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1.7 生物信息学目前发展概况
从国外近几年研究和应用情况来看,生物信息学在理论上促进了生物学(特别是分子生物学)的发展,使人类对生命本质的认识更加深刻。生物信息学改变了传统的生物学研究方法,提高了生物学实验的科学性和研究的效率,生物科学在生物信息学的推动下,将会发生一场革命。而在应用方面,生物信息学大大促进了人类基因组的研究,已成为生物工程、生物医药产业和高科技农业的巨大推动力,今后还将在功能基因组学研究和蛋白组学研究中发挥其突出的作用。生物信息学是在人类基因组计划的促进下迅速发展起来的,随着计算机技术的发展和渗透,生物信息学在人类基因组中大规模测序的自动化控制、测序结果分析处理、序列数据的计算机管理、各类遗传图谱、物理图谱的绘制、数据的网络获取和分析等方面都发挥着不可替代的功能,显示出越来越重要的作用。但是,目前生物信息学的发展已经完全超越了人类基因组计划,向功能基因组学发展,向蛋白质组学发展。
由于生物信息学对于生物学基础研究、实验研究及生物医学应用具有重大的意义,国际上的一些发达国家非常重视,纷纷成立了相应研究机构。美国、日本和欧洲的许多国家相继成立了生物信息中心,如美国的国家生物技术信息中心、国家基因组资源中心,英国的欧洲生物信息研究所,日本的国家遗传学研究所等。其中,以欧洲各国为主的欧洲分子生物网络组织是目前国际上最大的分子生物信息研究、开发、服务机构。同时由于电子信息技术的发展,如信息高速公路、国际互联网的发展,美国、日本及欧洲各国相继在Internet上建立了众多的生物信息学网络节点,提供大型数据库服务。EMBNet(European Molecular Biology Network)已经连接了22个国家节点和8个大型生物计算中心,成为最大的生物信息学网络。
由于人类基因组等计划顺利的实施,生物分子数据量呈爆炸性增长,现有生物信息数据库中的数据量迅速膨胀,数据库的复杂程度也在不断增加,如核酸序列数据库、蛋白质序列数据库、大分子结构数据库、基因组信息数据库等。同时不断涌现出新的生物信息数据库,新的数据库反映了现代生物科学研究内容的拓宽和现代生物技术的发展,如基因表达数据库。有一些新数据库则是对原有数据库加工处理以后形成的二级数据库,这些数据库为特殊的应用服务,如蛋白质结构分类数据库。目前数据库中既包括主题数据、实验结果,还有大量的辅助资料,如作者、参考文献等。大多数数据库都配置了强大的查询和搜索工具,为用户使用提供最大的方便。网络环境下的数据库集成是目前生物信息数据库发展的重要特征。
在生物分子数据处理和分析方面,目前已经开发出许多实用的生物信息学软件,例如,通用的生物信息处理软件包GCG。在国际互连网上,可以找到各种序列分析、基因识别、进化分析、结构预测等软件。
国际上生物信息学发展轰轰烈烈,2000年分子生物学智能系统国际会议ISMB-2000的成功举办,表明生物信息学已经进入一个新的阶段。参加这次会议的学者来自44国家,超过1200人。
从事生物信息学研究的除了政府和大学科研机构之外,各种专业研究机构和私有公司如雨后春笋般地涌现出来,各大生物技术公司和制药企业内部都相继成立了生物信息学研发部门。这些公司和企业都在重点从事基因组学、蛋白组学、药物基因组学或生物芯片的研究和开发工作,而这些领域的研究和应用完全依赖于生物信息学。目前,美国政府支持新药研究的投资基金总量已经超过了政府对生物学研究的总投入,而其中相当一部分是用于生物信息学和基因组学研究的。
与此同时,国际生物信息学产业和市场逐步形成。法国的一个研究小组对生物信息学市场进行了调查,结果表明,生物信息学市场正在不断扩大,IT行业的公司正逐步进入该领域。新的生物信息学公司发展速度很快,1992年以前只有两家,1992年以后生物信息学公司的数量平均以14%的速度递增。目前生物信息学公司大都在美国。有些公司提供数据处理、解释和可视化软件包,这方面的市场虽然已经建立起来了,但是规模比较小,用户的需求变化较大。有些公司提供生物信息学网络计算服务平台,客户数量估计有几十万。另一类公司致力于建立生物数据和专家知识集成数据库系统和技术平台,提供给制药业,这类公司往往实力雄厚。近几年,生物信息学产业出现新的局面,一些国际上规模比较大的IT企业进入生物信息学领域,展开了激烈的竞争,如IBM、Motorola、HP、Compaq、SGI、Linux、 Hitachi等。这些IT行业的巨头不仅想占据生物信息学领域中计算机和网络的硬件市场,而且还想争取生物信息学技术、软件市场。据专家估计,到2004年,生物信息学产品市场将达到115亿美元的规模。
由于对生物信息学的需求是如此迅猛,即使是像美国这样的发达国家也面临着生物信息学人才供不应求的局面。1999年,美国国家卫生研究院(NIH)的专家委员会一致建议,迅速在大学和研究机构中建立20个生物计算中心,给予每个中心每年800万美元的支持,从事有关研究和人才培养,该建议可能在2001年开始实施。英国鉴于国内对生物信息学专业人才日益迫切的需求,所有主要的研究资助机构已经达成共识,认为应该高度优先地满足对生物信息学技术的需求,实现对生物信息学人才培养的大力资助。
人类基因组计划最初是由美国能源部首先发起的,最近,美国能源部又提出一个新的战略计划—“基因组到生命”计划(Genomes to Life),该计划旨在认识基因组是如何转化为生命的。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合作,结合起来形成有机的“分子机器”。生物学家面临着巨大的挑战,他们必须刻画出生命系统的所有分子机器,认识分子机器在生命体中是如何协调工作的。“基因组到生命” 计划有四个目标:(1)鉴别分子机器,这些分子机器是蛋白质的复合物,执行生命系统的基本功能;(2)刻画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)发展为建立和实现生物系统模型所需的计算机技术。为了达到上述目标,必须大量收集关于基因组的数据,尤其是基因组表达的数据,收集在不同细胞内、不同条件下蛋白质表达和组装的数据。基因组计划产生的数据仅仅是我们所需要数据的一部分,对于其它数据目前还缺乏有效的采集手段。因此,获取这些数据是“基因组到生命”的一个关键环节。另一个关键是高性能计算,利用先进的计算工具管理和集成数据,建立细胞的系统模型,并进行计算机模拟,在此基础上深入分析,进而认识分子机器的工作机理。在高性能计算方面,研究基本的生物信息学算法和模拟过程的方法,建立数据标准,开发可视化工具。“基因组到生命” 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。
我国的生物信息学工作是逐步地发展起来的。20世纪80年代初仅在个别研究单位开展一些计算分子生物学的工作,如核酸序列统计分析、生物大分子二级结构预测、分子动力学等。我国虽然早在1993年就在中国人类基因组计划中列入了生物信息学的相关研究内容,但真正开始发展是在1995—1996年。目前我国生物信息数据源和分析软件多半来自于国外,依靠国外生物信息中心建立中国数据镜像中心,中国生物信息学的基础力量还比较薄弱。由于技术、人才、资金等多方面的原因,其研究水平与国际同行尚有较大差距。我国尚处于引进国外已有数据库,为国内研究人员提供服务的阶段。
1997年专门召开了香山会议,专题讨论我国生物信息学的发展。1999年4月,国家自然科学委员会生命科学部、信息科学部、数理科学部、材料科学部在北京召开“生命科学中的信息科学问题”论坛。研讨主题主要集中在微观尺度上的基因组和蛋白质组信息学和宏观尺度上的信息生态学和信息农学。关于基因组和蛋白质组信息学当前的研究任务,会议一致认为应该建立国家生物医学数据库与服务系统,同时开展基因组及功能基因组信息分析工作,发现新基因和新SNPs(single nucleotide polymorphisms,单核苷酸多态性)以及各种功能位点,发展大规模基因表达谱分析算法,研究基因表达调控网络,进行核酸、蛋白质空间结构的预测和模拟,研究蛋白质功能预测方法,开展遗传密码起源和生物进化的研究,建立生物信息学的新理论、新方法、新技术和新软件。
近几年来,国内对生物信息学研究和应用越来越重视。北京大学于1997年3月成立了生物信息学中心,中科院上海生命科学研究院也于2000年3月成立了生物信息学中心,分别维护着国内两个专业水平相对较高的生物信息学网站。在一些著名院士和教授的带领下,我国的生物信息研究和应用在一些领域取得了一定成绩,有的在国际上还占有一席之地。
我国在基因组信息的收集与发布方面开展了一些工作,如北京大学生物信息中心建立的生物信息学服务器和EMBL数据库的中国节点,已经成为国内最重要的生物信息学资源,为我国及世界各地科学家提供生物信息查询、软件工具使用、文献查阅等多种服务。我国在生物信息学领域取得了一些比较好的研究成果,特别是在基因预测算法、基因组信息分析、蛋白质分子设计、分子动力学等方面。
从国内生物信息学研究与应用整体情况来看,仍然与国际先进水平有较大的差距。中国承担并顺利完成了人类基因组计划1%的测序任务,测序技术取得了很大的进展,但是在生物信息分析方面、在基因功能分析等方面的工作还没有及时跟上。国内生物医学研究与开发对生物信息学的需求市场非常广阔,然而真正开展生物信息学研究和服务的机构或公司却相对较少,仅有的几家科研机构主要开展生物信息学理论研究。与国际上发达国家相比,在人力和财力投入上明显不足。目前,我国基因组和蛋白质组研究在国际上已经占据了重要的地位,在生物信息学研究和应用方面,相信经过我国科学家的努力,经过多学科专家的合作,完全有可能赶上甚至超过世界先进水平。
生物信息学人才培养是当务之急。生物信息学是一个交叉学科研究领域,这对生物信息学研究人员在知识结构上提出了非常高的要求,特别是对于来自于数学或计算机专业的研究人员,不仅要掌握生物学的基础知识,还要求深入了解生物学中相关的问题。显然,这样的人才不是单一学科能够培养出来的,要求跨学科地培养生物学和信息科学的复合型人才。高等院校具有多学科交叉的优势,是培养这类人才的主要场所。我们一方面要培养生物学与信息科学高水平的复合型人才,另一方面,需要加强对现有从事生物研究的科技人员进行生物信息学的培训。目前,中国科学院和国内一些著名大学已经开始较大规模地培养生物信息学专业人才,这为我国今后生物信息学的发展奠定了良好的基础。
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