我國生物信息學(xué)研究現(xiàn)狀與展望-

1、 究和開發(fā)新的治療性藥物,將是21世紀(jì)生物醫(yī)藥發(fā)展的總的趨勢。傳統(tǒng)的藥物研究,從發(fā)現(xiàn)新藥到該藥物的臨床應(yīng)用,大約需要10年左右的時(shí)間,其研發(fā)費(fèi)用更是高達(dá)幾億甚至十幾億美元。生物信息學(xué)應(yīng)用基因序列比對、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測等方法對獲得的這些基因和蛋白質(zhì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算,從中發(fā)現(xiàn)能夠與藥物相結(jié)合的關(guān)鍵的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)或功能性基因,即藥物的作用靶點(diǎn),到目前為止,根據(jù)人類基因組研究結(jié)果預(yù)測的藥物靶標(biāo)可達(dá)5000-10000個(gè)。在此基礎(chǔ)上,藥物研發(fā)人員一方面可以利用計(jì)算機(jī)模擬的方式,將所獲得的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)或功能性基因信息直接用于新藥物的篩選,如磷脂酶A2抑制藥物的篩選;另一方面,也可以將所獲得的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)或功能

2、性基因信息加以分析,直接涉及出可能的藥物,最后經(jīng)人工合成或其它方法獲得實(shí)際藥物,這一方法已應(yīng)用于反義寡核苷酸藥物的研制。顯而易見,正是由于生物信息學(xué)的介入,使得藥物研究在藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、藥物篩選和藥物設(shè)計(jì)等方面產(chǎn)生了巨大的變革,不僅減少了前期研究和開發(fā)的盲目性,更有效縮短了藥物研發(fā)周期,節(jié)約了大量的人力、物力。就人類基因組來說,得到序列僅僅是第一步,后一步的工作是所謂后基因組時(shí)代的任務(wù),即收集、整理、檢索和分析序列中表達(dá)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的信息,找出規(guī)律。目前一般意義上的生物信息學(xué)還是局限在基因?qū)哟?而廣義上的生物信息學(xué)是可以研究生物學(xué)的任何方面。生命現(xiàn)象是在信息控制下不同層次上的物質(zhì)、能量與信

3、息的交換,不同層次是指核酸、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、器官、個(gè)體、群體和生態(tài)生物信息學(xué)是在生命科學(xué)的研究中以計(jì)算機(jī)為工具對生物信息進(jìn)行儲存、檢索和分析的一門新興的交叉學(xué)科。它是當(dāng)今生命科學(xué)和自然科學(xué)的重大前沿領(lǐng)域之一,同時(shí)也將是21世紀(jì)自然科學(xué)的核心領(lǐng)域之一。生物信息學(xué)萌生于計(jì)算機(jī)初創(chuàng)期。隨著人類基因組計(jì)劃的實(shí)施,有關(guān)核酸、蛋白質(zhì)的序列和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長。面對巨大而復(fù)雜的數(shù)據(jù),運(yùn)用計(jì)算機(jī)管理數(shù)據(jù)、控制誤差、加速分析過程勢在必行。1956年,在美國田納西州蓋特林堡召開了首次“生物學(xué)中的信息理論研討會”,會議產(chǎn)生了生物信息學(xué)的概念。1987年,林華安博士正式為這一領(lǐng)域定下生物信息學(xué)我國生物信息學(xué)研究現(xiàn)狀與展

4、望程現(xiàn)昆大連醫(yī)科大學(xué)社會與管理科學(xué)學(xué)院116027(Bioinformatics這一稱謂。然而,那時(shí)人們對生物信息學(xué)的認(rèn)識只是特殊含義上的片面的生物信息學(xué),隨著測序技術(shù)的日臻完善和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命中信息革命以及計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,生物信息學(xué)在1995年經(jīng)歷了里程碑式的發(fā)展。那一年,第一個(gè)細(xì)菌的全基因組序列流感嗜血桿菌全基因組測定研究成果在科學(xué)發(fā)表,人類第一次有了一個(gè)物種完整的全基因組信息,生物信息學(xué)從此開始進(jìn)入了名副其實(shí)的發(fā)展時(shí)期。一、生物信息學(xué)的研究內(nèi)容生物信息學(xué)是伴隨著基因組研究而發(fā)展的。它以人類基因組計(jì)劃完成為標(biāo)志,經(jīng)歷了兩個(gè)歷史時(shí)代,即測序基因組時(shí)代和功能基因組時(shí)代。其研究重點(diǎn)主要體

5、現(xiàn)在基因組學(xué)(G e n o m i c s 和蛋白組學(xué)(Proteomics兩方面。具體說,是從核酸和蛋白質(zhì)序列出發(fā),分析序列中表達(dá)的結(jié)構(gòu)與功能的生物信息。其研究內(nèi)容主要包括:(1新基因的發(fā)現(xiàn)與鑒定;(2完整基因組的比較研究;(3大規(guī)?；蚬δ鼙磉_(dá)譜的分析;(4生物大分子的結(jié)構(gòu)模擬與藥物設(shè)計(jì);(5非編碼區(qū)信息結(jié)構(gòu)分析;(6遺傳密碼起源和生物進(jìn)化的研究。目前,基因組學(xué)的研究出現(xiàn)了幾個(gè)重心的轉(zhuǎn)移:將已知基因的序列與功能聯(lián)系在一起的功能基因組學(xué)研究;從作圖為基礎(chǔ)的基因分離轉(zhuǎn)向以序列為基礎(chǔ)的基因分離;從研究疾病的起因轉(zhuǎn)向探索發(fā)病機(jī)理;從疾病診斷轉(zhuǎn)向疾病易感性研究。生物芯片(Biochip的應(yīng)用為上述

6、研究提供最基本和必要的信息及依據(jù),將成為基因組信息學(xué)研究的主要技術(shù)支撐。藥物研究是生物信息學(xué)研究中最具應(yīng)用前景的領(lǐng)域,利用生物信息學(xué)手段研TheOutlookofBioinformaticsDevelopmentCHENGXian-kunSchoolofSociety&AdministrationSciences,DalianMedicalUniversity116027 系統(tǒng)等。這些層次的系統(tǒng)生物學(xué)研究將成為后基因組時(shí)代的生物信息學(xué)研究和應(yīng)用的對象。二、國外生物信息學(xué)發(fā)展?fàn)顩r國外非常重視生物信息學(xué)的發(fā)展,各種專業(yè)研究機(jī)構(gòu)和公司如雨后春筍般涌現(xiàn)出來,生物科技公司和制藥工業(yè)內(nèi)部的生物信息

7、學(xué)部門的數(shù)量也與日俱增。美國早在1988年在國會的支持下就成立了國家生物技術(shù)信息中心(NCBI,其目的是進(jìn)行計(jì)算分子生物學(xué)的基礎(chǔ)研究,構(gòu)建和散布分子生物學(xué)數(shù)據(jù)庫;歐洲于1993年3月就著手建立歐洲生物信息學(xué)研究所(EBI,日本也于1995年4月組建了信息生物學(xué)中心(CIB。目前,絕大部分的核酸和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫由美國、歐洲和日本的3家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)產(chǎn)生,他們共同組成了D D B J/E M B L/ GenBank國際核酸序列數(shù)據(jù)庫,每天交換數(shù)據(jù),同步更新。以西歐各國為主的歐洲分子生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)組織(E u r o p e a n MolecularBiologyNetwork,EMBNet,是目前國際最

8、大的分子生物信息研究、開發(fā)和服務(wù)機(jī)構(gòu),通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使英、德、法、瑞士等國生物信息資源實(shí)現(xiàn)共享。在共享網(wǎng)絡(luò)資源的同時(shí),他們又分別建有自己的生物信息學(xué)機(jī)構(gòu)、二級或更高級的具有各自特色的專業(yè)數(shù)據(jù)庫以及自己的分析技術(shù),服務(wù)于本國生物(醫(yī)學(xué)研究和開發(fā),有些服務(wù)也開放于全世界。從專業(yè)出版業(yè)來看,1970年,出現(xiàn)了ComputerMethodsandProgramsin Biomedicine這本期刊;到1985年4月,就有了第一種生物信息學(xué)專業(yè)期刊ComputerApplicationintheBiosciences。現(xiàn)在,我們可以看到的專業(yè)期刊已經(jīng)很多了。生物信息技術(shù)的強(qiáng)力介入使制藥業(yè)正發(fā)生天翻地覆的

9、變化。德國商報(bào)曾分析說,如果有了有效的技術(shù)后,藥物開發(fā)周期將縮短一半到6年左右,這也意味著每家公司每年能夠推向市場的新藥數(shù)量翻一番。據(jù)專家估計(jì),兩年后基因藥物制劑將占所有新藥的一半。世界最大的信息技術(shù)公司國際商用機(jī)器公司(IBM發(fā)表一份報(bào)告稱,7項(xiàng)信息技術(shù)將在今后6年內(nèi)給新藥研發(fā)等帶來“革命性”變化。指出,這7項(xiàng)信息技術(shù)能使研發(fā)一種新藥的成本下降75%,從目前的8億美元下降到2億美元,研發(fā)時(shí)間也將由目前的12-14年縮短至3-5年,同時(shí)還將提高新藥研發(fā)的成功率。但對更多的熱心的參與其中的公司而言,利潤才是其真正的第一驅(qū)動力。IBM、Sun、康伯和摩托羅拉等公司每家已至少與生物技術(shù)公司和調(diào)研公司

10、達(dá)成12項(xiàng)合作意向,共有140多項(xiàng)合作協(xié)議,合作內(nèi)容涉及到各種技術(shù)領(lǐng)域,包括基因芯片、用計(jì)算機(jī)模擬藥效等。2004年,IBM與生物信息技術(shù)相關(guān)的年銷售額達(dá)到30億美元,這也可從一方面說明IBM為什么要在超級計(jì)算機(jī)研究領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。美國紐約投資銀行“SGCowen”衛(wèi)生保健方面的負(fù)責(zé)人斯泰利奧斯帕帕佐普洛斯則打了個(gè)比方:“假設(shè)我是一家制藥公司,如果有人能把我的藥用生物信息技術(shù)開發(fā)的早一年投入市場,這可能意味著,你從中奪得了大約5億美元的收入?！辈痪玫膶?全球必然形成IT(信息技術(shù)業(yè)界與BT(生物技術(shù)業(yè)界強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的局面,推動生物信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。未來生物信息學(xué)的快速發(fā)展將有賴于數(shù)據(jù)的整合處理,

11、對不同來源的數(shù)據(jù)的有效整合處理主要有三個(gè)挑戰(zhàn):計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)模式和預(yù)測分析模式。計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施包含數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理能力兩個(gè)方面,數(shù)據(jù)建模的挑戰(zhàn)是如何建立一個(gè)有用的、可發(fā)展的、可交互的生物學(xué)數(shù)據(jù)模式,而預(yù)測分析模式則在要解決如何高效、自動化地獲取有用的科學(xué)假設(shè)的問題。三、我國生物信息學(xué)研究現(xiàn)狀與展望當(dāng)前是生物信息學(xué)研究的一個(gè)有活力的新時(shí)代。不少科學(xué)家認(rèn)為它是人類基因組研究的收獲時(shí)代,它不僅將賦予人們各種基礎(chǔ)研究的重要成果,也會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在未來的幾年中DNA序列數(shù)據(jù)將以意想不到的速度增長,這是一個(gè)難得的機(jī)會,我國若能盡早抓住這一機(jī)會,就可能走在國際生命科學(xué)界的最前沿。1.我

12、國生物信息學(xué)研究現(xiàn)狀在我國,生物信息學(xué)隨著人類基因組研究的展開才剛剛起步,目前還處于初期發(fā)展階段,但在一些著名院士和教授的帶領(lǐng)下,在各自領(lǐng)域取得了一定成績,顯露出蓬勃發(fā)展的勢頭,有的在國際上還占有一席之地。如北京大學(xué)的羅靜初和顧孝誠教授在生物信息學(xué)網(wǎng)站建設(shè)方面、中科院生物物理所的陳潤生研究員在EST序列拼接方面以及在基因組演化方面、天津大學(xué)的張春霆院士在D N A序列的幾何學(xué)分析方面、中科院理論物理所郝柏林院士、清華大學(xué)的李衍達(dá)院士和孫之榮教授、內(nèi)蒙古大學(xué)的羅遼復(fù)教授、上海的丁達(dá)夫教授等等。北京大學(xué)于1997年3月成立了生物信息學(xué)中心,這個(gè)中心在1996年歐洲EMBNet擴(kuò)大到歐洲之外時(shí)已正式

13、成為中國結(jié)點(diǎn)(每個(gè)國家只有一個(gè)結(jié)點(diǎn),目前已有60多種生物數(shù)據(jù)庫的經(jīng)常更新的鏡像點(diǎn)。近年來,它已組織過多次國內(nèi)和地區(qū)的培訓(xùn)班及會議,有著較廣泛的國際聯(lián)系。另外,中國科學(xué)院、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院、清華大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、中山大學(xué)、內(nèi)蒙古大學(xué)等等都先后開展了生物信息學(xué)研究和教學(xué)工作,許多大學(xué)都設(shè)立了生物信息學(xué)專業(yè),并同時(shí)招收本科、碩士、博士研究生。各種學(xué)術(shù)會議及論壇的召開,對于促進(jìn)我國在這一前沿領(lǐng)域的發(fā)展起著越來越重要的作用。中國科學(xué)院于1997年9月和12月召開了第80、87次香山會議,首次邀請有關(guān)專家就“DNA芯片的現(xiàn)狀與未來”和“生物信息學(xué)”

14、進(jìn)行探討。1999年3月,清華大學(xué)生物信息學(xué)研究所、國家人類基因組北方研究中心和北京生物技術(shù)和新醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心共同舉辦了“北方生物信息學(xué)學(xué)術(shù)研討會”。1999年4月,北京大學(xué)舉辦了“國際生物信息學(xué)講習(xí)班”。2001年4月,由北京市科技委員會、中國人類基因組北方研究中心、中國人類基因組南方研究中心、北京華大基因研究中心、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院、北京生物工程學(xué)會生物信息學(xué)專業(yè)委員會、北京生物技術(shù)和新醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心等共同舉辦的首屆“中國生物信息學(xué)大會”在北京召開。2003年11月28-29日,中國科協(xié)“生物信息學(xué)與進(jìn)化計(jì)算”第81次青年科學(xué)家論壇在北京中國科技會堂成功召開。這次論壇是中國科協(xié)舉辦的一次多

15、學(xué)科交叉的盛會,旨在促進(jìn)國內(nèi)青年科學(xué)家在這一全新領(lǐng)域內(nèi)的相互交流,促進(jìn)該學(xué)科的成長與發(fā)展。這是國內(nèi)首次以“生物信息學(xué)”為主題的一次多學(xué)科交叉的青年科學(xué)家論壇。與會者一致認(rèn)為系統(tǒng)生物學(xué)、非編碼區(qū)功能研究、基因調(diào)控和相互作用網(wǎng)絡(luò)等是當(dāng)前生物信息學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。盡管如此,真正開展生物信息學(xué)具體研究和服務(wù)的機(jī)構(gòu)或公司仍相對較少,僅有的幾家科研機(jī)構(gòu)主要開展生物信息學(xué)理論研究,聲稱提供生物信息學(xué)服務(wù)的公司所提供的服務(wù)也僅局限于簡單的計(jì)算機(jī)輔助分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),而且服務(wù) 體系并不完善;國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)上已有的幾家生物信息學(xué)網(wǎng)站,大部分偏于所有生物(醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新聞報(bào)道,而生物信息學(xué)專業(yè)技術(shù)服務(wù)的含量太少,這就與

16、國外有了較大差距。2.展望 我國是一個(gè)生物信息和智力資源最為豐富的國家之一,這為我們的生物產(chǎn)業(yè)奠定了發(fā)展的基礎(chǔ)。我們應(yīng)當(dāng)結(jié)合自己的資源條件,建設(shè)自有的數(shù)據(jù)庫,如已進(jìn)行的雜交水稻數(shù)據(jù)庫等,在平等的基礎(chǔ)上與國外共享生物信息資源。在考慮社會效應(yīng)的同時(shí),不斷加強(qiáng)基礎(chǔ)性研究。如我們的蛋白質(zhì)組學(xué)有優(yōu)勢,可以繼續(xù)投入生物信息學(xué)研究力量,構(gòu)建完整而強(qiáng)大的科研平臺。 生物信息學(xué)的特點(diǎn)是投資少、見效快、效益大,適合于我國的現(xiàn)實(shí)條件。從英特網(wǎng)上源源不斷地采集數(shù)據(jù),進(jìn)行分析、歸類與重組,發(fā)現(xiàn)新線索、新現(xiàn)象和新規(guī)律,用以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)工作的設(shè)計(jì),即直接從現(xiàn)有公共數(shù)據(jù)庫中的EST 出發(fā),用生物信息學(xué)的方法尋找可能有研究價(jià)值的新

17、基因,并用實(shí)驗(yàn)方法來研究證實(shí)。這是一條既快又省的科研路線,可避免不必要的重復(fù),少走彎路,盡快提高我國生命科學(xué)的研究水平。上述雙管齊下克隆新基因的方法非常適合我國人類基因組研究在財(cái)力、物力和研究人才資源等方面的客觀條件。但關(guān)鍵在于有關(guān)學(xué)科之間的協(xié)作和加速培養(yǎng)一批在數(shù)學(xué)、物理、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及分子生物學(xué)方面均有造詣的跨學(xué)科青年人才。我們應(yīng)當(dāng)盡快建立中國生物信息中心,并同已經(jīng)建立起來的其它中心一道通過優(yōu)勢互補(bǔ),協(xié)作攻關(guān),盡快縮小我國在計(jì)算機(jī)信息學(xué)的核心技術(shù)、巨型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用以及互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)等方面與世界領(lǐng)先國家的差距,從而搶抓這一機(jī)會,實(shí)現(xiàn)我國跨越式、創(chuàng)新型發(fā)展。結(jié)語 生物信息學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展

18、,第一次使大量的數(shù)學(xué)模型被引入了生命科學(xué)的研究當(dāng)中,標(biāo)志著生物學(xué)從量變到質(zhì)變的飛躍從試驗(yàn)學(xué)科向理論學(xué)科的轉(zhuǎn)變。這一新興學(xué)科從歷史走向現(xiàn)實(shí)的發(fā)展過程也充分體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命所呈現(xiàn)的科學(xué)體系結(jié)構(gòu)整體化、專業(yè)化;科學(xué)活動社會化、國際化;科學(xué)發(fā)展加速、數(shù)字化的特點(diǎn),反映了整體與部分統(tǒng)一、定性和定量化統(tǒng)一、精確性和模糊性統(tǒng)一等現(xiàn)代思維方式。這標(biāo)志著科研思維從還原論向系統(tǒng)論的飛躍,這種研究必將對今后的生命科學(xué)乃至整個(gè)人類社會產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。同時(shí),它也必將為生物、醫(yī)學(xué)和信息技術(shù)的發(fā)展帶來新的契機(jī)和新的挑戰(zhàn)。效果,并有強(qiáng)大的超級鏈接以及由此帶來的交互功能系統(tǒng)環(huán)境的選擇和圖像處理。3.結(jié)合多媒體教學(xué)的

19、特點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。多媒體教學(xué)的特點(diǎn)就是信息量大,要求設(shè)計(jì)者化繁為簡,化難為易,化靜為動,把平時(shí)教師很難說清楚道明白、學(xué)生不易掌握和理解的知識真實(shí)而自然地展現(xiàn)在學(xué)生面前。安排教學(xué)內(nèi)容多而全面、計(jì)算機(jī)技術(shù)難度高的作品并不一定是好課件,而那些設(shè)計(jì)簡而優(yōu)、少而精,具有準(zhǔn)確、簡潔和恰到好處的教學(xué)實(shí)用性的課件才能真正獲得大家的青睞。現(xiàn)實(shí)教學(xué)中,多媒體課件的設(shè)計(jì)普遍趨向?qū)⒑唵螁栴}復(fù)雜化,對復(fù)雜問題則絞盡腦汁,花樣迭出,力圖能吸引學(xué)生的眼球,可是課后學(xué)生卻幾無所獲,稀里糊涂。有些老師甚至將傳統(tǒng)教學(xué)中逐句分段分析課文的方式照搬到多媒體課件設(shè)計(jì)中,根本未能顯示多媒體教學(xué)真正的優(yōu)越性。作為多媒體課件的設(shè)計(jì)者必須明白,教學(xué)的過程并非肢解課文文本的過程,而是利用多媒體手段將課文的各知識點(diǎn)巧妙地串聯(lián)起來。4.恰當(dāng)、合理、適時(shí)地運(yùn)用多媒體,強(qiáng)調(diào)教學(xué)效益。在一些老師心中就產(chǎn)生了一種