Übersicht Das Menschliche Genom. BIOINF 1910 Bioinforma1k für Lebenswissenscha;ler

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1 BIOINF 1910 Bioinforma1k für Lebenswissenscha;ler Oliver Kohlbacher und Jens Krüger Sommersemester Überblick, Grundlagen Übersicht Was ist Bioinforma>k? Überblick über die Vorlesungsinhalte Organisatorisches Grundkonzepte von Computern Einführung in Unix/Linux Teil 1 Unix- Kommandos Hilfe? Weitere Informa>onsquellen Das Menschliche Genom Science (2001), 291 (5507) Nature (2001), 409 (6822) 3 1

2 Bioinforma1k Bioinforma1k Defini1on Bioinforma1k verwendet Methoden der Mathema1k, Sta1s1k und Informa1k zur Analyse und Interpreta>on von biologischen, biochemischen und biophysikalischen Daten. 5 Bioinforma1k eine eigene Disziplin Mathematik, Informatik Bioinformatik Lebenswissenschaften Physik, Chemie 6 2

3 Bioinforma1k Gebiete Sequenzbasierte Bioinforma1k Genomassemblierung Sequenzsuche/- vergleich Compara>ve Genomics Strukturbioinforma1k Proteinstrukturvorhersage Wirkstoffentwurf (Chemoinforma>k) Biologische Informa1onssyteme Datenintegra>on und biologische Datenbanksysteme Modellierung biologischer Daten Systembiologie Proteomik Metabolomik Biologische Netzwerke 7 Worum geht es in dieser Vorlesung? Theore1sche Grundlagen Überblick über die Bioinforma>k Ausgewählte Kapitel aus Sequenzanalyse und Strukturbioinforma>k Einige Grundbegriffe der Informa>k Prak1sche Anwendung Werkzeuge Benutzung Interpreta>on der Ergebnisse Rechnerbedienung, Programmierung Überblick und Grundlagen Grundlagen von Python Anwendungen zum Skrip>ng, einfache Applika>onen 8 Worum geht es hier NICHT? Benutzung von Werkzeugen als Black Boxes Fer>ge Rezepte zur Anwendung Programmierkurs Einführung in die Informa>k 9 3

4 Inhalte Einleitung und Überblick Rechner/Grundlagen der Informa>k Sequenzanalyse Strings, Sequenzen und Alignments Dynamische Programmierung, Komplexität Mul>ples Alignment Sojware- Tools, Datenbanken Phylogenien Strukturbioinforma1k Proteinstruktur- Datenbanken Sekundärstrukturvorhersage Threading und Homologiemodellierung Ab- ini>o Vorhersage 10 Anforderungen BSc Biochemie Pflichtveranstaltung, 4. Fachsemester Note: 60% der Punkte aus der Klausur und 40% der Punkte aus den Leistungen bei den Präsenzübungen. Bestehen ab 50% der Gesamtpunkte Diplom Biochemie Pflichtveranstaltung, regulär 5. Fachsemester Unbenoteter Schein, zu dessen Bestehen die erfolgreiche Teilnahme an den Übungen notwendig ist Andere BSc- Studiengänge (Anrechenbarkeit prüfen!) Wahlpflichtveranstaltung Note: wie BSc Biochemie 11 Anforderungen Anwesenheit in der Vorlesung ist notwendig Durchführung der Präsenzübungen sonst nicht sinnvoll Materialien werden dort ausgegeben Sehr starke Korrela>on zwischen Anwesenheitsrate und Bestehenswahrscheinlichkeit in der Klausur Anwesenheit in der Übung ist verpflichtend Übungen finden im Computerraum des IFIB (425C, 2. OG) stao Anwesenheitskontrolle, bioe pünktlich sein (s.t.!) Nur eine Person pro Rechner möglich 12 4

5 13 Präsenzübungen - Konzept Idee: prak>sche Ergänzung zu den theore>schen Grundlagen Zunächst zweistündig um elementare Grundlagen mit ausreichend Zeit zu erlernen Später einstündig, damit eine größere Anzahl von Methoden behandelt werden, die dann aber nicht mehr im Detail und nicht mehr alle prak>sch behandelt werden können Präsenzübungen, damit jeder am Rechner arbeiten kann und im Zweifelsfall Hilfe erhalten kann Aufgabe der Betreuer ist es NICHT, Ihnen zu sagen, wie die Aufgaben gelöst werden, sondern Ihnen allenfalls Tipps bei offensichtlichen Problemen geben Der Weg ist das Ziel! Umfang Bioe nicht über den Umfang beschweren! Umfang ist so bemessen, dass durchschnioliche Studenten während der Bearbeitungszeit NICHT ALLE Aufgaben bearbeiten können Dadurch werden auch erfahrenere Studenten nicht gelangweilt Präsenzübungen Termine (alle Übungstermine beginnen s.t.!) Gruppe A: Di, 12:00-14:00 / Di, 12:00-13:00 Gruppe B: Di, 14:00-16:00 / Di, 13:00-14:00 Gruppe C: Fr, 13:00-15:00 / Di, 14:00-15:00 Gruppe D: Fr, 15:00-17:00 / Di, 15:00-16:00 (einstündig ab dem , davor zweistündig) Einteilung in Übungsgruppen wird bekannt gegeben Wir geben jeweils Übungsbläoer aus, die Übungen werden während der Übungszeit abgearbeitet Keine schrijliche Abgabe notwendig Bewahren Sie die Übungsbläder zum Nachschlagen auf und bringen Sie sie zu den Übungen mit! 14 Klausur Zweistündige Klausur Ergibt 60% der Punkte Bestehen des Moduls ohne Teilnahme an der Klausur nicht möglich (mind. 50% der Gesamtpunkte aus Übung und Klausur notwendig) Nachklausur/mdl. Nachprüfung am Ende der vorlesungsfreien Zeit Termine: Klausur: Fr, , 8:00-10:00 Nachklausur: wird noch bekanntgegeben 15 5

6 Betriebssystem, Shell und GUI Jedes Programm (Applika>on, Befehl ) braucht eine Schniostelle zum Rechner Betriebssystem ist ein Programm, das die Schniostelle zur Hardware darstellt Betriebssystem stellt Applika1onen (Programmen, Befehlen ) Grundfunk>onalität zur Verfügung Verwaltung von Dateien Zugriff auf Benutzerdaten 16 Shell Die Shell ist eine (direkte) Schniostelle zum Betriebssystem Interak>ves Ausführen von anderen Applika>onen Bietet eigene Funk>onalität buil%ns: echo, alias, Command Line Interface (CLI) verbreitete Varianten: tcsh, bash Graphical User Interface (GUI) 17 Graphische Benutzeroberfläche (GUI) GUI ist ein Oberbegriff für alle graphischen Benutzeroberflächen In diesem Zusammenhang: GUI als graphische Shell GUI ist ebenfalls ein Programm, das oberhalb der Betriebssystemebene arbeitet Verbreitet: Windows, Aqua, KDE, Gnome 18 6

7 Von Hackern und Mausschubsern Mausschubser 19 mouse pusher A person that prefers a mouse over a keyboard; originally used for Macintosh fans. The derogatory implication is that the person has nothing but the most superficial knowledge of the software he/she is employing, and is incapable of using or appreciating the full glory of the command line UNIX Unix: Some say the learning curve is steep, but you only have to climb it once. Karl Lehenbauer Unix gives you just enough rope to hang yourself and then a couple of more feet, just to be sure. Eric Allman 20 Unix- Kommandos Kommandos werden in einer Shell ausgeführt (in der Eingabeaufforderung) Kommando ist ein Programm! Programme brauchen manchmal zusätzliche Informa>onen, um zu wissen, was sie machen sollen Diese Informa>onen werden dem Kommando als Parameter mitgegeben (Op>onen) Op>onen werden an der Kommandozeile durch Leerzeichen getrennt Beispiel: Zum Kopieren von Dateien muss das Programm cp wissen, welche Datei kopiert werden soll und wohin cp seq.fasta seq2.fasta legt eine Kopie von seq.fasta unter dem Namen seq2.fasta an 21 7

8 Kommandos und Op1onen Welche Parameter ein Programm beim Aufruf akzep>ert oder benö>gt, hängt ganz vom Programm ab Der Programmierer legt diese Parameter selbst fest, sie sind in der Regel in der Dokumenta>on des Programms beschrieben Auch für die Standard- Unix- Kommandos gibt es diese Dokumenta>on, die in Form der Manpages am Rechner jederzeit abruxar ist (mehr dazu später) Das Kommando cp z.b. benö>gt mindestens zwei Parameter: die Dateinamen für Quelle und Ziel des Kopierens 22 Typographie Der Übersichtlichkeit halber ist alles, was Sie in den Rechner ein>ppen können, insbesondere Namen von Programmen und Parameter in Courier gesetzt Beachten Sie, dass die meisten Betriebssysteme (außer Windows, Dateisysteme in OSX) Groß- und Kleinschreibung unterscheiden! Beachten Sie auch die Leerzeichen! Parameter für Unix- Kommandos die vom Benutzer festzulegen sind, werden dabei in spitzen Klammern gesetzt: cp <Quelldatei> <Zieldatei> Wenn Sie dieses Kommando einsetzen wollen, müssen Sie für Quelldatei und Zieldatei natürlich sinnvolle Werte angeben (ohne spitze Klammern!) cp seq.fasta seq2.fasta 23 Prompt/Eingabeaufforderung Der Prompt (Eingabeaufforderung) ist die Ausgabe, mit der die Shell dem Benutzer ihre Bereitschaj signalisiert Diese Ausgabe ist frei konfigurierbar Oj wir der Rechnername, der Benutzername und das aktuelle Verzeichnis ausgegeben Am blinkenden Cursor hinter dem Prompt können nun beliebige Kommandos eingegeben werden Während ein Befehl ausgeführt wird, akzep>ert die Shell keine weiteren Befehle 24 8

9 Eine Shell auf cbioinf20 Cursor Prompt: Arbeitsverzeichnis]$ 25 Unix- Kommandos: ls Wich>gster Befehl überhaupt: ls (LiSt) ls zeigt den Inhalt des aktuellen Verzeichnisses an ls akzep>ert eine Reihe von Kommandozeilenparametern (Op>onen), die die Ausgabe bes>mmen ls l zeigt Details der Dateien (z.b. Größe in Byte) an ls zeigt aber nicht alles: Dateien können versteckt werden, indem ihr Name mit. beginnt. Diese Dateien werden nicht angezeigt. Anzeigen von allen (also auch versteckten Dateien) geht durch Angabe der Op>on -a für ls ls a zeigt Ihnen den gesamten Inhalt des aktuellen Verzeichnisses an ls akzep>ert auch einen oder mehrere Datei- oder Verzeichnisnamen und zeigt dann nur deren Namen/Details an 26 Eine Shell auf cbioinf20 Cursor Kommando Prompt 27 9

10 Eine Shell auf cbioinf20 Kommando (ls) Kommandozeilenparameter (-l) Prompt Cursor 28 Unix- Kommandos: cat Jede Datei auf einem Unix- System kann man sich von der Shell aus ausgeben lassen Dazu dient das Kommando cat cat <Dateiname1> [<Dateiname2> ] Das Kommando cat erfordert mindestens einen Parameter (einen Dateinamen), man kann aber auch mehrere Dateinamen angeben (beliebig viele), die dann nacheinander ausgegeben werden Der erste Dateiname ist ein notwendiger Parameter, die weiteren Dateinamen sind op1onal und werden in der Dokumenta>on üblicherweise in eckigen Klammern angegeben Beim Aufruf sind diese eckigen Klammern natürlich nicht mit einzugeben Beispiele: cat seq.fasta cat seq.fasta seq2.fasta 29 Unix- Kommandos: cat Ausgabe der Datei ist natürlich nur für Dateien sinnvoll, die lesbaren Text enthalten Ausgabe einer Bilddatei, einer Musikdatei oder des Maschinencodes eines Programms ist nicht sinnvoll und führt in der Regel nur zu wirrem Zeichensalat 30 10

11 Unix- Kommandos: mv Umbenennen und Verschieben von Dateien ist mit dem Kommando mv (MoVe) möglich Verwendung ist analog zur Verwendung von cp: mv <Quelle> [<Quelle2> [ ]] <Ziel> wobei Quelle der alte Dateiname/- ort und Ziel der neue Dateiname/- ort ist Ist Ziel ein (exis>erendes) Verzeichnis, so wird die Datei unter Beibehaltung des Namens in dieses Verzeichnis verschoben Mit mv kann man auch mehrere Dateien gleichzei>g in ein Verzeichnis verschieben. Eine Umbenennung ist natürlich nur für eine Datei gleichzei>g möglich. Beispiel: mv seq.fasta hev.fasta benennt die Datei seq.fasta nach hev.fasta um mv hev.fasta seq2.fasta Sequenzen verschiebt hev.fasta und seq2.fasta aus dem aktuellen Verzeichnis in das Unterverzeichnis Sequenzen Umleitung Die Ausgabe eines Kommandos kann mit Hilfe von > in eine Datei umgeleitet werden, z.b. um sie später genauer betrachten zu können Das Kommando ls l > ls.txt lenkt so die Ausgabe in die Datei ls.txt um Exis>ert ls.txt, so wird der Inhalt überschrieben Exis>ert die Datei nicht, wird sie neu angelegt Die Ausgabe erscheint nicht auf dem Bildschirm Das Umleitungszeichen >> funk>oniert analog zu >, nur dass die Ausgabe an die Datei angehängt wird, stao sie zu überschreiben Mit Hilfe der Umlenkung kann man auch die Inhalte mehrerer Dateien aneinander hängen: cat a.txt b.txt > c.txt fügt die Inhalte von a.txt und b.txt zu c.txt zusammen Umleitung 33 11

12 Wildcards Oj möchte man eine Ak>on auf viele unterschiedliche Dateien ausdehnen, ohne sie explizit angeben zu müssen Die Shell bietet dazu so genannte Wildcards an Wildcards sind Muster, die die Shell durch alle zum Muster passenden Dateinamen ersetzt * steht dafür für einen beliebigen Substring? steht für ein beliebiges Zeichen Beispiel: cat *.fasta gibt alle Dateien im aktuellen Verzeichnis aus, die auf.fasta enden cat seq?.fasta gibt alle Dateien im aktuellen Verzeichnis aus, deren Namen an Stelle des Fragezeichens ein beliebiges Zeichen enthält, also etwa seq1.fasta, seqa.fasta, seq9.fasta nicht jedoch seq.fasta oder seq11.fasta 34 RTFM: Read The F***ing Manual! Hilfe- Funk>on der verschiedenen Unix- Derivate heißt man man ist die Abkürzung für Manual Für die meisten gängigen Unix- Befehle befindet sich eine Anleitung in diesem elektronischen Manual Leider nicht für alle anderen Applika>onen der Fall (Faulheit der Programmierer, Installa>onsprobleme, ) Man- Page wird in sogenanntem Pager angezeigt Bläoern mit der Leertaste, verlassen mit q ( quit ) 35 Aufrufen einer Man- Page 36 12

13 Aufrufen einer Man- Page 37 Aufrufen einer Man- Page 38 Literatur Merkl, Waack: Bioinforma>k Interak>v, Wiley, 2002 Übersichtliche, nicht sehr >ef gehende Einführung. (69 ) 39 13

14 Literatur Setubal, Meidanis: Introduc>on to Computa>onal Molecular Biology, PWS Pub. Co., 1997 Sehr gute, leider nicht mehr ganz aktuelle Einführung. (57 ) 40 Literatur Zvelebil, Baum: Understanding Bioinforma>cs Taylor & Francis Ltd., 2006 Leicht verständliche Übersicht über wesentliche Gebiete der Bioinforma>k. (45 ) 41 Literatur Mount: Bioinforma>cs Sequence and Genome Analysis,Cold Spring Harbor Lab Press, 2001 Sehr umfassendes Lehrbuch über Sequenzbioinforma>k. (75 ) 42 14

15 Literatur Andrew Leach: Molecular Modeling. Principles and Applica>ons, Pren>ce Hall, 2nd ed., 2001 Sehr guter Überblick über Grundlagen im Bereich Molecular Modeling und einige Bereiche der Strukturbioinforma>k. (74 ) 43 Empfohlene So;ware Python und BioPython Python: sehr leicht erlernbare, objekt- orien>erte Skriptsprache BioPython: Erweiterung von Python für Bioinforma>k- Anwendungen Verfügbarkeit Für alle Betriebssysteme Download von Auf den Pool- Rechnern bereits vorinstalliert 44 Zusätzliche Resourcen Python Tutorial auf unserer Website Kohlbacherlab.org/Teaching/tutorials/introduc>on- to- python Tutorials auf sojware- carpentry.org Tutorial Python for Biologists am Ins>tut Pasteur: Tutorial und Doku auf Tutorial und Doku auf

16 Zusätzliche Resourcen Lehrbücher sind auch im Semesterapparat der Bibliothek zu finden (Sand 14, 1. OG) Auf unserer Website finden Sie außerdem Vorlesungsbezogene Papers zum Download Vorlesungsfolien (in der Regel einen Tag vor der Vorlesung) Übungsbläoer Links zu relevanten Websites URL Kohlbacherlab.org/Teaching/SS13/bilw 46 Kontakt Website Kohlbacherlab.org/Teaching/SS13/bilw Bei Fragen zu Vorlesung/Übungen 47 Literatur Bücher: Gibas, Jambeck: Einführung in die prak>sche Bioinforma>k, O Reilly,