Post on 13-Aug-2020
Gerenciamento de Anotações de
Biosseqüências utilizando Associação entre
Ontologias e Esquemas XML
Mestrando: Marcus Vinícius Carneiro Teixeira
Orientador: Prof. Dr. Mauro Biajiz
Co-orientador: Prof. Dr. Ricardo Rodrigues Ciferri
2
Apresentação
• Introdução
• Anotação de Projetos Genoma
• Bancos de Dados de Genoma
• Ontologias e XML
• Ambientes de Anotação
• Ambiente BioFOX
– Módulo Administrador de Conhecimento
– Módulo Repositório de Dados
– Módulo Interface de Anotação
• Resultados e Conclusão
3
Introdução
• Motivação
– Projetos Genoma geram um grande
volume de dados.
– Representação e armazenamento de
dados biológicos.
– Integração semântica de dados.
– Ambiente de anotação Bio-TIM.
4
• Objetivos
– Ambiente de anotação BioFOX:
• Modelo de dados semi-estruturado;
• Ontologias.
– Padronizar conceitos estabelecidos para o
domínio;
– Agregar semântica aos esquemas de dados e
aos dados;
– Criar bancos de dados flexíveis e apropriados
para evolução de esquemas.
Introdução
5
• Propostas:
– Arquitetura para o Ambiente BioFOX;
– Modelo Conceito-Compartilhado;
– Interface para modelagem e geração de esquemas XML;
– Interface para anotação manual.
Introdução
6
Apresentação
• Introdução
• Anotação de Projetos Genoma
• Bancos de Dados de Genoma
• Ontologias e XML
• Ambientes de Anotação
• Ambiente BioFOX
– Módulo Administrador de Conhecimento
– Módulo Repositório de Dados
– Módulo Interface de Anotação
• Resultados e Conclusão
7
Anotação de Projetos Genoma
8
• Níveis de anotação genômica:
• Fontes de dados em ambientes de anotação:
– Anotação importada;
– Anotação automática;
– Anotação manual.
Anotação de Projetos Genoma
9
Apresentação
• Introdução
• Anotação de Projetos Genoma
• Bancos de Dados de Genoma
• Ontologias e XML
• Ambientes de Anotação
• Ambiente BioFOX
– Módulo Administrador de Conhecimento
– Módulo Repositório de Dados
– Módulo Interface de Anotação
• Resultados e Conclusão
10
• Características:
– Aplicações de bioinformática armazenam
seus dados em formatos não padronizados;
– Dados com estrutura irregular;
– Necessidade de flexibilidade para evolução
de esquema.
Bancos de Dados de Genoma
11
• É necessário tratar vários pontos importantes:
1. O controle semântico dos dados;
2. A definição do modelo de dados mais adequado;
3. As necessidades de processamento;
4. Os meios de acesso e o problema de
integração de bancos de dados biológicos.
Bancos de Dados de Genoma
12
Apresentação
• Introdução
• Anotação de Projetos Genoma
• Bancos de Dados de Genoma
• Ontologias e XML
• Ambientes de Anotação
• Ambiente BioFOX
– Módulo Administrador de Conhecimento
– Módulo Repositório de Dados
– Módulo Interface de Anotação
• Resultados e Conclusão
13
Ontologias
• O que são ontologias?
– Definição formal de conceitos pertinentes a um domínio,
compartilhada por um grupo (Uschold e Gruninger, 1996).
• Para a bioinformática:
– importante meio de padronização do vocabulário;
– facilita a troca de informações;
– agiliza a produção de conhecimentos.
Uschold, M. e M. Gruninger. Ontologies: Principles, Methods
and Applications. Knowledge Engineering Review, v.11, n.2. 1996.
1. Controle
semântico dos
dados.
14
2. Modelo de
dados
adequado.
Dados Semi-Estruturados
e XML• Dados semi-estruturados apresentam:
– representação estrutural heterogênea/irregular.
– estrutura evolucionária.
• Bancos de Dados XML Nativos
– usada na descrição de dados semi-estruturados.
– a estrutura de um documento XML é determinante para o
desempenho de acesso aos dados.
15
Apresentação
• Introdução
• Anotação de Projetos Genoma
• Bancos de Dados de Genoma
• Ontologias e XML
• Ambientes de Anotação
• Ambiente BioFOX
– Módulo Administrador de Conhecimento
– Módulo Repositório de Dados
– Módulo Interface de Anotação
• Resultados e Conclusão
16
Ambientes de AnotaçãoAmbientes de
anotaçãoArmazenamento de dados
Tipos de
anotação
Integração
de dados
Vocabulário
controladoOntologia
Apollo SGBD Relacional 1, 2, 3 - X -
ÁrtemisFormatos EMBL, GenBank e
GFF1, 2, 3 - - -
ASAP SGBD Relacional 1, 2, 3 X X -
BASys SGBD Relacional 1, 2 - - GO
BioNotes SGBD Relacional Estendido 1, 2, 3 X X GO
ERGO SGBD Relacional 1, 2, 3 X - ERGO
GARSA SGBD Relacional 1, 2, 3 - X GO
GenDB SGBD Relacional 1, 2, 3 - - GO
GeneQuiz SGBD Relacional 1, 2 X X -
Genotator Flat files (ACE) 2 - - -
GopalacharyuluSGBDs Relacional e Semi-
estruturado1, 2, 3 X - GO
MiGenes SGBD Relacional 1, 2, 3 X - GO
PEDANT SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
Bio-TIM SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
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Ambientes de AnotaçãoAmbientes de
anotaçãoArmazenamento de dados
Tipos de
anotação
Integração
de dados
Vocabulário
controladoOntologia
Apollo SGBD Relacional 1, 2, 3 - X -
ÁrtemisFormatos EMBL, GenBank e
GFF1, 2, 3 - - -
ASAP SGBD Relacional 1, 2, 3 X X -
BASys SGBD Relacional 1, 2 - - GO
BioNotes SGBD Relacional Estendido 1, 2, 3 X X GO
ERGO SGBD Relacional 1, 2, 3 X - ERGO
GARSA SGBD Relacional 1, 2, 3 - X GO
GenDB SGBD Relacional 1, 2, 3 - - GO
GeneQuiz SGBD Relacional 1, 2 X X -
Genotator Flat files (ACE) 2 - - -
GopalacharyuluSGBDs Relacional e Semi-
estruturado1, 2, 3 X - GO
MiGenes SGBD Relacional 1, 2, 3 X - GO
PEDANT SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
Bio-TIM SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
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Ambientes de AnotaçãoAmbientes de
anotaçãoArmazenamento de dados
Tipos de
anotação
Integração
de dados
Vocabulário
controladoOntologia
Apollo SGBD Relacional 1, 2, 3 - X -
ÁrtemisFormatos EMBL, GenBank e
GFF1, 2, 3 - - -
ASAP SGBD Relacional 1, 2, 3 X X -
BASys SGBD Relacional 1, 2 - - GO
BioNotes SGBD Relacional Estendido 1, 2, 3 X X GO
ERGO SGBD Relacional 1, 2, 3 X - ERGO
GARSA SGBD Relacional 1, 2, 3 - X GO
GenDB SGBD Relacional 1, 2, 3 - - GO
GeneQuiz SGBD Relacional 1, 2 X X -
Genotator Flat files (ACE) 2 - - -
GopalacharyuluSGBDs Relacional e Semi-
estruturado1, 2, 3 X - GO
MiGenes SGBD Relacional 1, 2, 3 X - GO
PEDANT SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
Bio-TIM SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
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Ambientes de AnotaçãoAmbientes de
anotaçãoArmazenamento de dados
Tipos de
anotação
Integração
de dados
Vocabulário
controladoOntologia
Apollo SGBD Relacional 1, 2, 3 - X -
ÁrtemisFormatos EMBL, GenBank e
GFF1, 2, 3 - - -
ASAP SGBD Relacional 1, 2, 3 X X -
BASys SGBD Relacional 1, 2 - - GO
BioNotes SGBD Relacional Estendido 1, 2, 3 X X GO
ERGO SGBD Relacional 1, 2, 3 X - ERGO
GARSA SGBD Relacional 1, 2, 3 - X GO
GenDB SGBD Relacional 1, 2, 3 - - GO
GeneQuiz SGBD Relacional 1, 2 X X -
Genotator Flat files (ACE) 2 - - -
GopalacharyuluSGBDs Relacional e Semi-
estruturado1, 2, 3 X - GO
MiGenes SGBD Relacional 1, 2, 3 X - GO
PEDANT SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
Bio-TIM SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
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Ambientes de AnotaçãoAmbientes de
anotaçãoArmazenamento de dados
Tipos de
anotação
Integração
de dados
Vocabulário
controladoOntologia
Apollo SGBD Relacional 1, 2, 3 - X -
ÁrtemisFormatos EMBL, GenBank e
GFF1, 2, 3 - - -
ASAP SGBD Relacional 1, 2, 3 X X -
BASys SGBD Relacional 1, 2 - - GO
BioNotes SGBD Relacional Estendido 1, 2, 3 X X GO
ERGO SGBD Relacional 1, 2, 3 X - ERGO
GARSA SGBD Relacional 1, 2, 3 - X GO
GenDB SGBD Relacional 1, 2, 3 - - GO
GeneQuiz SGBD Relacional 1, 2 X X -
Genotator Flat files (ACE) 2 - - -
GopalacharyuluSGBDs Relacional e Semi-
estruturado1, 2, 3 X - GO
MiGenes SGBD Relacional 1, 2, 3 X - GO
PEDANT SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
Bio-TIM SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
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Ambientes de AnotaçãoAmbientes de
anotaçãoArmazenamento de dados
Tipos de
anotação
Integração
de dados
Vocabulário
controladoOntologia
Apollo SGBD Relacional 1, 2, 3 - X -
ÁrtemisFormatos EMBL, GenBank e
GFF1, 2, 3 - - -
ASAP SGBD Relacional 1, 2, 3 X X -
BASys SGBD Relacional 1, 2 - - GO
BioNotes SGBD Relacional Estendido 1, 2, 3 X X GO
ERGO SGBD Relacional 1, 2, 3 X - ERGO
GARSA SGBD Relacional 1, 2, 3 - X GO
GenDB SGBD Relacional 1, 2, 3 - - GO
GeneQuiz SGBD Relacional 1, 2 X X -
Genotator Flat files (ACE) 2 - - -
GopalacharyuluSGBDs Relacional e Semi-
estruturado1, 2, 3 X - GO
MiGenes SGBD Relacional 1, 2, 3 X - GO
PEDANT SGBD Relacional 1, 2, 3 X - -
BioFOXSGBD Semi-estruturado e DW
Relacional 1, 2, 3 X X GO e SO
22
Apresentação
• Introdução
• Anotação de Projetos Genoma
• Bancos de Dados de Genoma
• Ontologias e XML
• Ambientes de Anotação
• Ambiente BioFOX
– Módulo Administrador de Conhecimento
– Módulo Repositório de Dados
– Módulo Interface de Anotação
• Resultados e Conclusão
23
Ambiente BioFOX Arquitetura:
– Módulo Ferramentas de Bioinformática (MFB)
– Módulo Repositório de Dados (MRD)
– Módulo Interface de Anotação (MIA)
– Módulo Administrador de Conhecimento (MAC)
24
Apresentação
• Introdução
• Anotação de Projetos Genoma
• Bancos de Dados de Genoma
• Ontologias e XML
• Ambientes de Anotação
• Ambiente BioFOX
– Módulo Administrador de Conhecimento
– Módulo Repositório de Dados
– Módulo Interface de Anotação
• Resultados e Conclusão
25
Administrador de Conhecimento (MAC)
Onde as ontologias e o Namespace de Anotação são
definidos.
Ontologia de aplicação e Namespace representam o
mesmo conjunto de dados.
Deve conhecer e organizar todas os dados de anotação
provenientes dos demais módulos
26
Apresentação
• Introdução
• Anotação de Projetos Genoma
• Bancos de Dados de Genoma
• Ontologias e XML
• Ambientes de Anotação
• Ambiente BioFOX
– Módulo Administrador de Conhecimento
– Módulo Repositório de Dados
– Módulo Interface de Anotação
• Resultados e Conclusão
27
Repositório de Dados (MRD)
Estrutura para o armazenamento de anotações.
SGBD XML nativo (Tamino XML Server)
– Esquemas flexíveis.
– Bancos de dados inter-operáveis.
– Desenvolvimento de uma interface para o projeto de banco de
dados XML.
– Semântica associada aos esquemas de dados
(conceito-compartilhado).
28
Conceito-Compartilhado
Projetos genoma de um mesmo domínio de pesquisa não
necessariamente trabalham com o mesmo conjunto de anotações.
3.
Necessidades
de
processamento
.
4. Integração
de dados.
Esquemas diferentes!
Mesma semântica!
29
Ontologias
• Ontologia de aplicação:
– Associação;
– Agrupamento;
– Parte de.
30
Ontologias
• Ontologia de aplicação:
– Associação;
– Agrupamento;
– Parte de.
<sequence>
<annotation/>
</sequence>
<annotation>
<sequence/>
</annotation>
31
Ontologias
• Ontologia de aplicação:
– Associação;
– Agrupamento;
– Parte de.
hq_start
hq_end
Sequence
fasta
biofox:grouping
32
Ontologias
• Ontologia de aplicação:
– Associação;
– Agrupamento;
– Parte de.
33
Repositório de Dados (MRD)
Ontologia
de Aplicação
Projetista de BD
Interface
XML Database Design
Namespace de Anotação Genômica
Domínios
Específicos
Ontologias
de Biologia
Molecular
Aplicativos
Orientações para
o projeto de BD
Vocabulários
de anotações
genômicas
34
Repositório de Dados (MRD)
Ontologia
de Aplicação
Projetista de BD
Namespace de Anotação Genômica
Domínios
Específicos
Ontologias
de Biologia
Molecular
Aplicativos
Interface
XML Database Design
Orientações para
o projeto de BD
Vocabulários
de anotações
genômicas
Tamino XML Server
BD
XML
XML
Schema
XML
Schema
XML
Schema
Modelagem e
propriedades
físicas propostas
Esquemas
propostos
Conjunto de
esquemas definidos
no BD XML
35
Repositório de Dados (MRD)
Ontologia
de Aplicação
Projetista de BD
Namespace de Anotação Genômica
Domínios
Específicos
Ontologias
de Biologia
Molecular
Aplicativos
Interface
XML Database Design
Orientações para
o projeto de BD
Vocabulários
de anotações
genômicas
Tamino XML Server
XML
Schema
XML
Schema
XML
Schema
Modelagem e
propriedades
físicas propostas
Esquemas
propostos
Conjunto de
esquemas definidos
no BD XML
BD
XML
36
Apresentação
• Introdução
• Anotação de Projetos Genoma
• Ontologias
• Bancos de Dados de Genoma e XML
• Ambientes de Anotação
• Ambiente BioFOX
– Módulo Administrador de Conhecimento
– Módulo Repositório de Dados
– Módulo Interface de Anotação
• Resultados e Conclusão
37
Interface com Pesquisadores
38
Interfaces de Anotação Manual
• Como uma ontologia pode ajudar o pesquisador em sua
anotação manual?
• Quais são as necessidades dos pesquisadores?
• Quais dificuldades com interfaces de programas
convencionais?
• Que funcionalidades podem ser adicionadas?
39
Interfaces de Anotação Manual
• Funcionalidades implementadas:
– Auto-completar;
– Sinônimos;
– Exemplos;
– Definição de novos campos (em construção).
40
Apresentação
• Introdução
• Anotação de Projetos Genoma
• Ontologias
• Bancos de Dados de Genoma e XML
• Ambientes de Anotação
• Ambiente BioFOX
– Módulo Administrador de Conhecimento
– Módulo Repositório de Dados
– Módulo Interface de Anotação
• Resultados e Conclusão
41
Experiência dos Usuários
71,43%
92,86%
42,86%
92,86%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Bioinformática BD BD XML Ontologia
Exp
eri
ên
cia
do
s U
su
ári
os
42
Avaliação dos Usuários
100,00%
66,67%
85,71%
42,86%42,86%
33,33%
50,00%50,00%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Muito Razoável Total Melhor Pouco
Melhor
Muito Útil Útil Total
Contribui Criação de Esquemas Qualidade Utilidade
Quesitos
Avaliação
do
s U
su
ári
os
43
77,78%
100,00% 100,00%
0,00%
44,44%
33,33%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Muito Razoável Total Muito
Importante
Importante Total
Padronização e Compartilhamento Conceito-Compartilhado
Avaliação
de B
ioin
form
ata
sAvaliação dos Usuários
44
Avaliação dos Usuários
• Aspectos positivos citados pelos usuários:
– Visualização gráfica dos elementos em uma interface intuitiva e
de fácil usabilidade;
– Recomendação de termos e propriedades;
– Vocabulário comum entre o projetista do banco de dados e
biólogos especialistas no domínio;
– Estabelecimento de regras do domínio, o que permite alertar
para eventuais erros conceituais do projetista;
45
Avaliação dos Usuários
• Aspectos positivos citados pelos usuários:
– Diminuição da heterogeneidade semântica entre aplicações de
mesmo domínio;
– Diminuição no tempo gasto para desenvolvimento do projeto de
banco de dados e também para criação de esquemas XML;
– Diminuição da disparidade semântica do esquema, reduzindo-
se o custo de futuros esforços de integração.
46
Contribuições
• Proposta de uma arquitetura para um ambiente de anotação;
• Desenvolvimento e implementação de uma interface para a modelagem conceitual de domínios complexos, como o de biologia molecular, e criação de esquemas de dados XML;
• Criação de esquemas de dados estruturalmente independentes, mas com semântica associada por meio de uma ontologia;
• Proposta do modelo de integração conceito-compartilhado, o qual explora as características de esquemas de dados XML associados a uma ontologia;
47
Contribuições
• Desenvolvimento de uma ontologia de aplicação contendo
definições de conceitos e regras de domínio, com o objetivo de
guiar e auxiliar a modelagem conceitual de dados;
• Desenvolvimento de um namespace de vocabulários XML para a
anotação de projetos genoma.
48
Trabalhos Futuros
• Exploração da integração de dados a partir do modelo de conceito-
compartilhado apresentado neste trabalho;
• Componentização da interface de anotação manual;
• Testes de desempenho de bancos de dados XML quando aplicados
em um projeto genoma;
• Expansão dos vocabulários de domínios já definidos e a inclusão de
novos domínios;
49
Trabalhos Futuros
• Aplicação da interface XML Database Design a diferentes domínios de conhecimento, além do domínio de biologia molecular;
• Melhoria da interface XML Database Design.
26 de Maio de 2008.
51
Anexos
Defesa de Mestrado
26 de Maio de 2008.
53
• Anotação importada
• Anotação automática
• Anotação manual
Anotação de Projetos Genoma
Coluna
3
Coluna 2Coluna
1
Tupla1Tupla1Tupla1
Tupla2 Tupla2 Tupla2
54
XML Database Design
55
Apresentação
• Introdução
• Anotação de Projetos Genoma
• Ontologias
• Bancos de Dados de Genoma e XML
• Arquitetura Proposta
– Módulo Administrador de Conhecimento
– Módulo Repositório de Dados
• Interfaces para Anotação Manual
• Integração de Dados
56
Integração Física
BD X
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
BD N
BD de
Integração
(Data Warehouse)
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
Tupla1 Tupla1 Tupla1
Tupla2 Tupla2 Tupla2
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
Tupla1 Tupla1 Tupla1
Tupla2 Tupla2 Tupla2
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
Tupla1 Tupla1 Tupla1
Tupla2 Tupla2 Tupla2
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
Tupla1 Tupla1 Tupla1
Tupla2 Tupla2 Tupla2
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
Tupla1 Tupla1 Tupla1
Tupla2 Tupla2 Tupla2
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
Tupla1 Tupla1 Tupla1
Tupla2 Tupla2 Tupla2
Conversores
57
Integração por Mapeamento
BD X
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
Integração de dados.
BD N
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
Tupla1 Tupla1 Tupla1
Tupla2 Tupla2 Tupla2
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
Tupla1 Tupla1 Tupla1
Tupla2 Tupla2 Tupla2
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
Tupla1 Tupla1 Tupla1
Tupla2 Tupla2 Tupla2
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
Tupla1 Tupla1 Tupla1
Tupla2 Tupla2 Tupla2
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
Tupla1 Tupla1 Tupla1
Tupla2 Tupla2 Tupla2
Coluna 1 Coluna 2 Coluna 3
Tupla1 Tupla1 Tupla1
Tupla2 Tupla2 Tupla2
Mapa de
Integração
5858
Avaliação dos Usuários
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%M
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uco
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Mu
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Contribui
Criação de
Esquemas
Facilita Proj. de
BD
Agilidade Qualidade Utilidade
Questões
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5959
Avaliação dos Usuários
0%
10%
20%
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60%
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80%
90%
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Contribui
Criação de
Esquemas
Facilita Proj. de
BD
Agilidade Qualidade Utilidade
Questões
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BD
XM
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6060
Avaliação dos Usuários
0%
10%
20%
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80%
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Imp
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an
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Contribui
Criação de
Esquemas
Facilita Proj.
de BD
Agilidade Qualidade Utilidade Padronização e
Compartilham.
Conceito-
Compartilhado
Questões
Av
alia
çã
o d
e B
ioin
form
ata
s
6161
Avaliação dos Usuários
0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%
100%M
uito
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vel
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Mu
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Útil
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Contribui
Criação de
Esquemas
Facilita Proj. de
BD
Agilidade Qualidade Utilidade
Questões
Av
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çã
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om
pa
rati
va
Usuários Bioinformatas BD XML