关于微生物在线生物信息分析系统的开发及运用

吴耀群

摘   要：应用浏览器或者服务器创建微生物在线分析系统，可以用于传染病的预防与控制，系统开发中将分析软件、远程桌面以及分布式运算等运行方案结合，使系统无需本地安装，能够通过浏览器直接使用。文章分析了微生物在线分析系统开发时需要的软件资料和应用技术，结合实际情况探究系统实践与应用的有效结果。

关键词：微生物;在线生物信息;分析系统

将已有的数据深入发掘，并转化成生物信息，利用生物信息对传染病加以诊断和控制，这是在线生物信息分析系统创建的目的，也是传染病预防与控制工作展开的基础。虽然已有多种分析软件，但是这些软件需要在各自的操作系统中使用互不相容，有的软件依赖集群使用，功能无法简化。因此，本文以特别研发一种兼容性、实用性较高的生物信息分析系统。

1    微生物在线生物信息分析系统开发的材料和方法

1.1  软件资料来源

随着现代化网络信息技术的深入发展，关于微生物信息系统的研发问题已得到初步解决。通过构建信息分析系统，以浏览器或服务器作为系统架构模式，改变过去客户端与服务器的运行方式。该信息分析系统以服务器为核心，无论是程序处理还是数据分析，都能在服务器终端完成，数据可以直接展示给用户。应用时，无需安装专业软件，只需从网络中将计算机与服务器相连即可，应用浏览器就能实现微生物数据的分析和处理。

针对本研究的微生物信息分析系统（以下简称微系统），以现有的信息工具和微生物数据库为主要基础集成开发系统，为研究人员提供微生物分析服务，以解决实际问题为目的，提高传染病预防控制的工作效率。本研究系统应用到的软件是互联网中免费公布的，可以在Windows系统或者Linux系统中应用。因此，该微系统的开发和应用不会涉及侵权的问题[1]。

1.2  软件与分类

本次研发的微系统提供了15种常用的生物信息软件，以浏览器为介质进行访问和应用。按照功能划分，主要可以分成以下几种。

（1）引物设计：Linux系统的Primer3。

（2）序列比对与进化树构建：Windows系统的MEGA5;Linux系统的BLAST、MAUVE等;Windows与Linux兼用的MEGAN。

（3）数据统计：Windows系统的Cluster，R，Cytoscape。

（4）图形展示：Linux系统的BRIG、Aigo Gnome Browser。

1.3  在线微生物信息分析系统的结构设计

从业务逻辑角度可以将该微系统分成Web展示子系统、生物信息计算引擎子系统。这两个子系统都是独立的，互不干扰。

（1）生物部署角度：Web展示子系统主要由Web与NX服务器构成，生物计算引擎系统由生物信息软件服务器和Ftp服务器构成。前者系统能够提供NX技术远程支持，但是耗费的硬件资源较多，应用时需要将其配置到级别更高的设备中。相比之下，后者系统各有一个Windows与Linux系统，可以在配置较低的物理设备中。

（2）功能方面：Web展示系统可以为用户提供友好界面，实现对在线微生物数据的分析，可以下载常用微生物数据;生物计算引擎系统需要通过虚拟远程桌面实现对数据计算要求的响应[2]。

1.4  在线生物信息系统应用的技术

根据应用的分层架构设计风格，将信息分析系统划分为以下4层。

（1）表达层：应用Java构建框架（JavaServer Faces ，JSF）技术，实现对浏览器的接收请求，为信息分析系统提供登录、访问控制、数据展示与模块分发的功能。

（2）业务层：使用NX和Spring技术，实现了J2EE开发标准，使业务层成为信息分析系统的核心部位，负责对表现层的数据计算与分析请求进行接收，实现业务逻辑的分析，并对业务层进行模块化设计。在网络技术与信息技术支持下，用户应用信息分析系统时不需要本地安装，可以直接从互联网中访问。

（3）集成层：应用Hibernate技术，向业务层提供资源访问的接口，帮助业务层屏蔽数据存储访问技术。

（4）资源层：应用美国的国际商业机器公司开发的一套关系型数据库管理系统（IBM DB2）技术，成为信息分析系统的数据关联库。

1.5  在線生物信息系统代码架构和场景设计

使用者从页面提出申请，监听器Check Action对用户的申请进行验证，根据用使用情况确定用户是否登录。将Nx Action作为事件监听器，对本次事件的参数加以分析，根据信息分析系统的调用结构确定页面的实际迁移情况。Nx Action监听层主要负责信息分析系统的业务逻辑控制和生物数据实物控制，并对业务进行执行与编辑工作。根据多个业务逻辑的实情和通用公告逻辑，将存储逻辑传递给DAO层分析与处理，封装器再将微生物数据信息存储。

2    微生物在线生物信息分析系统开发与应用的结果分析

2.1  软件收集与封装

当前信息分析系统收集整理了引物设计、序列比对、数据统计与图形展示4类15个微生物在线分析软件，并将其部署在服务器中，对软件完成封装。封装后的操作十分复杂，只能在本机运行的软件被转化成无需本地安装、可通过浏览器直接操作的软件工具。除了BLAET，其他14款分析软件都需以图形界面交互方式为基础应用，MEGA4，Tree View等5款微生物在线分析软件需要在Windows中使用，其他9款软件需要在Linux系统中应用[3]。

2.2  在线生物信息系统功能分析

2.2.1  数据库下载与用户数据管理

微系統将欧洲分子生物学实验室（European Molecular Biology Laboratory，EMBL）与Gen Bank等生物网站数据库高效整合，包含已经测序的基因数据库、蛋白质序列与基因信息数据库。各个数据库中的微生物数据信息被高效整合，在信息分析系统中可以下载使用，实现了资源利用的最大化。为用户提供信息数据的上传和下载服务，使用者登录信息分析系统后，从文件管理页面中对需要分析的目标文件上传，按照自己需要的格式，从文件管理中下载结果文件。为了保证使用者上传或下载时所有数据的安全和稳定，信息分析系统提供了不同的数据隔离。

此外，还有操作日志功能，用户登录系统后，任何操作都会被记录在日志中，方便管理人员随时查看，并对其行为展开管理。

2.2.2  系统在线数据分析

为了更好地预防与控制传染病，在生物学技术的发展进程下，生物实验数据已经呈现出海量化发展趋势。本次研发的信息分析系统为使用者提供了多种数据统计与分析软件，帮助使用者避开软件繁琐的安装过程，使用步骤被简化，提高了微生物数据快速分析与处理的可能性。如某一个程序可以用来统计和分析语言操作环境，该程序自身拥有多种微生物数据分析功能，涵盖了大量统计学的知识。信息分析系统将该程序整合，并将程序转化为网络版本，提高了微生物数据计算的效率，增强了针对网络平台中海量数据的处理能力，如基因组测序和芯片杂交的研究结果可以在信息分析系统中更快得出。

2.2.3  在线序列比对

不同物种基因组测序快速发展，大量DNA信息出现使人们需要应用最快捷的信息分析工具，对这些DNA数据有效分析，提取有利信息。本信息分析系统为研究提供了多种序列比分析工具，能够将DNA和蛋白质序列进行相似性比较，将序列之间的差异位点提取出来，并构建信息分析系统发育树，进一步推断不同物种之间的进化差距。

2.2.4  数据图形化展示

微系统将BRIG和Argo Gennme Browser工具整合，为用户提供了全基因组图形化展示，将ATGG字母转化成线性与环状图形。不仅如此，数据图形化展示中，不同颜色的箭头或波浪线将染色体不同位置或方向上的基因标注出来，方便使用者进一步研究基因和鸟嘌呤（Guanine）和胞嘧啶（Cytosine）所占的比率，即GC含量的实际变化情况。

伴随各类测序手段在病原微生物研究和传染病防控领域的应用，现代化网络信息技术下的微生物信息手段可以在传染病诊断中发挥重要作用。国内该领域虽然发展时间较早，但仍未研发出大型公共生物信息数据库，缺乏专业的微系统。因此，本文针对这一背景状况展开了信息分析系统的研发与应用，将常用的信息工具集成，实现了系统的高效应用。该信息分析系统的架构体系可以让使用者通过浏览器完成微生物数据扥分析和处理，系统升级快速，方便后期维护，客户端操作难度低，可以作为其他程序的拓展应用。

3    结语

国内微系统的研发和应用还处于起步阶段，能够提供帮助的信息工具有15个。文章通过对该信息分析系统的深入研发，建立了软件接口与构建流程，为今后信息分析系统的研发和分析工具的使用奠定基础，并将其更好地应用在传染病预防控制领域中。

[参考文献]

[1]闫津津，陈卫东，杨虹，等.微生物标本类型的实验室信息系统设置研究[J].国际检验医学杂志，2017（5）：617-619.

[2]罗燕萍，叶丽艳，杨继勇.临床微生物信息管理数字化平台的建设[J].临床检验杂志，2015（11）：809-811.

[3]于伟文，杜鹏程，吴一雷，等.微生物在线生物信息分析系统的开发及应用[J].疾病监测，2016（4）：316-319.

Development and application of microbial on-line biological information analysis system

Wu Yaoqun

（Shaoyang University， Shaoyang 422000， China）

Abstract：An on-line microbial analysis system can be created by a browser or server， which can be used for the prevention and control of infectious diseases. In the development of the system， analysis software， remote desktop and distributed computing are combined， so that the system does not need to be installed locally， can be used directly through the browser. This paper analyzes the software data and application technology needed in the development of microbial on-line analysis system， and probes into the effective results of the practice and application of the system according to the actual situation.

Key words：microorganism; on-line biological information; analytical system