27 Hình 3.1. Tìm kiếm bằng từ khóa trong trang Home Page của NCBI ......................... 34 Hình 3.2. Trang kết quả tìm kiếm bằng từ khóa cho gene 16S rRNA .......................... 34 Hình 3.3. Kết quả tìm kiếm thể hiện ở dạng text ......................................................... 35 Hình 3.4. File text chứa mã số truy cập ........................................................................ 35 Hình 3.5. Tất cả mẫu tin của gene 16S rRNA ............................................................... 36 Hình 3.6. Một mẫu tin của gene 16S rRNA có mã số truy cập AB016268 .................. 37 Hình 3.7. Thiết kế CSDL ở mức vật lý ........................................................................ 41 Hình 3.8. Tiến trình lấy thông tin từ CSDL hai gene ở vi khuẩn ................................. 42 Hình 3.9. Tạo CSDL trình tự gene 16S rRNA ở các vi khuẩn viêm màng não mủ ...... 43 Hình 3.10. Chọn trình tự đích trong thiết kế mồi phát hiện Streptococcus pneumoniae dựa trên gene 16S rRNA. .............................................................................................. 43 Hình 3.11. Xác định các thông số cho mồi và số lƣợng mồi đƣợc tạo ra trên trình tự đích 16S rRNA .............................................................................................................. 44 Hinh 3.12. Danh sách các mồi thiết kế đƣợc trên 16S rRNA ....................................... 44 Hình 3.13. Vị trí bắt cặp của mồi xuôi trên trình tự đích 16S rRNA ............................ 45 Hình 3.14. Vị trí bắt cặp của mồi ngƣợc trên trình tự đích 16S rRNA ......................... 46 Hinh 3.15. Kiểm tra lại sự bắt cặp của mồi ngƣợc và mồi xuôi trên trình tự đích 16S rRNA ............................................................................................................................. 46 Hình 3.16. Kết quả kiểm tra sự bắt cặp mồi xuôi và mồi ngƣợc trên trình tự đích gene 16S rRNA ...................................................................................................................... 47 xi
Hình 3.17. Danh sách các mồi thiết kế đƣợc cho trình tự gene 23S rRNA ở Streptococcus pneumoniae ........................................................................................... 48 Hình 3.18. Vị trí bắt cặp của mồi xuôi trên trình tự đích 23S rRNA ............................ 49 Hình 3.19. Vị trí bắt cặp của mồi ngƣợc trên trình tự đích 23S rRNA ......................... 49 Hình 3.20. Kiểm tra lại sự bắt cặp của mồi ngƣợc và mồi xuôi trên trình tự đích 23S rRNA ............................................................................................................................. 50 Hình 3.21. Kết quả kiểm tra sự bắt cặp mồi xuôi và mồi ngƣợc trên trình tự đích gene 23S rRNA ...................................................................................................................... 50 Hình 3.22. Tính nhiệt độ nóng chảy của mồi xuôi 16S ................................................ 51 Hình 4.1. Trang Home Page ......................................................................................... 54 Hình 4.2. Trang tìm kiếm theo mã số truy cập (accession number)............................. 55 Hình 4.3. Trang kết quả tìm kiếm bằng mã số truy cập ............................................... 56 Hình 4.4. Trang tìm kiếm theo tên loài (species name) ............................................... 57 Hình 4.5. Trang kết quả tìm kiếm theo tên loài (species name) ................................... 57 Hình 4.6. Trang công cụ sắp gióng cột (Alignment) .................................................... 58 Hình 4.7. Trang kết quả sắp gióng cột hai trình tự ....................................................... 59 Hình 4.8. Trang công cụ BLAST ................................................................................. 59 Hình 4.9. Trang Meningitidis ....................................................................................... 60 Hình 4.10. Sự bắt cặp của cặp mồi 16S rRNA trên trình tự đích và trình tự ngoài vùng đích ............................................................................................................................... 61 Hình 4.11. Sự bắt cặp của cặp mồi 23S rRNA trên trình tự đích và trình tự ngoài vùng đích ............................................................................................................................... 61 xii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT CSDL Cơ Sở Dữ Liệu Perl Practical Extraction and Report Language CGI Common Gateway Interface DBI Database Interface DBD Database Driver WWW World Wide Web HTML Hypertext Markup Language HTTP Hypertext Transfer Protocol NCBI Center for Bioinformatic Information BLAST Basic Local Alignment Search Tool EBI European Bioinformatics Institute EMBL European Molecular Biology Laboratory SIB Swiss Institute of Bioiformatics DDBJ DNA Data Bank Japan PDBj Protein Database Japan PCR Polymerase Chain Reaction rRNA ribosomal RNA xiii
1 PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Sự phát triển của ngành công nghệ thông tin trong những thập kỷ qua đã góp phần cải thiện chất lƣợng cuộc sống con ngƣời. Máy tính đã có mặt trong hầu hết các ngành khoa học, hỗ trợ con ngƣời giải quyết những công việc khó khăn và nhiều thời gian. Công nghệ sinh học đƣợc xem là ngành khoa học mũi nhọn của thế kỷ XXI. Với sự ra đời của kỹ thuật giải trình tự, nhiều bộ gene của sinh vật đã đƣợc giải mã, tạo ra một lƣợng dữ liệu sinh học khổng lồ. Điều này đòi hỏi có sự lƣu trữ, quản lí và khai thác các dữ liệu một cách hiệu quả. Với khả năng xử lí và truy xuất lƣợng thông tin lớn và nhanh chóng, máy tính đã trở thành công cụ hữu ích trong nghiên cứu sinh học. Sự kết hợp giữa ngành sinh học và tin học đã cho ra đời một công cụ mới đó là Tin – Sinh học (Bioinformatics). Tin – Sinh học giúp giải quyết hàng loạt những nghiên cứu trong sinh học mà đòi hỏi thời gian dài hay khó có thể thực hiện bằng tay đƣợc. Cho đến nay, Tin – Sinh học đạt đƣợc nhiều thành tựu to lớn. Nhiều CSDL sinh học đã đƣợc thiết lập nhƣ NCBI, EMBL, DDBJ…Các CSDL này chứa lƣợng lớn thông tin phục vụ đắc lực cho các nhà nghiên cứu sinh học. Gene 16S và 23S rRNA là 2 gene có chức năng cần thiết cho sự sống của vi khuẩn, vừa có vùng bảo tồn và vừa có vùng biến động ở các cấp độ khác nhau, giúp cho việc định danh hay xác định mối quan hệ họ hàng giữa hai hay nhiều loài vi khuẩn. Các gene này đã đƣợc giải trình tự và lƣu trữ trong các CSDL sinh học trực tuyến. Tuy nhiên, việc tìm kiếm các thông tin trình tự của hai gene trong các CSDL lớn thƣờng tốn nhiều thời gian do thông tin không tập trung cho một đối tƣợng cụ thể. Hiện nay, rất nhiều bệnh nguy hiểm do vi khuẩn gây ra trong đó có bệnh viêm màng não mủ. Bệnh xảy ra thƣờng xuyên và để lại di chứng nặng nề nếu không điều trị kịp thời. Việc chẩn đoán bệnh bằng các phƣơng pháp truyền thống thƣờng hạn chế về mặt thời gian. Phƣơng pháp PCR hiện nay đƣợc sử dụng rộng rãi do tính đơn giản, nhanh và chính xác. Gene 16S và 23S rRNA là hai gene thích hợp cho việc thiết kế mồi đặc hiệu để phát hiện các vi khuẩn gây bệnh viêm màng não. Với các lý do trên cùng với sự đồng ý hƣớng dẫn của TS Trần Thị Dung và Cử nhân Lƣu Phúc Lợi, chúng tôi thực hiện đề tài “Xây dựng CSDL hai gene 16S và 23S rRNA ở vi khuẩn - Ứng dụng CSDL này để phát hiện các vi khuẩn gây bệnh viêm màng não mủ”.
2 1.2. MỤC ĐÍCH – Thu thập trình tự và thông tin liên quan về hai gene 16S và 23S rRNA ở vi khuẩn, tổ chức thành một CSDL riêng biệt. – Ứng dụng trình tự hai gene trong CSDL để thiết kế mồi cho phản ứng PCR phát hiện các vi khuẩn gây bệnh viêm màng não mủ. Từ đó chứng minh khả năng sử dụng của gene 23S rRNA có nhiều ƣu điểm hơn so với gene 16S rRNA. – Tìm hiểu khả năng ứng dụng trong phát hiện tác nhân gây bệnh của phần mềm Primrose 2.17 (trƣớc đó phần mềm này ra đời với mục đích phân loại phả hệ bằng gene 16S rRNA). 1.3. YÊU CẦU – CSDL phải chứa một lƣợng lớn trình tự của hai gene 16S và 23S rRNA ở các loài vi khuẩn khác nhau trong đó có vi khuẩn gây bệnh viêm màng não mủ. – CSDL phải đƣợc tích hợp với web, tạo giao diện thân thiện với ngƣời sử dụng. – Thông qua các trang web, ngƣời dùng có thể truy cập CSDL để tìm kiếm các thông tin về hai gene nhƣ tên của vi khuẩn, tên của trình tự, chiều dài trình tự, tác giả giải trình tự… – Tích hợp các công cụ phân tích trình tự vào trang web nhƣ BLAST, Alignment… – Thiết kế mồi đặc hiệu phân biệt đƣợc các vi khuẩn trong nhóm vi khuẩn viêm màng não mủ thông qua chƣơng trình thiết kế mồi Primrose 2.17.
3 PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. SƠ LƢỢC VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU 2.1.1. Định nghĩa Cơ sở dữ liệu (CSDL) là một tập hợp dữ liệu đƣợc tổ chức theo một cấu trúc chặt chẽ nhằm phục vụ cho nhiều mục tiêu khác nhau một cách có chọn lọc. Tập hợp dữ liệu sẽ đƣợc lƣu trữ trên các thiết bị lƣu trữ thông tin thứ cấp nhƣ băng từ, đĩa từ… để thỏa mãn nhu cầu khai thác thông tin đồng thời của nhiều ngƣời sử dụng hay nhiều chƣơng trình ứng dụng với nhiều mục đích khác nhau. 2.1.2. Hệ quản trị CSDL (Database Management System – DBMS) Là một hệ thống phần mềm cho phép các nhà phân tích và thiết kế CSDL cũng nhƣ ngƣời khai thác CSDL đƣợc thuận lợi trong quá trình thiết kế, thao tác, truy xuất và quản lý dữ liệu. Hiện nay, một số hệ quản trị CSDL mạnh đang đƣợc đƣa ra thị trƣờng nhƣ Visual FoxPro, SQL-Server, Oracle… 2.1.3. Các mô hình dữ liệu Mô hình dữ liệu là sự trừu tƣợng hóa thế giới thực, là sự biểu diễn dữ liệu ở mức quan niệm. Hiện nay, có năm loại mô hình dữ liệu chính. Đó là: Mô hình dữ liệu mạng Mô hình dữ liệu phân cấp Mô hình dữ liệu quan hệ Mô hình dữ liệu thực thể kết hợp Mô hình dữ liệu hƣớng đối tƣợng 2.2. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH PERL, MẠNG INTERNET VÀ WEB 2.2.1. Perl 2.2.1.1. Tóm tắt lịch sử phát triển Perl (Practical Extraction and Report Language) do Larry Wall tạo ra vào năm 1986 nhằm quản trị các mạng máy tính lớn. Ngôn ngữ này phát sinh từ ngôn ngữ lập trình C và bị ảnh hƣởng bởi ngôn ngữ khác nhƣ BASIC, Awk, Sed và UNIX shell. Năm 2000, phiên bản 5.6 xuất hiện. Phiên bản này đã chuyển sang định dạng tiêu chuẩn và có sự hỗ trợ cả Unicode và UTF-8.
4 Năm 2002, phiên bản Perl 5.8 ra đời cùng với nhiều cải tiến mới đƣợc bổ sung. 2.2.1.2. Ứng dụng Perl đƣợc dùng để xử lý tập tin, truy cập dữ liệu và đƣợc dùng cho giao diện cổng chung (Common Gateway Interface – CGI), tiến hành tạo script của Microsoft Windows, tạo giao diện ngƣời dùng đồ họa (Graphical User Interface – GUI). Ƣu điểm: là ngôn ngữ dễ nắm bắt, thích hợp cho xử lý chuỗi và văn bản thuần túy, đƣợc sự hỗ trợ của nhiều hệ điều hành. Vì vậy, Perl là ngôn ngữ lập trình thích hợp cho các nhà tin – sinh học vì nó có thể giúp cho việc thao tác trên các chuỗi trình tự sinh học, tạo CSDL sinh học dễ dàng hơn. Ngoài ra, Perl còn đƣợc hỗ trợ bởi các module (tập các hàm) giúp kết nối, truy xuất CSDL với trang web, tạo ra trang web động. Nhƣợc điểm: chỉ có thể dùng để viết các chƣơng trình, script nhỏ. 2.2.1.3. Một số module của Perl thƣờng đƣợc sử dụng Module CGI (Common Gateway Interface): Module này gồm các hàm giúp viết kịch bản Perl theo giao thức CGI. Các script này giúp lấy thông tin từ trình duyệt khách gởi đến máy chủ, đƣa vào chƣơng trình xử lý và trả thông tin kết quả đến máy khách. Module DBI (Database Interface): là tập các hàm, biến và những qui ƣớc cần thiết cho việc tƣơng tác với một CSDL nhất định thông qua Perl script, hoàn toàn độc lập với hệ quản trị CSDL (Tim Bunce). Những tƣơng tác có thể nhập, nâng cấp, xử lý, rút trích…dữ liệu vào hay ra khỏi CSDL. Module DBD (Database Driver): là một module phụ thuộc loại hệ quản trị CSDL và liên kết với module DBI để truy cập vào một loại hệ quản trị CSDL nhất định. Nhƣ vậy tƣơng ứng với một hệ quản trị CSDL có một loại DBD. Ví dụ nhƣ hệ quản trị MySQL có Database Driver là DBD::MySQL.
5 RDBMS P E D DBD R B L I S DBD RDBMS S C w R i I t DBD P c T h RDBMS Hình 2.1. Tương tác giữa Perl script-DBI-DBD và RBDMS 2.2.2. Giới thiệu về mạng Internet Năm 1957, Bộ quốc phòng Mỹ thành lập cơ quan nghiên cứu các dự án kỹ thuật cao ARPA (Advanced Research Projects Agency), thuộc một bộ phận trong bộ quốc phòng. Chỉ một thập niên sau, năm 1969, ARPA thiết lập mạng ARPANET – tiền thân của Internet ngày nay. ARPANET là một mạng máy tính nối bốn máy chủ tại các trƣờng đại học California – Los Angeles, đại học California – Santa Barbara, viện nghiên cứu Standford và đại học Utah lại với nhau. Đến năm 1973, mạng xuyên quốc gia đầu tiên đƣợc thiết lập giữa hai nƣớc Anh và Na Uy. Năm 1982, giao thức TCP/IP ra đời và nhanh chóng trở thành giao thức chuẩn. Internet dần dần đƣợc phát triển và đột phá từ khi có sự ra đời của dịch vụ WWW (World Wide Web). Và từ đây, Internet đƣợc mở rộng sử dụng cho các ngành nghiên cứu khác và trở thành một công cụ có mục đích thƣơng mại. 2.2.3. Tích hợp CSDL với web dùng CGI Gồm ba bƣớc: Bƣớc 1: từ trình duyệt web (trên máy client) gởi đi những yêu cầu của ngƣời dùng đến máy server. Ở máy server, thông qua trình ứng dụng CGI chuyển những yêu cầu đó thành những câu truy vấn SQL. Bƣớc 2: kết nối CSDL, thực hiện những câu truy vấn đó.
6 Bƣớc 3: thu lấy kết quả truy vấn, thông qua trình ứng dụng CGI chuyển kết quả thu đƣợc từ CSDL thành định dạng HTML, rồi trả về máy client. 2.3. CƠ SỞ DỮ LIỆU SINH HỌC Sự phát triển của kỹ thuật và thiết bị thí nghiệm nhƣ kỹ thuật DNA Microarray, kỹ thuật giải trình tự tự động cho phép tạo ra hàng ngàn dữ liệu sinh học trong chốc lát. Nhƣ vậy vấn đề đặt ra là cần phải có biện pháp lƣu trữ, quản lý, sử dụng và chia sẻ nguồn dữ liệu này. Do đó cần xây dựng các dữ liệu này thành một CSDL hoàn chỉnh để có thể thực hiện đƣợc mục đích trên. Hơn thế nữa, với việc hệ thống hóa toàn bộ dữ liệu trên, chúng ta dễ dàng thực hiện việc chia sẻ những thông tin ấy qua mạng Internet hay kết nối thêm vào những tập dữ liệu ở nơi khác. Một số CSDL lớn, trực tuyến đã đƣợc xây dựng để cung cấp thông tin cho các nhà nghiên cứu sinh học nhƣ NCBI, EBI, SIB, DDBJ… 2.3.1. NCBI (National Center for Bioinformatic Information) 2.3.1.1. Vài nét về NCBI NCBI là chữ viết tắt của “National Center for Bioinformatic Information”. Đây là trung tâm quốc gia về Công nghệ sinh học, thuộc viện sức khỏe quốc gia của Hoa Kỳ (NIH – National Institute of Health). NCBI chính thức đƣợc thành lập vào ngày 4/10/1988. Đến năm 1991, NCBI đảm nhiệm việc quản lý CSDL trình tự DNA và từ đó NCBI còn đƣợc gọi là GenBank. NIH NLM NCBI Hình 2.2. Tương quan giữa NCBI, NLM (National Library of Medicine) và NIH NCBI là nơi cung cấp, trao đổi thông tin về sinh học phân tử của Mỹ, thông qua những CSDL trực tuyến. Ngoài ra, NCBI còn tham gia những nghiên cứu về “sinh học tính toán” (computation biology), phát triển những công cụ phân tích dữ liệu bộ gene, protein…