生物信息学的过去现在和将来
摘要：生物信息学是生物技术的核心,是一门由生物、数学、物理、化学、计算机科学、信息科学等多学科交叉产生的新兴学科。本文介绍了生物信息学的概念,分析了发展生物信息学对现今科学发展的重大意义。根据生物信息学的发展特点,具体分析了生物信息学研究的内容:基因组序列的分析; 基因进化;药物设计; 基因区域预测; 基因功能预测;蛋白质结构预测。评述了生物信息学发展的现状,指出我国生物信息学发展中存在的问题, 并对我国发展生物信息学提出了一些建议。最后分析了生物信息学发展的方向, 展望了生物信息学的发展前景。
关键词：生物信息发展实际应用生产
正文：
生物信息学是生命科学、信息科学、数理科学等众多行馆学科相互交融所形成的一门新兴边缘学科，它随人类基因组计划（HGP）的实施而诞生，已旭旭发展成为当今生命科学的重大前沿领域之一。
一、生物信息学产生的背景
有人说, 基于序列的生物学时代已经到来,尽管对/ 序列生物学0这一提法可能有所争议,但是今日像潮水般涌现的序列信息却是无可争辩的事实。自从1990年美国启动人类基因组计划以来,人与模式生物基因组的测序工作进展极为迅速。迄今已完成了约40多种生物的全基因组测序工作,人基因组约3@109碱基对的测序工作也接近完成。至2000年6月26日,被誉为生命/ 阿波罗计划0的人类基因组计划,经过美、英、日、法、德和中国科学家的艰苦努力, 终于完成了工作草图, 这是人类科学史上又一个里程碑式的事件。它预示着完成人类基因组计划已经指日可待。截止日前为止,仅登录在美国GenBank数据库中的DNA序列总量已超过70亿碱基对。在人类基因组计划进行过程中所积累起来的技术和经验,使得其它生物基因组的测序工作可以完成得更为快捷。可以预计, 今后DNA序列数据的增长将更为惊人。生物学数据的积累并不仅仅表现在DNA 序列方面,与其同步的还有蛋白质的一级结构, 即氨基酸序列的增长。此外,迄今为止, 已有一万多种蛋白质的空间结构以不同的分辨率被测定。基于cDNA序列测序所建立起来的EST数据库其记录已达数百万条。在这些数据的基础上派生、整理出来的数据库已达500余个。这一切构成了一个生物学数据的海洋。可以打一个比方来说明这些数据的规模。有人估计,人类( 包括已经去世的和仍然在世的) 所说过的话的信息总量约为5唉字节( 1唉字节等于10@18字节) 。而如今生物学数据信息总量已经接近甚至超过此数量级。这种科学数据的急速和海量积累,在人类的科学研究历史中是空前的。数据并不等于信息和知识, 但却是信息和知识的源泉,关键在于如何从中挖掘它们。与正在以指数方式增长的生物学数据相比, 人类相关知识的增长(粗略地用每年所发表的生物、医学论文数来代表) 却十分缓慢。一方面是巨量的数据;另一方面是我们在医学、药物、农业和环保等方面对新知识的渴求,这些新知识将帮助人们改善其生存环境和提高其生活质
量。这就构成了一个极大的矛盾。这个矛盾就催生了一门新兴的交叉学科, 这就是生物信息学。美国人类基因组计划实施五年后的总结报告中, 对生物信息学作了以下的定义: 生物信息学是一门交叉学科, 它包含了生物信息的获取、处理、储存、分发、分析和解释等在内的所有方面,它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具, 来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义。生物信息学这一名词的出现仅仅是几年前的事情, 但是计算生物学这一名词的出现则要早得多。鉴于这两门学科之间并没有或难以界定严格的分界线,在这里统称为生物信息学。
二、生物信息学所研究的内容
目前归入生物信息学研究领域的内容大致有以下几个方面:
( 1) 各种生物数据库的建立和管理。这是一切生物信息学工作的基础, 通常要有计算机科学背景的专业人员与生物学家密切合作。
( 2) 数据库接口和检索工具的研制。必须发展
查询数据库和向库里提供数据的方便接口。这是专业人员才能胜任的工作, 通常在生物信息中心里进行。
(3) 研究新算法, 发展方便适用的程序, 是生物信息学的日常任务。
( 4) 生物信息学最重要的任务, 是从海量数据中提取新知识, 从已经积累的数据和知识出发, 预测蛋白质的结构和功能。这是常规的研究任务。
三、生物信息学在发展过程中, 形成了它独特的发展方向, 也确立了它的研究内容。具体说
来, 生物信息学要作的工作主要为:
1.基因组序列的分析
2.基因进化
3.药物设计
4.基因区域预测
5.基因功能预测
6.蛋白质结构预测
四、生物信息学发展现状
1国际发展现状
生物信息学的发展将会对生命科学带来革命性的变革。它的成果不仅对相关基础学科起巨大的推动作用, 而且还将对医药、卫生、食品、农业等产业产生巨大的
影响, 甚至引发新的产业革命。因此, 各国政府和工业界对此极为重视, 投入了大量资金。更有许多商业机构介入其中, 为生物信息学的发展注入了强大的活力。生物
信息学产生的效益是相当惊人的。
2国内发展现状
在我国, 生物信息学随着人类基因组研究的展开才刚刚起步, 但已显露出蓬勃发展
的势头。在政府的支持和科学家的呼吁下, 国家级生物医学信息学中心正在筹建之
中。北京市已经成立了北京生物工程学会生物信息学专业委员会( 即北方生物信息学研究会) , 目的在于联合北方地区从事生物信息学的专家, 加强合作, 促进学科的
发展, 并为政府决策提供参考意见。
我国生物信息学的发展也面临着许多制约因素。首先是人才问题。生物信息学是一门新兴交叉学科, 涉及生物、数学、物理、化学、计算机科学、信息科学等领
域, 从事生物信息学研究的人员应该既是生物科学的专家, 又是数学和计算机科学
的专家, 这种复合型人才目前国内还很少。而国内这方面的教育和培训体制尚未建
立, 使得我国生物信息学发展后劲不足。目前欧美各国及日本、韩国等国的高校、科研机构都纷纷开设了生物信息学课程, 作为研究生的必修课, 有的还设立了生物
