Computational Biology · 交互式可视化

计算生物学可视化实验室

从 DNA 序列到群体遗传学,8 个核心算法模块的交互式可视化。拖动滑块、点击按钮,直观理解计算生物学背后的动态规划、图论与概率模型。

模块 8风格 Linear Dark依赖 零渲染 SVG / Canvas
01DNA 序列分析

计算 GC 含量、识别开放阅读框 (ORF)。GC 含量反映基因组特征,ORF 是基因预测的起点:以起始密码子 ATG 开始,以终止密码子 (TAA/TAG/TGA) 结束。

长度 60
GC 含量0%
开放阅读框 (ORF)
ATGC
02序列比对 · Needleman-Wunsch

全局比对动态规划矩阵:从左上角填充得分矩阵,再从右下角回溯最优路径。绿色高亮为回溯路径,对应最优比对。

s1 s2
最优比对结果
评分:+1 匹配 / -1 错配 / -2 间隔。单元格数值 = max(对角+匹配/错配, 上+间隔, 左+间隔)。
03系统发生树 · UPGMA

UPGMA (非加权组平均法) 自底向上聚类:每步合并距离最小的两个类,构建有根树。下方为距离矩阵,点击按钮逐步执行合并。

步数0
距离矩阵
系统发生树
UPGMA 假设分子钟恒定,所有叶节点到根距离相同。分支长度 ∝ 进化距离。
04蛋白质结构层级

从一级序列到四级组装。AlphaFold 通过多序列比对 (MSA) 与 Evoformer 推理出三维坐标,端到端预测结构。

一级
二级
三级
四级
AlphaFold
05基因组组装 · De Bruijn 图

将测序 reads 拆分为 k-mer,构建 De Bruijn 图:节点为 (k-1)-mer,边为 k-mer。寻找欧拉路径即可重构 contig。

k-mer 大小 4
原始基因组 & reads
De Bruijn 图
重构 contig
06RNA 二级结构折叠

Nussinov 动态规划求最小自由能 (MFE) 折叠:最大化碱基配对数。A-U、G-C、G-U 可配对,弧线表示配对,形成茎环结构。

MFE 配对数0
点括号表示
07Hidden Markov Model · CpG 岛检测

两状态 HMM:CpG 岛 (高 CG) 与背景 (低 CG)。Viterbi 算法根据观测序列推断最可能的状态路径,定位 CpG 岛区域。

序列长度 50
状态转移图
绿色区段 = 预测的 CpG 岛。CpG 岛常位于基因启动子区,是表观遗传调控的重要标记。
08群体遗传学 · Hardy-Weinberg 平衡

H-W 平衡:p² + 2pq + q² = 1。调节等位基因频率 p,观察基因型分布。下方模拟遗传漂变——小种群中频率随机波动直至固定。

等位基因频率 p (A) 0.50 q (a)0.50
AA (p²): 25%
Aa (2pq): 50%
aa (q²): 25%
种群大小 N 80