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BioJava

BioJava es un proyecto de software de código abierto dedicado a proporcionar herramientas Java para el procesamiento de datos biológicos . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] BioJava es un conjun...

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BioJava es un proyecto de software de código abierto dedicado a proporcionar herramientas Java para el procesamiento de datos biológicos . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] BioJava es un conjunto de funciones de biblioteca escritas en el lenguaje de programación Java para manipular secuencias, estructuras de proteínas, analizadores de archivos, interoperabilidad con la Arquitectura de Agente de Solicitud de Objetos Comunes (CORBA), Sistema de Anotación Distribuida (DAS), acceso a AceDB , programación dinámica y rutinas estadísticas simples. BioJava admite una gama de datos, desde secuencias de ADN y proteínas hasta el nivel de estructuras de proteínas 3D. Las bibliotecas de BioJava son útiles para automatizar muchas tareas bioinformáticas diarias y rutinarias , como analizar un archivo del Banco de Datos de Proteínas (PDB), interactuar con Jmol y muchas más. [ 4 ] Esta interfaz de programación de aplicaciones (API) proporciona varios analizadores de archivos, modelos de datos y algoritmos para facilitar el trabajo con los formatos de datos estándar y permite el desarrollo y análisis rápidos de aplicaciones .

Otros proyectos de BioJava incluyen rcsb-sequenceviewer, biojava-http, biojava-spark y rcsb-viewers.

Características

BioJava proporciona módulos de software para muchas de las tareas típicas de la programación bioinformática. Estas incluyen:

Historia y publicaciones

El proyecto BioJava surgió del trabajo de Thomas Down y Matthew Pocock para crear una API que simplificara el desarrollo de herramientas bioinformáticas basadas en Java. BioJava es un proyecto de código abierto activo que se ha desarrollado durante más de 12 años y por más de 60 desarrolladores. BioJava es uno de los varios proyectos Bio* diseñados para reducir la duplicación de código. [ 5 ] Ejemplos de dichos proyectos que se incluyen en Bio* además de BioJava son BioPython , [ 6 ] BioPerl , [ 7 ] BioRuby , [ 8 ] EMBOSS [ 9 ] etc.

En octubre de 2012 se publicó el primer artículo sobre BioJava. [ 10 ] Este artículo detallaba los módulos, las funcionalidades y el propósito de BioJava.

A noviembre de 2018, Google Scholar contabiliza más de 130 citas. [ 11 ]

El artículo más reciente sobre BioJava se publicó en febrero de 2017. [ 12 ] Este artículo detallaba una nueva herramienta llamada BioJava-ModFinder. Esta herramienta se puede utilizar para la identificación y posterior mapeo de modificaciones de proteínas a 3D en el Protein Data Bank ( PBD ). El paquete también se integró con la aplicación web RCSB PDB y añadió anotaciones de modificaciones de proteínas al diagrama de secuencia y a la visualización de la estructura. Se identificaron más de 30 000 estructuras con modificaciones de proteínas mediante BioJava-ModFinder, las cuales se pueden encontrar en el sitio web de RCSB PDB.

En el año 2008, se publicó la primera nota de aplicación de BioJava. [ 2 ] Se migró de su repositorio CVS original a GitHub en abril de 2013. [ 13 ] El proyecto se ha trasladado a un repositorio separado, BioJava-legacy, y aún se mantiene para cambios menores y correcciones de errores. [ 14 ]

La versión 3 se lanzó en diciembre de 2010. Representó una actualización importante respecto a las versiones anteriores. El objetivo de este lanzamiento era reescribir BioJava para que pudiera modularizarse en componentes pequeños y reutilizables. Esto facilitó la contribución de los desarrolladores y redujo las dependencias. El nuevo enfoque de BioJava 3 se inspiró en Apache Commons .

La versión 4 se lanzó en enero de 2015. Esta versión incorporó numerosas novedades y mejoras a los paquetes biojava-core, biojava-structure, biojava-structure-gui, biojava-phylo, entre otros. BioJava 4.2.0 fue la primera versión disponible mediante Maven desde Maven Central.

La versión 5 se lanzó en marzo de 2018. Esto representa un hito importante para el proyecto. BioJava 5.0.0 es la primera versión basada en Java 8, que introduce el uso de funciones lambda y llamadas a la API de transmisión. También hubo cambios importantes en el módulo biojava-structure. Además, los modelos de datos anteriores para estructuras macromoleculares se adaptaron para representar con mayor precisión el modelo de datos mmCIF . Esta fue la primera versión en más de dos años. Algunas de las otras mejoras incluyen optimizaciones en el módulo biojava-structure para mejorar la detección de simetría y la adición de soporte para formatos MMTF. Otras mejoras generales incluyen actualizaciones de Javadoc, versiones de dependencias y todas las pruebas ahora son JUnit4. La versión contiene 1170 commits de 19 colaboradores.

Módulos

Durante 2014-2015, se reescribieron gran parte del código original. BioJava 3 representa un claro cambio con respecto a la versión 1. Ahora consta de varios módulos independientes creados con la herramienta de automatización Apache Maven . [ 15 ] Estos módulos ofrecen herramientas de vanguardia para la comparación de estructuras proteicas, alineamientos de secuencias múltiples y por pares, el trabajo con secuencias de ADN y proteínas, el análisis de propiedades de aminoácidos, la detección de modificaciones proteicas, la predicción de regiones desordenadas en proteínas y analizadores para formatos de archivo comunes mediante un modelo de datos biológicamente significativo. El código original se trasladó a un proyecto BioJava heredado independiente, que aún está disponible para garantizar la compatibilidad con versiones anteriores . [ 16 ]

BioJava 5 introdujo nuevas características en dos módulos: biojava-alignment y biojava-structure.

Las siguientes secciones describirán varios de los nuevos módulos y destacarán algunas de las nuevas características incluidas en la última versión de BioJava.

Módulo principal

Este módulo proporciona clases Java para modelar secuencias de aminoácidos o nucleótidos . Las clases se diseñaron de manera que los nombres resulten familiares y comprensibles para los biólogos, y también para que los informáticos y programadores puedan representar de forma concreta los pasos necesarios para convertir una secuencia genética en una secuencia proteica.

Un cambio fundamental entre el proyecto BioJava original y BioJava3 reside en el diseño del framework para aprovechar las innovaciones de Java. Una secuencia se define como una interfaz genérica que permite a los demás módulos crear cualquier utilidad que opere sobre todas las secuencias. Se han definido clases específicas para secuencias comunes, como ADN y proteínas, con el fin de mejorar la usabilidad para los biólogos. El motor de traducción aprovecha al máximo este trabajo, permitiendo conversiones entre secuencias de ADN, ARN y aminoácidos. Este motor puede gestionar detalles como la selección de la tabla de codones, la conversión de codones de inicio a metionina, el recorte de codones de parada, la especificación del marco de lectura y el manejo de secuencias ambiguas.

Se ha prestado especial atención al diseño del almacenamiento de secuencias para minimizar el espacio necesario. Patrones de diseño específicos, como el patrón Proxy, permitieron a los desarrolladores crear un marco que permite almacenar secuencias en memoria, recuperarlas bajo demanda desde un servicio web como UniProt o leerlas desde un archivo FASTA según sea necesario. Estos dos últimos métodos ahorran memoria al no cargar los datos de la secuencia hasta que se utilizan en la aplicación. Este concepto puede extenderse para gestionar conjuntos de datos genómicos muy grandes, como NCBI GenBank o una base de datos propietaria.

Módulos de estructura de proteínas

Esta ventana muestra dos proteínas con identificadores "4hhb.A" y "4hhb.B" alineadas entre sí. El código se muestra en el lado izquierdo. Esto se genera utilizando las bibliotecas BioJava, que a su vez utilizan el visor Jmol. [ 4 ] Aquí se utiliza el algoritmo rígido FATCAT [ 17 ] para realizar la alineación.

Los módulos de estructura de proteínas proporcionan herramientas para representar y manipular estructuras biomoleculares tridimensionales. Se centran en la comparación de estructuras proteicas.

Los siguientes algoritmos se han implementado e incluido en BioJava.

  • Algoritmo FATCAT para la alineación de cuerpos flexibles y rígidos. [ 17 ]
  • El algoritmo estándar de Extensión Combinatoria (EC). [ 18 ]
  • Una nueva versión de CE que puede detectar permutaciones circulares en proteínas. [ 19 ]

Estos algoritmos se utilizan para proporcionar la herramienta de comparación de proteínas del Banco de Datos de Proteínas (PDB) RCSB [ 20 ] , así como comparaciones sistemáticas de todas las proteínas del PDB semanalmente. [ 21 ]

Los analizadores para los formatos de archivo PDB [ 22 ] y mmCIF [ 23 ] permiten cargar datos de estructura en un modelo de datos reutilizable. Esta función es utilizada por el proyecto SIFTS para establecer correspondencias entre secuencias UniProt y estructuras PDB. [ 24 ] La información de la base de datos RCSB PDB se puede obtener dinámicamente sin necesidad de descargar los datos manualmente. Para la visualización, se proporciona una interfaz para el visor 3D Jmol. [ 4 ]

Módulos de genoma y secuenciación

Este módulo se centra en la creación de objetos de secuencias genéticas a partir del módulo principal. Esto se logra mediante la compatibilidad con el análisis de los siguientes formatos de archivo estándar populares generados por aplicaciones de predicción genética de código abierto:

  • Archivos GTF generados por GeneMark [ 25 ]
  • Archivos GFF2 generados por GeneID [ 26 ]
  • Archivos GFF3 generados por Glimmer [ 27 ]

Luego, los objetos de secuencia genética se escriben en formato GFF3 y se importan a GMOD. [ 28 ] Estos formatos de archivo están bien definidos, pero lo que se escribe en el archivo es muy flexible.

Para brindar soporte de entrada/salida para varias variantes comunes del formato de archivo FASTQ de los secuenciadores de próxima generación, [ 29 ] se proporciona un módulo de secuenciación independiente. Para ver ejemplos de cómo usar este módulo, visite este enlace .

Módulo de alineación

Este módulo contiene varias clases y métodos que permiten a los usuarios realizar alineamientos de secuencias por pares y múltiples. Las secuencias se pueden alinear tanto en modo monohilo como multihilo. BioJava implementa el algoritmo de Needleman-Wunsch [ 30 ] para alineamientos globales óptimos y el algoritmo de Smith y Waterman [ 31 ] para alineamientos locales. Los resultados de ambos alineamientos, locales y globales, están disponibles en formatos estándar. Además de estos dos algoritmos, existe una implementación del algoritmo de Guan-Uberbacher [ 32 ] , que realiza alineamientos de secuencias globales de forma muy eficiente, ya que solo utiliza memoria lineal.

Para el alineamiento de secuencias múltiples , se puede utilizar cualquiera de los métodos mencionados anteriormente para realizar progresivamente un alineamiento de secuencias múltiples.

Módulo ModFinder

Ejemplo de aplicación utilizando el módulo ModFinder y el módulo de estructura de proteínas. Las modificaciones de proteínas se mapean sobre la secuencia y la estructura de la ferredoxina I (PDB ID 1GAO). [ 33 ] Se muestran dos posibles clústeres de hierro-azufre en la secuencia de proteínas (3Fe–4S (F3S): triángulos/líneas naranjas; 4Fe–4S (SF4): rombos/líneas moradas). El clúster 4Fe–4S se muestra en la ventana de estructura de Jmol encima de la visualización de la secuencia.

El módulo ModFinder proporciona nuevos métodos para identificar y clasificar modificaciones de proteínas en estructuras 3D de proteínas. Se recopilaron y organizaron más de 400 tipos diferentes de modificaciones de proteínas, como fosforilación , glicosilación , enlaces disulfuro, quelación de metales , etc., basándose en anotaciones en PSI-MOD, [ 34 ] RESID [ 35 ] y RCSB PDB. [ 36 ] El módulo también proporciona una API para detectar modificaciones de proteínas pre-, co- y postraduccionales dentro de las estructuras de proteínas. Este módulo también puede identificar la fosforilación e imprimir todas las modificaciones precargadas de una estructura.

Módulo de propiedades de los aminoácidos

Este módulo intenta proporcionar propiedades fisicoquímicas precisas de las proteínas. Las propiedades que se pueden calcular utilizando este módulo son las siguientes:

Este módulo incluye los pesos moleculares precisos de los aminoácidos marcados isotópicamente más comunes. Además, permite definir nuevas moléculas de aminoácidos con sus respectivos pesos moleculares mediante sencillos archivos de configuración XML . Esto resulta útil en aplicaciones donde la masa exacta es crucial, como en experimentos de espectrometría de masas .

Módulo de trastorno de proteínas

El objetivo de este módulo es proporcionar a los usuarios métodos para detectar trastornos en las moléculas de proteínas. BioJava incluye una implementación en Java del predictor RONN . BioJava 3.0.5 aprovecha la compatibilidad de Java con el procesamiento multihilo para mejorar el rendimiento hasta 3,2 veces [ 37 ] en una máquina moderna de cuatro núcleos, en comparación con la implementación anterior en C.

Hay dos maneras de usar este módulo:

  • Utilizando llamadas a funciones de la biblioteca
  • Usando la línea de comandos

Algunas características de este módulo incluyen:

  • Calcular la probabilidad de desorden para cada residuo en una secuencia.
  • Cálculo de la probabilidad de desorden para cada residuo en la secuencia de todas las proteínas a partir de un archivo de entrada FASTA.
  • Obtenga las regiones desordenadas de la proteína para una secuencia de proteína individual o para todas las proteínas a partir de un archivo de entrada FASTA.

Módulo de acceso a servicios web

Según las tendencias actuales en bioinformática, las herramientas web están ganando popularidad. El módulo de servicio web permite acceder a los servicios bioinformáticos mediante protocolos REST . Actualmente, se implementan dos servicios: NCBI Blast a través de la URLAPI de Blast (anteriormente conocida como QBlast) y el servicio web HMMER. [ 38 ]

Comparaciones con otras alternativas

La necesidad de software personalizado en el campo de la bioinformática ha sido abordada por varios grupos e individuos. Conocidos colectivamente como Bio* tool-kits junto con BioJava, proyectos de software de código abierto como BioPerl , BioPython y BioRuby proporcionan conjuntos de herramientas con múltiples funcionalidades que facilitan la creación de flujos de trabajo o análisis personalizados. [ 5 ]

Proyectos que utilizan BioJava

Los siguientes proyectos utilizan BioJava.

  • Creador de vías metabólicas: Paquete de software dedicado a la exploración de conexiones entre genes, proteínas, reacciones y vías metabólicas.
  • DengueInfo Archivado el 8 de diciembre de 2006 en Wayback Machine : un portal de información sobre el genoma del dengue que utiliza BioJava en el middleware y se comunica con una base de datos biosql.
  • Dazzle : Un servidor DAS basado en BioJava.
  • BioSense : Un complemento para la suite InforSense, una plataforma de software de análisis de datos de IDBS que integra BioJava.
  • Bioclipse : Un entorno de trabajo gratuito y de código abierto para quimioinformática y bioinformática, con potentes capacidades de edición y visualización de moléculas, secuencias, proteínas, espectros, etc.
  • PROMPT : Un marco y aplicación de código abierto y gratuito para la comparación y el mapeo de conjuntos de proteínas. Utiliza BioJava para manejar la mayoría de los formatos de datos de entrada.
  • Cytoscape : Una plataforma de software bioinformático de código abierto para visualizar redes de interacción molecular.
  • BioWeka : Una aplicación de código abierto para la minería de datos biológicos.
  • Geneious : Un conjunto de herramientas de biología molecular.
  • MassSieve : Una aplicación de código abierto para analizar datos de proteómica mediante espectrometría de masas.
  • STRAP : Una herramienta para el alineamiento de secuencias múltiples y el alineamiento de estructuras basado en secuencias.
  • Jstacs : Un marco de trabajo Java para el análisis estadístico y la clasificación de secuencias biológicas.
  • jLSTM : "Memoria a corto y largo plazo" para la clasificación de proteínas.
  • LaJolla : Una herramienta de código abierto para el alineamiento estructural de ARN y proteínas que utiliza una estructura de índice para el alineamiento rápido de miles de estructuras; incluye una interfaz de línea de comandos fácil de usar.
  • GenBeans : Una plataforma cliente avanzada para bioinformática, centrada principalmente en la biología molecular y el análisis de secuencias.
  • JEnsembl : Una API Java con reconocimiento de versiones para sistemas de datos Ensembl. [ 39 ]
  • MUSI : Un sistema integrado para identificar especificidad múltiple a partir de conjuntos de datos de péptidos o ácidos nucleicos muy grandes. [ 40 ]
  • Bioshell : Una biblioteca de utilidades para bioinformática estructural [ 41 ]

Véase también

Referencias

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