三维生物相关谱网络服务的构建

论文摘要

本课题组前期提出了一种基于分子形状相似性向量的分子描述符---三维生物相关谱（Three-Dimensional Biologically Relevant Spectrum,BRS-3D）,该描述符可用于基于配体的虚拟筛选、组合药物和多靶标药物的设计等领域。但是由于分子形状比较的计算量较大,无法实现实时计算,一直未能建立BRS-3D的在线计算平台。本论文通过总体架构设计、技术路线选取、前后端开发、项目部署上线和测试等步骤,完成BRS-3D网络服务的构建,提供对已经计算完成的近200多万种化合物BRS-3D的查询和用户给定的单个化合物BRS-3D的在线计算以及基于BRS-3D的分子相似性搜索。BRS-3D网络服务包含五大功能模块:化合物BRS-3D的查询、化合物BRS-3D在线计算、基于BRS-3D的分子相似性搜索、任务调度和用户管理。a)化合物BRS-3D的查询:用户通过提交给定化合物的Canonical SMILES或直接上传该化合物mol2格式的三维结构文件,即可在已完成计算的BRS-3D数据库中进行查询,结果可以CSV或JSON格式下载。b)化合物BRS-3D在线计算:若已计算化合物BRS-3D数据库中不包含给定的化合物,用户可以提交该化合物BRS-3D的在线计算。任务完成后,结果将通过邮件返回。c)分子相似性搜索:用户首先提交给定的化合物,然后设定相似性搜索参数,即可提交分子相似性搜索任务。任务完成后,给定化合物的类似物的二维结构mol2文件和相似性打分文件,将通过邮件返回。d)任务调度:用户提交任务的相关信息会被写入数据库,系统对数据库中的任务通过任务队列异步地执行一系列子流程,最终完成既定功能。e)用户管理:在BRS-3D网络服务中,实现用户注册、邮箱验证、登录与退出功能。BRS-3D网络服务前端部分通过Axure进行原型图设计,基于响应式布局的Twitter Bootstrap框架开发,使用Ajax技术实现前后端交互。后端业务逻辑基于Node.js平台编写,各功能的实现借助于Node组件、Python脚本、MongoDB数据库和高性能计算集群。当前版本（v1.0.0）已对校内用户开放测试,结果表明,各模块功能正常,服务运行稳定,前端界面友好,易于使用。本网络服务不仅方便了BRS-3D描述符的查询和计算,为定量构效关系分析和基于人工智能的药物发现提供了新的研究角度;同时,BRS-3D数据库中包含了大量国内可购买的化合物的信息,可根据已知的活性化合物快速发现具有潜在活性的候选商品化合物,用于先导化合物的优化、“Me Too”药物设计等研究之中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略词表
• 1 前言
•   1.1 计算机辅助药物设计
•   1.2 分子在计算机中的表征
•   1.3 分子相似性搜索
•   1.4 三维生物相关谱
•   1.5 研究内容、目的与意义
• 2 材料与方法
•   2.1 开发环境
•     2.1.1 工具
•     2.1.2 系统
•   2.2 生产环境
•     2.2.1 软件部署
•     2.2.2 硬件部署
•   2.3 Web开发相关工具
•     2.3.1 Node.js平台
•     2.3.2 Express框架
•     2.3.3 MongoDB数据库
•     2.3.4 Twitter Bootstrap框架
•     2.3.5 Cookie技术
•   2.4 化学信息相关工具
•     2.4.1 Surflex-sim
•     2.4.2 Open Babel
•     2.4.3 Tripos mol2与SMILES
•     2.4.4 分子编辑器
•   2.5 网络服务设计与传统软件设计的对比
•   2.6 环境搭建
•     2.6.1 Web Server配置
•     2.6.2 高性能计算集群配置
•   2.7 BRS-3D网络服务需求调研
•     2.7.1 项目背景
•     2.7.2 需求分析
•   2.8 BRS-3D网络服务项目结构概览
•     2.8.1 文件目录概览
•     2.8.2 数据库概览
•     2.8.3 功能概览
• 3 各功能模块设计、实现与测试
•   3.1 用户管理功能
•     3.1.1 用户信息数据库的构建
•     3.1.2 用户注册
•     3.1.3 邮箱验证
•     3.1.4 用户登录
•     3.1.5 用户退出
•     3.1.6 小结
•   3.2 化合物BRS-3D结果的查询
•     3.2.1 导入已计算化合物BRS-3D
•     3.2.2 化合物BRS-3D原始值的查询
•     3.2.3 化合物BRS-3D原始值数据的构建
•     3.2.4 小结
•   3.3 化合物BRS-3D在线计算功能
•     3.3.1 前端设计与实现
•     3.3.2 后端设计与实现
•     3.3.3 任务队列管理
•     3.3.4 小结
•   3.4 分子相似性搜索功能
•     3.4.1 前端设计与实现
•     3.4.2 BRS-3D原始值的标准化
•     3.4.3 标准化BRS-3D数据库的构建
•     3.4.4 后端设计与实现
•     3.4.5 小结
•   3.5 BRS-3D网络服务的部署
•     3.5.1 Web Server部署
•     3.5.2 MongoDB部署
•     3.5.3 Node.js部署
• 4 总结与展望
•   4.1 论文工作总结
•   4.2 下一步研究计划
• 参考文献
• 附录一 图表索引
• 附录二 BRS-3D网络服务中主要模块的UI设计图
• 附录三 BRS-3D原始数据与Canonical SMILES文件相整合Python脚本
• 附录四 化合物提交BRS-3D在线计算controller逻辑
• 附录五 整合后BRS-3D数据进行Z-Score标准化Python脚本
• 附录六 BRS-3D网络服务中分子相似性搜索Python脚本
• 附录七 BRS-3D网络服务中任务队列执行逻辑
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李朝阳

导师: 孔德信

关键词: 三维生物相关谱,网络服务

来源: 华中农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,互联网技术

单位: 华中农业大学

分类号: Q811.4;TP393.09

DOI: 10.27158/d.cnki.ghznu.2019.000527

总页数: 109

文件大小: 3593K

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