Blast比对算法原理与实现方式

做生物的同学肯定听说过blast比对这个方法，一般在NCBI等网站上可以在线进行比对，也可以在本地服务器进行比对，那么blast算法究竟是怎么实现对不同序列的比对呢？

本文分享经典blast算法的基础原理，以及通过R语言和Python实现这个算法，不依赖网站自己进行序列比对。

什么是BLAST比对？

BLAST（Basic Local Alignment Search Tool）是一种常用的生物信息学算法，用于比对两个或多个序列。BLAST通过寻找两个序列之间的最大匹配来确定它们之间的相似性。

算法原理

BLAST算法的原理： 将查询序列与数据库中的序列进行比对，找到最佳匹配。

BLAST算法的逻辑：首先将查询序列进行分段，然后将这些分段与数据库中的序列进行比对。

K-mer小片段

在比对过程中，BLAST算法使用一种称为K-mer的技术，将查询序列和数据库序列分成长度为K的小片段，然后将这些小片段进行比对。

如果两个小片段具有相似的序列，BLAST算法就会将它们合并成更长的序列，以便进行更准确的比对。

特点与应用

BLAST算法的优点是速度快、准确度高，可以在大型数据库中快速查找相似序列。BLAST算法在生物信息学领域中被广泛应用，用于基因注释、蛋白质结构预测、序列比对等方面。

不同序列blast比较算法

1. 将查询序列和数据库序列分别转换为碱基对应的数字编码，例如A表示为1，C表示为2，G表示为3，T表示为4。

2. 将查询序列划分成长度为k的小片段，称为k-mer。

3. 将数据库序列划分成长度为k的小片段，称为k-mer。

4. 对于每个查询序列的k-mer，查找数据库序列中所有与之匹配的k-mer。

5. 对于每个匹配的k-mer，计算查询序列和数据库序列之间的相似度得分。

6. 对于每个查询序列的k-mer，选择相似度得分最高的匹配序列，并将其作为最佳匹配。

7. 对于每个最佳匹配，计算匹配序列的长度、相似度得分、E值等参数。

8. 根据E值和相似度得分，对匹配结果进行排序，输出最终的比对结果。

BLAST算法的具体实现可能会有所不同，上述算法仅作为一个示例，实际应用中需要根据具体情况进行调整。

此外，BLAST算法的计算复杂度较高，如果对于实际生物数据处理，需要使用高性能计算机或云计算平台进行计算。

R语言中实现blast算法

以下是一个基于R语言的BLAST比对算法示例，用于比对两个DNA序列：

# 导入Biostrings包
library(Biostrings)

# 定义查询序列和数据库序列
query_seq <- DNAString("ATCGATCGATCGATCG")
db_seq <- DNAString("CGATCGATCGATCGATC")

# 定义k-mer的长度
k <- 3

# 将查询序列和数据库序列分别转换为数字编码
query_seq_num <- as.numeric(query_seq)
db_seq_num <- as.numeric(db_seq)

# 将查询序列和数据库序列分别划分成k-mer
query_kmer <- kmer(query_seq_num, k)
db_kmer <- kmer(db_seq_num, k)

# 对于每个查询序列的k-mer，查找数据库序列中所有与之匹配的k-mer
matches <- matchPattern(query_kmer, db_kmer)

# 对于每个匹配的k-mer，计算查询序列和数据库序列之间的相似度得分
scores <- pmatch(query_kmer, db_kmer, fixed=FALSE)

# 对于每个查询序列的k-mer，选择相似度得分最高的匹配序列，并将其作为最佳匹配
best_matches <- maxMatches(matches)

# 对于每个最佳匹配，计算匹配序列的长度、相似度得分、E值等参数
match_length <- width(best_matches)
match_score <- scores[best_matches]
e_value <- length(db_kmer) * (1 - exp(-match_score))

# 根据E值和相似度得分，对匹配结果进行排序，输出最终的比对结果
result <- data.frame(query_seq, db_seq, match_length, match_score, e_value)
result <- result[order(result$e_value),]

Python实现blast算法

首先，需要安装Biopython库来实现BLAST比对算法。您可以使用以下命令在终端中安装Biopython：

pip install biopython

接下来，可以使用以下代码来实现BLAST比对算法：

from Bio.Blast import NCBIWWW
from Bio.Blast import NCBIXML

# 进行BLAST比对
result_handle = NCBIWWW.qblast("blastn", "nt", "ACGTGAGGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGC")

# 读取BLAST比对结果
blast_record = NCBIXML.read(result_handle)

# 输出比对结果
for alignment in blast_record.alignments:
    for hsp in alignment.hsps:
        print('****Alignment****')
        print('sequence:', alignment.title)
        print('length:', alignment.length)
        print('e value:', hsp.expect)
        print(hsp.query[0:75] + '...')
        print(hsp.match[0:75] + '...')
        print(hsp.sbjct[0:75] + '...')

这段代码会将序列"ACGTGAGGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGCTAGC"与NCBI的nt数据库进行比对。