分子生物学系统生物学与转化医学之间的关系(共8页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上(一):GTL计划分析 上个世纪分子生物学的突破性成果成为生命科学的生长点,使生命科学在自然科学中的位置起了革命性的变化;蛋白质、酶、核酸等生物大分子的结构、功能和相互关系的揭示为研究生命现象的本质和活动规律奠定了理论基础。进入21世纪以后,美国能源部启动了新的战略计划“基因组到生命”(Genomes to Life,GTL)计划,为生命科学在能源和环境领域的应用奠定了基础。 1 GTL计划的背景 为期五年、资助强度为1亿美元的后基因组计划“从基因组到生命(Genomes to Life)”是由美国能源部于2002年7月正式推出,其基础是在人类基因组计划和1994年开
2、始实施的美国微生物计划。 2005年10月3日,美国能源部公布了新一期的生物研究综合计划GTL计划路线图。GTL路线图以原有的GTL研究项目为基础并将之扩展,至今已经有800多名科学家和技术专家参与该项目。 2 GTL计划的目标 GTL计划的核心目标就是在未来的十到二十年时间里,了解几千种微生物的基因组及微生物系统是如何调控生命活动的,为使用生物手段解决环境问题铺平道路。GTL路线图将扩大基因组项目的投入,帮助国家解决能源和环境难题。此项研究需要填补知识空白点,发展生物技术,并在数据挖掘、计算和存储中应用生信息学。 GTL计划的基础是准确地刻画出生命系统的所有“分子机器”,认识“分子机器”在生
3、命体中是如何协调工作的。这需要收集大量的基因组数据及其相关数据,尤其是基因组表达的数据,以及不同细胞内、不同条件下蛋白质组装和作用的数据。 GTL计划的具体目标包括:(1)鉴别“分子机器”,这些分子机器主要是蛋白质的复合物,并且执行生命系统的基本功能;(2)弄清控制“分子机器”行为的基因调控网络;(3)认识自然环境中的微生物群体;(4)发展建立和实现生物系统模型所需的计算机技术。 3 GTL计划的意义 21世纪人类面临健康、能源、环境等一系列迫切需要解决的问题,生物学的发展也许是解决这些问题的关键,基因组信息的研究则是理解生命体系的分子组成、调控机制的基础。这需要了解整个生物体系与环境相互作用
4、的方式与机制,并利用这些信息来指导后续的生物学研究。 基因组中的基因按照一定的时间和空间规律被表达成蛋白质,而蛋白质需要和其它蛋白质或者核酸相互作用,结合起来形成有机的“分子机器”。GTL计划的实施将促进生物、物理、计算科学多学科的交叉与进步,促进实验设备、软件工具、分析方法、以及科学思想上的重大突破,为多角度的全面理解生物体打下基础,并将其应用到生物与环境相互影响与作用的问题探讨中。这些都是将生物技术应用于能源和环境问题解决的基础。 这一基于人类基因组计划的新计划的实施,将以整体理解和预测人体和微生物等生物系统为内容,为环境、能源等问题的解决提供生物技术手段。 (二):GTL路线图 美国能源
5、部于2002年开始了基因组到生命计划(Genomes to Life,GTL),为人类利用生物技术手段解决能源和环境问题提供了手段。2005年10月3日,美国能源部公布了新的GTL计划路线图,为GTL的具体实施提供了指导方向。 1 GTL计划实施的关键 GTL路线图对GTL计划实施的关键进行了阐述。在此之前实施的人类基因组计划着重于基因组表达的研究,但对于细胞内、不同条件下蛋白质表达和组装的研究很少。对于这些研究内容的了解与认识是GTL计划实现一个关键环节。GTL计划实现的另一个关键环节是高性能计算,利用先进的计算工具管理和集成研究获得的数据,建立细胞的系统模型,并进行计算机模拟,在此基础上深
6、入分析,进而认识“分子机器”的工作机理。 在高性能计算的研究方面,建立基本的生物信息学算法和模拟过程的方法,确定数据标准,开发可视化工具是GTL计划的主要目标。GTL计划中的许多计算任务的计算量非常大,需要每秒万亿次浮点计算能力的超大型计算机。 2 GTL路线图的实施机构 美国能源部致力于为GTL计划的实施提供必要的科学平台,以支持科研和技术成果的应用。GTL计划将建四个前沿生物学机构,以支持相关的技术的发展、方法的研究、计算能力的提高,并设立公共科研平台。该平台的服务对象不仅包括科研团体,也包括产业界,以加速科研成果的转化或技术转移。GTL计划成功的核心是发展计算和信息技术,以克服基于基因组
7、序列的生物学功能研究上的障碍。美国能源部将构建整合的计算环境,把各种实验数据、理论、模型和新观点融入到基本的生物学机制发现和系统生物学理论和试验的发展。 美国能源部的科学办公室是GTL路线图实施的主要协调机构,致力于提供非凡的科学发现和科研工具,改变人们对能源和物质的理解,提高美国经济和能源安全水平。办公室的主要任务包括:(1)为国家面临的能源安全提供解决方案,为国家能源与经济安全提供必要的科学基础;(2)国家物理科学最主要的支持,在280多所大学、15个国家实验室和许多国际研究机构进行科研投资;(3)为国家科学事业提供最主要的科研工具,从科学共享出发,建造和运行公用的科研设备;(4)在科学领
8、域内最大限度地支持核心能力建设、理论建设以及实验和模拟,使美国保持在世界知识创新的领先地位。 GTL计划成功实施的关键要素是整合计算和技术平台,为科研和生物技术方案发展提供及时、便捷的平台。在生物学的新发展中,计算技术和生物学本身已经同等重要;因此,GTL由美国能源部科学办公室的两个部门生物与环境研究办公室和前沿科学计算研究办公室合作完成。 3 GTL路线图战略 GTL战略目标是理解生物学系统,发展研究生物学机制的计算模型,并且利用这些模型来预测生命系统的行为,最终的目标是利用微生物的生物化学过程来为一系列的创新应用服务。这需要通过有效的研究、生产、成本和质量控制、效率提高来实现。 正如人类基
9、因组计划能够刺激生物医药及生物技术工业的增长一样,GTL路线图中列出的研究也将加速新的生物工艺学的增长。与能源和环境相关的系统生物学是一项探测未知微生物世界的计划,以DNA序列编码信息为起点,目的是找到更加清洁和更加安全的生物资源、修复有毒废料,诠释微生物在全球气候变化中的作用,并发展与之相关的新兴科学。微生物可以用作驱动21世纪的综合经济力发展的工艺和新产品。 该路线图描绘了其具体的发展路径,包括新兴技术的利用、综合计算技术的发展和新研究设施的开发使用等。这些目标的实现,依赖于科学家对新型微生物的发现,对生命的起源和局限性以及对生命科学研究的新认识。微生物具有广阔地遗传性和多样性,因而它们的
10、发展意味着地球环境的繁荣,包括极端温度,化学和压力下的环境。大多数时间,微生物生活在广泛的自然环境中,形成了各种各样的生物群落。这些生物群落已经演变成综合生物化学体系,要比任何工业领域的化学工艺体系具有高地选择性,能源利用效率和更少地污染。GTL路线图将利用这些微生物,为化学工艺体系的全面提升铺平道路。 (三):GTL实施阶段 美国能源部于2002年开始了基因组到生命计划(Genomes to Life,GTL),为人类利用生物技术手段解决能源和环境问题提供了手段。2005年10月3日,美国能源部公布了新一代生物研究综合计划GTL计划路线图,为GTL的具体实现提供了指导方向。 1 GTL计划实
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- 关 键 词:
- 分子生物学 系统 生物学 转化 医学 之间 关系
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