我國生物信息學研究現(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用,大約需要10年左右的時間,其研發(fā)費用更是高達幾億甚至十幾億美元。生物信息學應用基因序列比對、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測等方法對獲得的這些基因和蛋白質(zhì)的數(shù)據(jù)進行分析和計算,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,到目前為止,根據(jù)人類基因組研究結(jié)果預測的藥物靶標可達5000-10000個。在此基礎上,藥物研發(fā)人員一方面可以利用計算機模擬的方式,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際藥物,這一方法已應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的介入,使得藥物研究在藥物靶點發(fā)現(xiàn)、藥物篩選和藥物設計等方面產(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代的任務,即收集、整理、檢索和分析序列中表達的蛋白質(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還是局限在基因?qū)哟?而廣義上的生物信息學是可以研究生物學的任何方面。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)、細胞、器官、個體、群體和生態(tài)生物信息學是在生命科學的研究中以計算機為工具對生物信息進行儲存、檢索和分析的一門新興的交叉學科。它是當今生命科學和自然科學的重大前沿領(lǐng)域之一,同時也將是21世紀自然科學的核心領(lǐng)域之一。生物信息學萌生于計算機初創(chuàng)期。隨著人類基因組計劃的實施,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。面對巨大而復雜的數(shù)據(jù),運用計算機管理數(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“生物學中的信息理論研討會”,會議產(chǎn)生了生物信息學的概念。1987年,林華安博士正式為這一領(lǐng)域定下生物信息學我國生物信息學研究現(xiàn)狀與展

4、望程現(xiàn)昆大連醫(yī)科大學社會與管理科學學院116027(Bioinformatics這一稱謂。然而,那時人們對生物信息學的認識只是特殊含義上的片面的生物信息學,隨著測序技術(shù)的日臻完善和現(xiàn)代科學技術(shù)革命中信息革命以及計算機產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,生物信息學在1995年經(jīng)歷了里程碑式的發(fā)展。那一年,第一個細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發(fā)表,人類第一次有了一個物種完整的全基因組信息,生物信息學從此開始進入了名副其實的發(fā)展時期。一、生物信息學的研究內(nèi)容生物信息學是伴隨著基因組研究而發(fā)展的。它以人類基因組計劃完成為標志,經(jīng)歷了兩個歷史時代,即測序基因組時代和功能基因組時代。其研究重點主要體

5、現(xiàn)在基因組學(G e n o m i c s 和蛋白組學(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_譜的分析;(4生物大分子的結(jié)構(gòu)模擬與藥物設計;(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化的研究。目前,基因組學的研究出現(xiàn)了幾個重心的轉(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研究;從作圖為基礎的基因分離轉(zhuǎn)向以序列為基礎的基因分離;從研究疾病的起因轉(zhuǎn)向探索發(fā)病機理;從疾病診斷轉(zhuǎn)向疾病易感性研究。生物芯片(Biochip的應用為上述

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研究的主要技術(shù)支撐。藥物研究是生物信息學研究中最具應用前景的領(lǐng)域,利用生物信息學手段研TheOutlookofBioinformaticsDevelopmentCHENGXian-kunSchoolofSociety&AdministrationSciences,DalianMedicalUniversity116027 系統(tǒng)等。這些層次的系統(tǒng)生物學研究將成為后基因組時代的生物信息學研究和應用的對象。二、國外生物信息學發(fā)展狀況國外非常重視生物信息學的發(fā)展,各種專業(yè)研究機構(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,其目的是進行計算分子生物學的基礎研究,構(gòu)建和散布分子生物學數(shù)據(jù)庫;歐洲于1993年3月就著手建立歐洲生物信息學研究所(EBI,日本也于1995年4月組建了信息生物學中心(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網(wǎng)絡組織(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)和服務機構(gòu),通過計算機網(wǎng)絡使英、德、法、瑞士等國生物信息資源實現(xiàn)共享。在共享網(wǎng)絡資源的同時,他們又分別建有自己的生物信息學機構(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),服務于本國生物(醫(yī)學研究和開發(fā),有些服務也開放于全世界。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專業(yè)期刊ComputerApplicationintheBiosciences?，F(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)的強力介入使制藥業(yè)正發(fā)生天翻地覆的

9、變化。德國商報曾分析說,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,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)公司國際商用機器公司(IBM發(fā)表一份報告稱,7項信息技術(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)時間也將由目前的12-14年縮短至3-5年,同時還將提高新藥研發(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、達成12項合作意向,共有140多項合作協(xié)議,合作內(nèi)容涉及到各種技術(shù)領(lǐng)域,包括基因芯片、用計算機模擬藥效等。2004年,IBM與生物信息技術(shù)相關(guān)的年銷售額達到30億美元,這也可從一方面說明IBM為什么要在超級計算機研究領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。美國紐約投資銀行“SGCowen”衛(wèi)生保健方面的負責人斯泰利奧斯帕帕佐普洛斯則打了個比方:“假設我是一家制藥公司,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。”不久的將來,全球必然形成IT(信息技術(shù)業(yè)界與BT(生物技術(shù)業(yè)界強強聯(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挑戰(zhàn):計算基礎設施、數(shù)據(jù)模式和預測分析模式。計算基礎設施包含數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理能力兩個方面,數(shù)據(jù)建模的挑戰(zhàn)是如何建立一個有用的、可發(fā)展的、可交互的生物學數(shù)據(jù)模式,而預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假設的問題。三、我國生物信息學研究現(xiàn)狀與展望當前是生物信息學研究的一個有活力的新時代。不少科學家認為它是人類基因組研究的收獲時代,它不僅將賦予人們各種基礎研究的重要成果,也會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。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,這是一個難得的機會,我國若能盡早抓住這一機會,就可能走在國際生命科學界的最前沿。1.我

12、國生物信息學研究現(xiàn)狀在我國,生物信息學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。如北京大學的羅靜初和顧孝誠教授在生物信息學網(wǎng)站建設方面、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、天津大學的張春霆院士在D N A序列的幾何學分析方面、中科院理論物理所郝柏林院士、清華大學的李衍達院士和孫之榮教授、內(nèi)蒙古大學的羅遼復教授、上海的丁達夫教授等等。北京大學于1997年3月成立了生物信息學中心,這個中心在1996年歐洲EMBNet擴大到歐洲之外時已正式

13、成為中國結(jié)點(每個國家只有一個結(jié)點,目前已有60多種生物數(shù)據(jù)庫的經(jīng)常更新的鏡像點。近年來,它已組織過多次國內(nèi)和地區(qū)的培訓班及會議,有著較廣泛的國際聯(lián)系。另外,中國科學院、中國醫(yī)學科學院、軍事醫(yī)學科學院、清華大學、天津大學、浙江大學、復旦大學、哈爾濱工業(yè)大學、東南大學、中山大學、內(nèi)蒙古大學等等都先后開展了生物信息學研究和教學工作,許多大學都設立了生物信息學專業(yè),并同時招收本科、碩士、博士研究生。各種學術(shù)會議及論壇的召開,對于促進我國在這一前沿領(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”

14、進行探討。1999年3月,清華大學生物信息學研究所、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)促進中心共同舉辦了“北方生物信息學學術(shù)研討會”。1999年4月,北京大學舉辦了“國際生物信息學講習班”。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)學科學院、北京生物工程學會生物信息學專業(yè)委員會、北京生物技術(shù)和新醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)促進中心等共同舉辦的首屆“中國生物信息學大會”在北京召開。2003年11月28-29日,中國科協(xié)“生物信息學與進化計算”第81次青年科學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、學科交叉的盛會,旨在促進國內(nèi)青年科學家在這一全新領(lǐng)域內(nèi)的相互交流,促進該學科的成長與發(fā)展。這是國內(nèi)首次以“生物信息學”為主題的一次多學科交叉的青年科學家論壇。與會者一致認為系統(tǒng)生物學、非編碼區(qū)功能研究、基因調(diào)控和相互作用網(wǎng)絡等是當前生物信息學研究的熱點問題。盡管如此,真正開展生物信息學具體研究和服務的機構(gòu)或公司仍相對較少,僅有的幾家科研機構(gòu)主要開展生物信息學理論研究,聲稱提供生物信息學服務的公司所提供的服務也僅局限于簡單的計算機輔助分子生物學實驗設計,而且服務 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網(wǎng)站,大部分偏于所有生物(醫(yī)學領(lǐng)域的新聞報道,而生物信息學專業(yè)技術(shù)服務的含量太少,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。我們應當結(jié)合自己的資源條件,建設自有的數(shù)據(jù)庫,如已進行的雜交水稻數(shù)據(jù)庫等,在平等的基礎上與國外共享生物信息資源。在考慮社會效應的同時,不斷加強基礎性研究。如我們的蛋白質(zhì)組學有優(yōu)勢,可以繼續(xù)投入生物信息學研究力量,構(gòu)建完整而強大的科研平臺。 生物信息學的特點是投資少、見效快、效益大,適合于我國的現(xiàn)實條件。從英特網(wǎng)上源源不斷地采集數(shù)據(jù),進行分析、歸類與重組,發(fā)現(xiàn)新線索、新現(xiàn)象和新規(guī)律,用以指導實驗工作的設計,即直接從現(xiàn)有公共數(shù)據(jù)庫中的EST 出發(fā),用生物信息學的方法尋找可能有研究價值的新

17、基因,并用實驗方法來研究證實。這是一條既快又省的科研路線,可避免不必要的重復,少走彎路,盡快提高我國生命科學的研究水平。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)學科之間的協(xié)作和加速培養(yǎng)一批在數(shù)學、物理、信息科學、計算機科學以及分子生物學方面均有造詣的跨學科青年人才。我們應當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,協(xié)作攻關(guān),盡快縮小我國在計算機信息學的核心技術(shù)、巨型計算機的應用以及互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)等方面與世界領(lǐng)先國家的差距,從而搶抓這一機會,實現(xiàn)我國跨越式、創(chuàng)新型發(fā)展。結(jié)語 生物信息學的產(chǎn)生和發(fā)展

18、,第一次使大量的數(shù)學模型被引入了生命科學的研究當中,標志著生物學從量變到質(zhì)變的飛躍從試驗學科向理論學科的轉(zhuǎn)變。這一新興學科從歷史走向現(xiàn)實的發(fā)展過程也充分體現(xiàn)了現(xiàn)代科學技術(shù)革命所呈現(xiàn)的科學體系結(jié)構(gòu)整體化、專業(yè)化;科學活動社會化、國際化;科學發(fā)展加速、數(shù)字化的特點,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乃至整個人類社會產(chǎn)生巨大而深遠的影響。同時,它也必將為生物、醫(yī)學和信息技術(shù)的發(fā)展帶來新的契機和新的挑戰(zhàn)。效果,并有強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)合多媒體教學的

19、特點進行教學設計。多媒體教學的特點就是信息量大,要求設計者化繁為簡,化難為易,化靜為動,把平時教師很難說清楚道明白、學生不易掌握和理解的知識真實而自然地展現(xiàn)在學生面前。安排教學內(nèi)容多而全面、計算機技術(shù)難度高的作品并不一定是好課件,而那些設計簡而優(yōu)、少而精,具有準確、簡潔和恰到好處的教學實用性的課件才能真正獲得大家的青睞。現(xiàn)實教學中,多媒體課件的設計普遍趨向?qū)⒑唵螁栴}復雜化,對復雜問題則絞盡腦汁,花樣迭出,力圖能吸引學生的眼球,可是課后學生卻幾無所獲,稀里糊涂。有些老師甚至將傳統(tǒng)教學中逐句分段分析課文的方式照搬到多媒體課件設計中,根本未能顯示多媒體教學真正的優(yōu)越性。作為多媒體課件的設計者必須明白,教學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巧妙地串聯(lián)起來。4.恰當、合理、適時地運用多媒體,強調(diào)教學效益。在一些老師心中就產(chǎn)生了一種