Bases de datos biológicas

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1 Dr. Eduardo A. RODRÍGUEZ TELLO CINVESTAV-Tamaulipas 28 de mayo del 2013 Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

2 1 Introducción Desventajas de las bases de datos biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

3 Introducción 1 Introducción Desventajas de las bases de datos biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

4 Introducción Introducción Recordemos que en computación una Base de Datos (BD) es un conjunto de datos pertenecientes a un mismo contexto y almacenados sistemáticamente para su posterior utilización El objetivo principal del desarrollo de una BD es organizar los datos en un conjunto de registros estructurados que permitan recuperar fácilmente la información Cada registro está compuesto por un número determinado de campos que contienen datos específicos, por ejemplo: nombres, números de teléfono, etc. Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

5 Introducción Introducción Para recuperar un registro particular de la base de datos, un usuario puede especificar una pieza de información, llamada valor, que será encontrada en un campo en especial. La computadora entonces recuperará el registro completo Este proceso es llamado consulta Aun cuando la recuperación de información es el principal objetivo de todas las BD, las BD biológicas a menudo tienen un requerimiento de más alto nivel, conocido como descubrimiento de conocimiento Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

6 Introducción Introducción Este se refiere a la identificación de conexiones entre piezas de información que no eran conocidas cuando la información fue introducida por primera vez Por ejemplo, en las BD que contienen información cruda (sin procesar) de secuencias de ADN se pueden realizar tareas extras para identificar homología de secuencias o motivos conservados Con lo cual se prodría facilitar el descubrimiento de nuevos conocimientos biológicos a partir de datos crudos Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

7 1 Introducción Desventajas de las bases de datos biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

8 Originalmente, todas las bases de datos utilizaban un formato de archivo plano, que es un largo archivo de texto que contiene muchas entradas separadas por un delimitador, un carácter especial como por ejemplo una barra vertical ( ) Dentro de cada entrada hay una serie de campos separados por tabuladores o comas Además de los valores crudos en cada campo, el archivo de texto no contiene instrucciones ocultas para las computadoras para buscar información específica o para la creación de informes basados en determinados campos de cada registro Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

9 BD en un archivo plano Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

10 El archivo de texto puede ser considerado como una tabla única Por lo tanto, para buscar en un archivo plano una determinada pieza de información, la computadora tiene que leer todo el contenido del archivo, obviamente, se trata de un proceso demasiado ineficiente Esto es manejable para una pequeña BD, pero a medida que aumenta el tamaño de ésta o los tipos de datos se vuelven más complejos, este estilo de BD puede ser muy complicado para la recuperación de información Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

11 De hecho, las búsquedas a través de estos archivos suelen causar fallos de todo el sistema debido al uso intensivo de memoria que requiere la operación Para facilitar el acceso y recuperación de datos, sofisticados programas de software se han desarrollado Estos programas reciben el nombre de sistemas de gestión de bases de datos Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

12 Estos sistemas no sólo contienen los registros de datos crudos, sino también instrucciones operacionales (estructuras de datos) para ayudar a identificar las conexiones ocultas entre los registros de datos El propósito de establecer una estructura de datos es para facilitar la ejecución de las consultas y para combinar diferentes registros con el fin de formar informes de consultas Dependiendo de los tipos de estructuras de datos, estos sistemas de gestión de bases de datos se pueden clasificar en diferentes tipos: jerárquicos, de red, relacionales, orientados a objetos, etc... Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

13 BD jerárquica Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

14 BD de red Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

15 BD relacional Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

16 BD orientada a objetos Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

17 1 Introducción Desventajas de las bases de datos biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

18 En la actualidad los tres principales tipos de sistemas de gestión de bases de datos utilizados para almacenar datos biológicos son: 1 Archivos planos 2 BD relacionales 3 BD orientadas a objetos A pesar de las evidentes desventajas de la utilización de archivos planos en la gestión de los datos, muchas BD biológicas siguen utilizando este formato La justificación de esto es que este sistema no requiere tener conocimientos avanzados sobre diseño de BD, además de que los resultados de una búsqueda pueden ser fácilmente comprendidos por los biólogos Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

19 Basado en su contenido, las BD biológicas pueden clasificarse en tres categorías: 1 BD primarias 2 BD secundarias 3 BD especializadas Las BD primarias contienen datos biológicos originales Son repositorios de secuencias crudas o datos estructurales sometidos por la comunidad científica Tanto GenBank como PDB (Protein Data Bank) son ejemplos de BD primarias Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

20 Las BD secundarias contienen información procesada computacional o manualmente por un experto, a partir de información original de las bases de datos primarias Las BD de secuencias traducidas de proteínas que contienen anotaciones funcionales pertenecen a esta categoría Algunos ejemplos son: SWISS-Prot y PIR (Protein Information Resources) que es sucesor del Atlas of Protein Sequence and Structure Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

21 Las BD especializadas son aquellas dedicadas un interés de investigación particular Por ejemplo, Flybase, HIV sequence database, y Ribosomal Database Project son BD que se especializan en un determinado organismo o en un tipo particular de datos Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

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23 1 Introducción Bases de datos primarias Bases de datos secundarias Bases de datos especializadas Interconexión entre bases de datos biológicas Desventajas de las bases de datos biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

24 Bases de datos primarias Hay tres grandes BD públicas de secuencias que almacenan datos crudos de secuencias de ácido nucleico, producidos y sometidos por investigadores de todo el mundo: GenBank, EMBL (European Molecular Biology Laboratory) y DDBJ (DNA Data Bank of Japan). Todas son accesibles de manera gratuita a través de Internet La mayoría de los datos en estas BD son aportados directamente por los autores con un nivel mínimo de anotación Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

25 Bases de datos primarias Actualmente, el someter las secuencias, ya sea a GenBank, EMBL, o DDBJ es una precondición para su publicación en la mayoría de las revistas científicas Esto es para garantizar que los datos moleculares fundamentales estén disponibles gratuitamente Estas tres bases de datos públicas colaboran estrechamente e intercambian los datos nuevos cada día Juntas constituyen el INSDC (International Nucleotide Sequence Database Collaboration) Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

26 Bases de datos primarias Esto significa que mediante la conexión a cualquiera de las tres BD, se pude tener acceso a los mismos datos de la secuencia de nucleótidos Aunque las tres BD contienen el mismo conjuntos de datos primarios, cada una de ellas tiene tipo un formato ligeramente diferente para representar esos datos Afortunadamente, para la estructura tridimensional de macromoléculas biológicas, sólo hay una BD centralizada, el PDB (Protein Data Bank) Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

27 Bases de datos primarias Esta BD contiene coordenadas atómicas de macromoléculas (proteínas y ácidos nucleicos), determinadas por cristalografía de rayos X y resonancia magnética nuclear (RMN) Utiliza un formato de archivo plano para representar el nombre de proteína, los autores, detalles experimentales, la estructura secundaria, cofactores, y las coordenadas atómicas La interfaz Web de PDB también proporciona herramientas de visualización sencillas para la manipulación de la imagen Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

28 1 Introducción Bases de datos primarias Bases de datos secundarias Bases de datos especializadas Interconexión entre bases de datos biológicas Desventajas de las bases de datos biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

29 Bases de datos secundarias Las anotaciones adicionales a las secuencias en una BD primaria son a menudo mínimas Por su parte las BD secundarias, contienen información de secuencias procesadas computacionalmente derivada de las BD primarias Un ejemplo importante de una BD secundaria es SWISS-PROT, la cual provee anotaciones detalladas de las secuencias que incluyen: estructura, función y familia de proteínas a la que pertenecen Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

30 Bases de datos secundarias Los datos de secuencias son principalmente derivados de TrEMBL, una BD de secuencias traducidas de ácido nucleico almacenadas en la BD EMBL Las anotaciones a cada entrada es cuidadosamente supervisada por expertos y por lo tanto son de calidad Las anotaciones en las proteínas incluyen: función, estructura de dominios, sitios catalíticos, cofactor vinculante, modificación posttraducción, información de vía metabólica, asociación con enfermedades, y similitud con otras secuencias Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

31 Bases de datos secundarias La mayoría de esta información es obtenida de la literatura científica e introducida por expertos encargados de la BD Las anotaciones proporcionan un valor agregado significativo a cada registro de una secuencia original El registro de datos también proporciona enlaces de referencias cruzadas a otros recursos en línea de interés Otras características tales como la muy baja redundancia y el alto nivel de integración con otras BD primarias y secundarias hacen que SWISS-PROT sea muy popular entre los biólogos Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

32 Bases de datos secundarias Recientemente se ha hecho un esfuerzo por combinar SWISS-PROT, TrEMBL, y PIR para crear la BD UniProt, la cual tiene una mayor cobertura que cualquiera de las 3 BD Al mismo tiempo mantiene las características originales de SWISS-PROT en cuanto a una baja redundancia, referencias cruzadas, y una alta calidad de las anotaciones También existen BD secundarias que se relacionan con la clasificación de familias de proteínas de acuerdo a su función o estructura Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

33 Bases de datos secundarias Las BD Pfam y Blocks contienen información de alineamiento de secuencias de proteínas así como también de motivos derivados y patrones, la cual puede ser usada para clasificar familias de proteínas e inferir sus funciones DALI es una BD secundaria de estructuras de proteínas que es vital para la clasificación de estructuras de proteínas y análisis de éstas para identificar relaciones evolucionarías entre proteínas Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

34 1 Introducción Bases de datos primarias Bases de datos secundarias Bases de datos especializadas Interconexión entre bases de datos biológicas Desventajas de las bases de datos biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

35 Bases de datos especializadas Las BD especializadas sirven normalmente a una comunidad científica específica o se enfocan a un organismo particular Las secuencias en estas BD pueden traslaparse con una BD primaria, pero puede también contener nuevos datos enviados por los autores Debido a que comúnmente están supervisadas por expertos en el campo, pueden tener organizaciones únicas y anotaciones adicionales asociadas a las secuencias Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

36 Bases de datos especializadas Muchas BD genómicas que son específicas a una taxonomía caen en esta categoría Flybase, WormBase, AceDB, y TAIR son ejemplos de este tipo de BD Además, también hay BD especializadas que contienen datos originales derivados de análisis funcionales Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

37 Bases de datos especializadas Por ejemplo, GenBank EST y MGED (Microarray Gene Expression Database) del Instituto Europeo de Bioinformática son algunas de las BD de expresión de genes disponibles Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

38 1 Introducción Bases de datos primarias Bases de datos secundarias Bases de datos especializadas Interconexión entre bases de datos biológicas Desventajas de las bases de datos biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

39 Interconexión entre bases de datos biológicas Como mencionamos, las BD primarias son repositorios centrales y distribuidores de secuencias crudas e información estructural Sin embargo, comúnmente los usuarios necesitan obtener información tanto de BD primarias como secundarias para realizar sus tareas porque la información contenida en una sola BD no es suficiente En vez de dejar a los usuarios que visiten múltiples BD, es conveniente que las entradas en una BD sean referencias cruzadas y ligas a entradas relacionadas en otras BD Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

40 Interconexión entre bases de datos biológicas Esto crea la necesidad de ligar diferentes BD El principal obstaculo para ligar diferentes BD es la actual incompatibilidad de formatos, debido a que se utilizan estructuras heterogéneas (archivos planos, BD relacionales y orientadas a objetos) Una solución es utilizar el estándar conocido como CORBA (Common Object Request Broker Architecture) Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

41 Interconexión entre bases de datos biológicas CORBA permite a las aplicaciones con BD en diferentes ubicaciones comunicarse en una red a través de una plataforma que facilita la invocación de métodos remotos bajo un paradigma orientado a objetos Todo esto ocurre sin necesidad de que una BD conozca la estructura de otra Otra alternativa es el uso de XML (extensible Markup Language) Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

42 Desventajas de las bases de datos biológicas 1 Introducción Desventajas de las bases de datos biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

43 Desventajas de las bases de datos biológicas Desventajas de las bases de datos biológicas Uno de los problemas asociados a las BD biológicas es el exceso de confianza en la información de secuencias y anotaciones relacionadas, sin tomar en cuenta la fiabilidad de la información A menudo se ignora el hecho de que hay demasiados errores en las BD de secuencias Por ejemplo la mayoría de los errores en las secuencias de nucleótidos son causadas por errores en la secuenciación Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

44 Desventajas de las bases de datos biológicas Desventajas de las bases de datos biológicas Algunos de esos errores causan desplazamientos que hacen que toda la identificación del gen se dificulte o que la traducción de la proteína sea imposible Generalmente los errores de este tipo son más comunes en secuencias producidas antes de los años 1990 (actualmente la calidad ha mejorado) El verdadero problema es que estos errores pueden propagarse a otras BD Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

45 Desventajas de las bases de datos biológicas Desventajas de las bases de datos biológicas Otro problema con las BD primarias son los altos niveles de redundancia Las causas de estas redundancia incluyen envíos repetidos de secuencias idénticas o que se traslapan, una administración deficiente de las BD, etc. Todo esto provoca que las BD primarias sean excesivamente grandes lo que complica la recuperación de información Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

46 Recuperación de información de las BD biológicas 1 Introducción Desventajas de las bases de datos biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

47 Recuperación de información de las BD biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Como mencionamos, el objetivo principal del desarrollo de BD es proveer acceso eficiente y amigable a los datos almacenados Existen algunos sistemas especialmente diseñados para recuperar información biológica Los sistemas de recuperación de información más populares para BD biológicas son Entrez y SRS (Sequence Retrieval Systems) Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

48 Recuperación de información de las BD biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

49 Recuperación de información de las BD biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

50 Recuperación de información de las BD biológicas Recuperación de información de las BD biológicas Estos proveen acceso a múltiples BD para recuperación integrada de resultados de búsquedas Este tipo de sistemas ofrece la posibilidad de efectuar consultas complejas a través del uso de operadores Booleanos (AND, OR, NOT) Dr. Eduardo RODRÍGUEZ T. (CINVESTAV) 28 de mayo del / 50

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