细胞工程论文1
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生物工程论文范文生物工程论文范文生物工程论文范文第1篇在生产流程中,为了削减污染物排放、甚至零排放,可以利用生物工程技术,研制具有特殊功能的“工程菌”或“工程细胞株”,例如,在农业领域使用生物农药无毒、平安、无污染等;利用生物质能源能极大降低污染物排放;高催化效率“工程菌”加快化学反应,使生产过程能源、原料的消耗降低;综上所述,生物工程技术对于生态环境爱护意义重大。
2生物工程在环境监测的应用环境爱护工作中的一个重要环节就是监测环境污染,应用化学仪器分析以及生物监测是环境监测的重要方法。
可以利用基因工程技术改造过的微生物、指示生物、生物芯片技术、生物传感器技术、分子生物学等技术监测环境污染。
近年来,环境监测也可以通过讨论较多的有聚合酶式反应技术(PCR技术)、酶联免疫吸附技术(ELISA)、核酸探针、生物传感器、生物荧光方法等生物高新技术。
土壤、沉积物、水样等环境标本的细胞检测可以通过PCR技术完成。
水体中的BOD、酚、NO3、有机磷,以及大气中的CO2、SO2、NOx的含量及浓度分析都可以用生物传感技术测定。
今后,由于其快速、灵敏、特异性强的特性,生物工程技术将在环境监测中广泛应用。
3生物工程在废水处理中的应用需要一个由多种方法组成的多层次处理系统将废水中所含的多种污染物质处理。
预处理多为物理方法,化学方法简单产生二次污染;利用生物的新陈代谢作用,对废水中的污染物质进行转化和稳定,将废水中污染物转化为无毒、无害、稳定的物质,这种方法就是利用生物工程措施在废水净化中的应用。
固定化微生物技术。
利用基因工程技术将一些具有特异性的优势菌种不断得到改造或制造,将这些具有脱色菌、脱氮、脱磷等高效专性菌进行固定化后,菌体密度提高,这种技术应用于废水处理,有利于提高生物反应器内微生物(尤其是特别功能的微生物)的浓度,有利于微生物反抗不利环境的影响,有利于反应后的固液分别,缩短处理所需的时间。
生物反应器技术。
在活性污泥中加入固定载和流淌载体,以及好氧和厌氧固定膜的反应器,极大的增加了反应体系中的生物量和生物类群,运用发酵工程原理,使得微生物降解污染物的生物活性得到最大化的发挥。
浅谈细胞与细胞工程应用发展的历史与前景英语1203班31208084 张琦双周二下午8、9节摘要:本文主要阐述了现代细胞与细胞工程的的研究历史,以及细胞工程应用在医学、农业、转基因技术等方面的发展现状和前景。
关键字:细胞与细胞工程应用发展前景细胞是能进行独立繁殖的有膜包围的生物体的基本结构和功能单位,是生命活动的基本单位。
除了病毒之外的所有生物体都由细胞构成,而即使是病毒的生命活动也必须在细胞中实现。
因此,对于细胞的研究在生物学生无疑是极为重要的。
自从英国科学家罗伯特·胡克于1665年观察到植物细胞壁,并将其命名为cell(细胞)之后,1674年科学家雷文霍克在历史上第一次观察到活细胞。
1809年,法国科学家拉马克提出了细胞的说法。
而著名德国科学家施旺和施莱登在19世纪中期建立了细胞学说。
随着科技的不断发展,人们对细胞的认识和了解已经十分详细,进而开始追求应用已知的知识开拓新的领域,为人类造福,因此有了细胞工程。
细胞工程是运用细胞生物学和分子生物学的理论,在细胞水平上研究其遗传特性以及进行细胞和组织培养。
现代细胞工程主要分为植物细胞工程和动物细胞工程。
科学家们在这两个领域的研究已经持续了一个世纪。
1902年,德国科学家哈伯兰特发表论文提出了细胞全能性的观点。
1904年科学家进行了幼胚的立体培养,1912年美国生物学家哈里森成功培养蛙胚神经组织,并观察到细胞生长现象,从此开创了植物和动物细胞培养的先河。
W·厄尔在1940年首创单细胞克隆的培养,1977年英国生理学家利用胚胎工程技术成功培育首例试管婴儿,1997年首个克隆羊“多莉”在英国的诞生,都标志着细胞工程的技术有了里程碑式的进展。
1.植物细胞工程植物细胞工程包括植物细胞培养和植物体细胞杂交。
以植物细胞的全能性为理论基础,研究其分化的原因,即基因的选择性表达,在体外条件下进行培养和繁殖等人为操作,改变细胞的某些生物学特性,从而达到改良品种加速繁育植物个体,并获得有用物质的目的。
合成生物学及其在细胞工程和人工生命领域的应用论文素材合成生物学及其在细胞工程和人工生命领域的应用引言:合成生物学是一门集成了生物学、工程学和计算机科学等多学科知识的新兴领域。
通过设计和构建基因、细胞和生物系统,合成生物学致力于实现对生命的控制和改造。
其应用不仅可以推动细胞工程领域的发展,还有望开辟人工生命的新篇章。
一、合成生物学的核心概念和技术1.1 DNA合成技术DNA合成是合成生物学的基石,通过合成DNA序列,可以构建出特定的基因以及生物系统。
近年来,随着DNA合成技术的不断发展,合成生物学在基因工程领域发挥了重要作用。
1.2 生物部件的设计与组装在合成生物学中,生物部件是指具有特定功能或效应的基因片段。
通过合成和组装这些生物部件,研究人员可以构建出各种复杂的生物系统,实现对生命的控制和改造。
二、合成生物学在细胞工程领域的应用2.1 合成生物学在基因治疗中的应用通过合成生物学技术,可以构建基因传递系统,并将治疗性基因导入患者的细胞中,从而实现对遗传性疾病的治疗。
这为基因治疗带来了新的可能性,并为细胞工程领域的发展提供了重要支持。
2.2 合成生物学在细胞组织工程中的应用细胞组织工程是指利用生物材料和细胞等构建仿生组织,以修复人体受损组织或器官的技术。
合成生物学的技术手段为细胞组织工程提供了重要工具和思路,通过合成基因和细胞工程的结合,有望实现人工器官的制造和组织再生的目标。
三、合成生物学在人工生命领域的应用3.1合成生物学对人工细胞的设计与构建合成生物学的目标之一就是设计和构建拥有特定功能的人工细胞。
通过合成DNA序列和细胞器官的组装,研究人员可以创造出具有自主生长和繁殖能力的人工细胞,进一步推动人工生命领域的发展。
3.2合成生物学对人工DNA的合成和应用人工DNA的合成是合成生物学研究的重要方向之一,通过合成和设计人工DNA序列,可以创造出具有特定功能和性状的生物体。
这为人工生命的研究和应用提供了新的思路和方法。
生物工程的内容和意义论文生物工程是一门利用生物学、化学、工程学等多学科知识,对生物体进行改造、优化和开发的学科领域。
生物工程的研究内容涉及基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程等多个方面。
其主要意义在于促进生物技术的发展,推动社会进步和经济发展。
首先,生物工程可以应用于农业领域。
通过基因工程技术,可以对作物的基因进行改良,提高其耐逆性、抗病虫害能力以及产量和品质等方面的表现,从而实现农作物的高效产出和优质产出。
此外,生物工程还可以用于开发新型农药、育种改良和土壤修复等方面的研究,为农业生产提供支持。
其次,生物工程在药物研发和医学领域也有重要意义。
通过基因工程和细胞工程技术,可以大规模合成和表达重组蛋白质药物,如生长激素、免疫球蛋白等,为药物研发提供了新的途径和方法。
此外,生物工程还可以应用于组织工程、人工器官等领域的研究,为医学治疗和健康管理提供新的解决方案。
此外,生物工程在能源和环境领域也发挥着重要作用。
通过酶工程和微生物工程等技术手段,可以开发利用生物质能源、生物燃料等可再生能源,并减少对传统能源资源的依赖,从而实现可持续发展。
同时,生物工程还可以应用于废水处理、污染物降解和环境修复等方面的研究,为环境保护和资源循环利用提供支持。
生物工程不仅在以上领域有重要应用,还在食品工业、纺织工业等多个领域具有广泛应用。
通过生物工程技术,可以生产出具有特殊功能和性能的食品和纺织品,如功能性食品、抗菌纺织品等,为市场提供多样化和高附加值的产品。
总之,生物工程作为一门交叉学科,其内容广泛且穿越多个领域,其意义和应用广泛而深远。
通过不断推动生物工程的发展,我们将能够更好地利用生物资源,推动科技创新,提高生产效率,并为可持续发展和人类福利做出更大贡献。
动物生物技术研究中动物细胞工程的运用-生物工程论文-生物学论文——文章均为WORD文档,下载后可直接编辑使用亦可打印——摘要:随着科学技术的不断发展,我国的科学研究水平越来越高,其中细胞工程是当前生物工程领域的重要组成部分,其在制药、医疗、动物繁殖、植物育种等各领域都得到了广泛应用。
本文主要是论述了动物细胞工程在动物生物技术中的相关应用,具体包括特殊动物、单克隆抗体和细胞因子、器官和组织的生产、细胞治疗等几方面。
关键词:动物细胞工程; 动物生物技术; 应用;细胞工程是应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法,按照人们的设计蓝图进行基于细胞水平上的遗传操作,或者是大规模的细胞和组织培养。
而动物细胞工程已经成为的当前生物技术的重要任务,包括细胞融合、细胞拆合、染色体导入和基因转移这四个方面的技术应用,其对当前的生物技术发展具有十分重要的现实意义。
一、生产特殊动物(一)在牲畜养殖的优化改良上当前我国畜牧的发展速度越来越快,出于对牲畜及其相关产品品质的高质量要求,其品种的优化改良也成为当前动物生物技术重要的研究方向,而动物细胞工程中的人工受精、胚胎移植等技术在畜牧业生产中的应用逐渐普及,在生产实践中,越来越多的技术人员开始利用胚胎分割技术、显微操作技术、核移植技术、细胞融合技术、转基因技术等等多项技术的综合使用来使得动物的卵细胞得到改变,经过改造的卵细胞会比动物自然排出的卵细胞具有更优良的性能,比如在奶牛上试验可以培养出高产奶牛,在猪上试验可以培育出瘦肉型猪,为当前畜牧业的生产提供动力。
比如体外受精技术与胚胎性别控制技术的应用。
体外受精技术能使得优良母畜的繁殖潜力得到充分的发挥,并保存动物机体优质的遗传资源,尤其是在一些即将灭绝动物的拯救与保护上有着较高的效果。
目前,该项技术主要是应用在奶牛这种单胎生且能带来较大经济价值大的动物身上,通过体外受精能有效地增加奶牛数量,有利于进一步扩大畜牧业养殖规模。
胚胎性别控制技术则是用人工的方式控制繁殖出来的动物的性别,通常雄性动物生长速度快,适合供应市场肉质产,而雌性动物适用于蛋奶的供应,因此可以根据其特性进行性别控制,通过离心分离法、免疫学分离法、PCR扩增法等可以进行有效的控制,进一步提高选育强度,从而提高畜牧业的经济效益。
细胞工程工作方案一、综述细胞工程是人类对生物细胞进行改造和调控的一种途径,它涉及细胞的遗传工程、代谢工程、信号转导工程、蛋白质工程等多个方面。
其应用范围广泛,包括但不限于制药工业、生物能源与环境保护等领域。
二、研究目的本研究拟以细胞工程技术为手段,旨在解决生物能源领域中的核心问题,具体包括:1. 利用细胞工程技术提高生物能源的生产效率;2. 利用细胞工程技术解决生物能源生产过程中的废弃物处理问题;3. 利用细胞工程技术开发新型生物能源生产工艺。
三、研究内容为实现研究目的,本研究将开展以下工作:1. 研究细胞工程技术在生物能源生产中的应用潜力,包括利用代谢工程手段提高生物质降解产物的生产效率;2. 开展基因编辑技术在微生物中的应用研究,以期望实现对生物降解微生物的遗传改造;3. 筛选和改良生物能源产业链中的重要微生物菌株,提高其生产能力及稳定性;4. 探索并优化新型生物能源生产工艺,包括利用特定菌株和酶的协同作用提高生物质降解效率;5. 研究细胞工程技术在废弃物降解和生物能源生产中的综合应用。
四、研究方法1. 采用代谢工程技术对生物降解微生物进行遗传改造,提高其降解效率和选择性;2. 利用基因编辑技术(CRISPR/Cas9等)对微生物菌株进行基因的精准修饰,使其适应特定的生产环境;3. 采用系统生物学的方法和生物信息学分析工具,研究并优化微生物菌株的代谢途径;4. 通过分子生物学和生物化学手段筛选并改良具有生物降解功能的酶,并进一步构建工程菌株;5. 利用微生物发酵技术和生物反应器对新型生物能源生产工艺进行优化和扩大应用。
五、研究方案的预期成果1. 已有工程菌株代谢途径的合成和调控技术;2. 具有高效降解性能的工程微生物菌株;3. 新型生物能源生产工艺的优化方案。
六、研究预期影响本研究的成果将为生物能源领域提供新的技术支持,提高生物能源的生产效率,降低生产成本,促进可持续发展。
综上所述,本工作方案将以现代生物技术手段为基础,通过对细胞工程技术在生物能源生产中的应用研究,期望为我国生物能源产业的发展提供技术支持。
植物细胞培养生产次生代谢产物的研究进展摘要:利用植物细胞培养生产代谢产物具有十分广阔的前景。
文章就植物细胞培养生产次生代谢产物过程中各种理化条件优化以及植物细胞培养过程相关模型建立的研究进行了综述。
关键词:植物细胞培养; 条件优化; 模型植物细胞培养始于本世纪初,并不可争议地具有工业化潜力。
目前植物细胞培养生产的化合物很多,包括糖类、酚类、脂类、蛋白质、核酸以及帖类和生物碱等初生和次生代谢产物,植物细胞培养的应用主要包括以下3个方面:有用物质(次生代谢产物)的生产;植物无性系的快速繁殖和遗传突变体的筛选;植物细胞遗传、生理、生化和病毒方面的深入研究。
但是由于植物细胞大规模培养技术的局限性使得植物细胞仍难以实现大规模工业化生产,迫切需要进一步研究和发展细胞培养条件的优化控制及其工艺。
目前,世界上众多研究工作集中在优化细胞培养环境、改变细胞特性、提高目标产物的产率并保证其生产稳定性上。
1 植物细胞悬浮培养条件的优化1. 1 植物细胞培养过程中物理因素的优化控制对于植物细胞培养来说,环境中的许多物理因素对细胞的生长以及目标次生代谢产物的合成具有很大的影响。
如通过温度、光照、电场、磁场电磁辐射、机械力以及超声波等对于植物细胞培养过程都有着十分重要的作用。
植物细胞的生长、繁殖和次生代谢物的生产需要一定的温度条件,在一定的温度范围内细胞才能正常生长、繁殖和维持正常的新陈代谢,植物细胞培养的最适温度一般为25℃,但不同的植物种类略有差异,而且植物细胞生长和次生代谢产物的合成所需的温度并不一致,因此选择合理的培养温度并进行相应的调控对于细胞生长以及产物合成十分关键,H. J.G. tenHoopen等[1]曾对Catharanthus roseus细胞的培养过程、Toshiya Takeda等[2]对Strawberry细胞的培养过程分别进行温度的阶段性调控,结果都在很大程度上提高了产物的产率;培养基的pH值与细胞生长繁殖以及次生代谢产物的生产关系密切,与培养温度相似,细胞的生长繁殖与次生代谢产物合成时所需的pH 值通常并不一致,需要在不同的阶段控制不同的pH值;目前关于电场的作用机理膜周电泳学说,该学说认为对细胞施加稳定的电场能够导致膜中带电物质的重新分配,最终导致原生质体生长和分化效应。
细胞工程在食品中的应用原理1. 引言细胞工程是一种将分子生物学、生物化学和工程学相结合的技术,通过对细胞的遗传物质进行修改和调控,实现对细胞功能的改变和控制。
近年来,细胞工程在食品科学领域得到了广泛关注和应用。
本文将介绍细胞工程在食品中的应用原理,并探讨其对食品品质和营养价值的影响。
2. 细胞工程在食品领域的应用2.1 基因编辑技术基因编辑技术是细胞工程的重要组成部分,它通过改变细胞中的基因序列来实现对细胞功能的调整。
在食品领域,基因编辑技术被广泛应用于农作物改良和动物育种中。
例如,利用CRISPR-Cas9技术可以精确编辑农作物的基因组,改善其抗病性、耐逆性和产量等特性。
2.2 细胞培养技术细胞培养技术是细胞工程的另一个重要应用领域。
通过培养细胞外胚层和胚珠来获得细胞培养物,并进一步转化为食品原料。
例如,细胞培养技术可以用于生产人工肉,即通过培养肌肉细胞来制造肉制品,以减少对动物的屠宰和资源浪费。
3. 细胞工程在食品中的应用原理细胞工程在食品中的应用原理主要涉及两个方面:基因编辑和细胞培养。
3.1 基因编辑的应用原理基因编辑技术可以通过不同的方法实现细胞基因的编辑,例如CRISPR-Cas9、TALEN和ZFN等。
这些方法都能够精确地切割细胞基因组的特定区域,并替换、插入或删除目标基因。
通过基因编辑,可以改变食品中的基因表达,进而影响食品的品质和营养价值。
3.2 细胞培养的应用原理细胞培养技术主要通过培养外胚层和胚珠等细胞,获得细胞培养物,并进一步转化为食品原料。
具体来说,细胞培养涉及细胞的增殖、分化和组织结构的形成等过程。
通过合适的培养条件和营养介质,可以调控细胞的生长和功能表达,从而获得符合人体需求的食品原料。
4. 细胞工程对食品的影响细胞工程在食品中的应用可以改变食品的品质、营养价值和安全性。
4.1 品质改善细胞工程可以改变食品中的基因表达,从而影响食品的品质。
例如,通过调控果实的糖分合成基因,可以提高水果的甜度和口感;通过改变肉类细胞的脂肪合成基因,可以调整肉品的油脂含量和口感。
细胞工程技术的应用【摘要】本文先介绍细胞工程技术的定义和发展状况,然后再论述现代细胞工程技术的应用,主要包括细胞工程在植物方面和动物方面的应用,以及在能源、环境保护等领域的应用,详细列举了细胞工程的技术应用,最后展望细胞工程飞发张前景,预示了细胞工程讲得到更加广泛深入应用的必然趋势。
【关键词】细胞工程应用【Abstract】This paper first introduces the definition of cell engineering technology and the developing condition, and then discusses the application of the modern cell engineering technology, including of the application of the plant and animal , as well as in energy, environmental protection and other areas. Detailed the lists of the application of the cell engineering technology. Cell engineering sends a prospect in the future, it’s forward to finding that cell engineering will have a wider and deeper application .【Keywords】 cell engineering application细胞工程是一个非常年轻且富有活力的学科,目前它与其他生物技术结合,为世界境界发展、医疗技术的研发等注入了强大活力,产生了巨大的经济效益和社会影响,相信随着人们对生命科学认识的不断深入,细胞工程技术会得到更快的发展,为人类的繁荣进步作出更大的贡献。
细胞工程制药的研究进展细胞生物学论文-V1正文:细胞工程制药是一种新型的生物技术,该技术以生物化学、细胞生物学和分子生物学为基础,利用具有特定生物功能的人工合成的基因,将其导入细胞中,使得细胞具有生产目的蛋白质的能力。
随着生物技术的不断发展壮大,细胞工程制药已经成为目前最重要的制药方法之一。
一、细胞工程制药的原理及应用细胞工程制药的基本原理是通过对细胞进行基因工程以改变其遗传特性,使其具有产生需要的特定蛋白质的能力,通过培养、收集、提纯等一系列工艺方法获得所需要的药品。
目前,已经有多种重要的药品使用细胞工程技术得到大规模生产,如糖尿病治疗的胰岛素、疫苗、抗体和诊断试剂等。
二、细胞生物学对细胞工程制药的支持细胞工程制药在生产工艺中经常涉及到细胞培养、基因转染、转基因细胞选育、细胞分离纯化等基础细胞学技术,因此细胞生物学的研究对细胞工程制药是极其重要的。
同时,也存在着一些困难,如细胞的临床应用有一定的局限性等。
三、细胞培养技术的研究进展在细胞工程制药中,细胞培养技术起着至关重要的作用。
由于细胞培养技术的特殊性,目前正在积极开展相关研究。
例如,体外重建和构建复杂组织模型的 3D 培养技术正在逐步成熟,以便更好地模拟体内环境,控制细胞的生长和分化,提高细胞在细胞工程制药过程中的表现力。
四、基因转染治疗的研究进展基因转染是细胞工程制药中最重要的环节之一。
基因输送系统及其递送载体是基因治疗成功的关键因素之一。
在这方面涌现出了很多突破性的技术,例如病毒载体、人工与天然纳米颗粒载体等。
五、细胞生长环境的研究进展细胞工程制药的成功取决于细胞能否在高产量和高质量的情况下持续生长,因此细胞生长环境的优化研究成为了一个热点领域。
近年来,诸如细胞生长因子的研究以及新型的细胞培养技术等,为细胞生长环境的研究提供了更多的手段和可能性。
六、细胞工程制药的前景及展望随着细胞工程制药技术的不断提高以及细胞生物学基础知识的不断完善,对于未来中生物制药特别是细胞工程制药的应用和落地,人们都是充满期待的。
生物信息学在医学领域的应用前沿摘要:生物信息学是有生命科学、信息学、数学、物理、化学等学科相互交融而形成的新兴学科。
生物信息数据库几乎覆盖了生命科学的各个领域,截止至2010年,总数已达1230个。
生物信息学已不断渗透到医学领域的研究中。
生物信息学在医学领域中主要应用于医学基础研究、临床医学、药物研发和建立与医学有关的生物信息学数据库。
关键词:生物信息学;医学;基因;应用生物信息学是20世纪80年代以来随着人类基因组生命科学与信息科学以及数学、物理、化学等学科相互交融而形成的新兴学科,是当今最具发展前途的学科之一。
人类基因组计划的顺利推进产生了海量基因数据,这些数据中蕴藏着丰富的生物学内涵,如果能充分挖掘并加以利用,可能揭示出很多对人类有用的信息。
生物信息学已经成为生物学、医学、农学、遗传学、细胞生物学等学科发展的强大推动力量。
随着生物信息学研究的深入与发展,它已不断渗透到医学领域的研究中。
近年来,伴随着对基因组的研究不断深入,部分应用领域取得了令人瞩目的突破,其潜在的经济利益更是吸引了众多国家、企业及大量科研人员投入到相关研究中,生物信息学得到了迅猛的发展。
一、主要数据库数据库是生物信息学的主要内容,各种数据库几乎覆盖了生命科学的各个领域。
截止至2010年,生物信息数据库总数已达1230个。
生物信息数据可可分为一级数据库和二级数据库。
一级数据库的数据都直接来源于实验获得的原始数据,只经过简单的归类整理和注释,如Genbank数据库、SWISS-PROT数据库;二级数据库是在一级数据库、实验数据和理论分析的基础上针对特定目标衍生而来,是对生物学知识和信息的进一步整理,如人类基因组图谱库GDB。
在医学领域中常用的生物信息数据库主要有:核酸类数据库,如NCBI核苷酸序列数据库(Gen Bank )、欧洲核苷酸序列数据库(EMBL)、日本DNA数据库(DDB)等;蛋白相关数据库,如蛋白质数据库(SWISS-PROT)、蛋白质信息资源库(HR)、Entrez的蛋白三维结构数据库(MMDB)、蛋白质交互作用数据库(DIP)等;疾病相关数据库,包括综合临床数据库,如NCBI疾病基因数据库、Gene Cards 等;遗传性疾病数据库,如遗传性疾病数据库(GDB)、人类遗传性疾病数据库(Gene Dis)等;肿瘤相关数据库,如肿瘤基因组解剖工程(CGAP)等;心血管疾病相关数据库,如心血管疾病相关生物医学数据库(Cardio)、心脏疾病计划及临床决策支持系统(HDP &CDM)等;免疫性疾病数据库,如免疫功能分子数据库( HMM)、免疫缺陷资源库(IDR)等;药物相关数据库,如药物和疾病数据库(Drugs)、FDA药品评审与研究中心(CDER)等。
二、生物信息学在医学领域的应用2.1 生物信息学在医学基础研究中的应用2.1.1 新基因的发现与鉴定疾病的发生发展与特异基因的改变有关,鉴定与疾病相关的基因是科学家在积极探索的一个方向,对治疗某些疑难杂症带来新的契机。
发现新基因是当前国际上基因组研究的热点,使用生物信息学的方法是发现新基因的重要手段。
现在很多疾病的致病基因已经发现,包括癌症、肥胖、哮喘、心脑血管病等,其中与癌症相关的原癌基因约有1000个,抑癌基因约有100个。
目前发现新基因的主要方法有以下3种:①通过多序列比对从基因组DNA序列中预测新基因,其本质是把基因组中编码蛋白质的区域和非编码蛋白质的区域区分开来。
②基因的电子克隆,即以计算机和互联网为手段,通过发展新算法,对生物信息数据库中存储的表达序列标签进行修正、聚类、拼接和组装,获得完整的基因序列,以期发现新基因。
③发现单核苷酸多态性。
例如,2010年我国学者通过生物信息学EST拼接技术,RT-PCR等技术,克隆出30个人类未知功能的新基因,并通过生物信息学分析该基因NCBI: NM_145315.3,其cDNA 全长为2 262bp,有13个外显子和12个内含子组成,主要定位于人6号染色体,该基因定位于细胞质中,MTT结果显示该基因能明显抑制细胞增值。
2.1.2 蛋白质结构、功能的预测蛋白质结构的预测有演绎法和归纳法两种途径。
前者主要是从一些基本原理或假设出发来预测和研究蛋白质的结构和折叠过程,如分子力学和分子动力学。
后者主要是从观察和总结已知结构的蛋白质结构规律出发来预测未知蛋白质的结构,如同源模建和指认方法。
随着功能基因组及蛋白质组学研究技术的发展,产生了许多蛋白相关数据库及分析软件,如ExPASy。
它能根据氨基酸组成辨识蛋白质,提供氨基酸组成,蛋白质的名称、等电点和相对分子质量以及它们的估算误差,所属物种或物种种类或全部标准蛋白的氨基酸组成等信息。
对于蛋白质结构和功能,尽管可以通过实验的方法来实现,但由于目前的蛋白检测的技术水平还远跟不上涌现如潮的基因的数量,蛋白结构、功能的预测研究现状还远远不能满足实际需要。
2.2 生物信息学在临床医学中的应用诺贝尔生理学医学奖获得者利根川进指出:人类的一切疾病都与基因受损有关。
疾病发生和转归的本质是遗传信息在一定环境条件下的外在表达。
随着人类基因组计划的深入研究,当明确了人类全部基因在染色体上的位置、序列特征(包括单核苷酸多态性sin—gle—nucleotide polymorphisms,SNPs)以及他们的表达规律和产物(RNA和蛋白质)特征以后,人们就可以有效地了解各种疾病发生的分子机制,进而发展适宜的诊断和治疗手段。
基因诊断又称DNA诊断或分子诊断,通过分子生物学和分子遗传学的技术,直接检测出分子结构水平和表达水平是否异常,从而对疾病做出判断。
基因诊断常用的方法有斑点杂交法、Southern印迹法、人工合成探针的直接探测法等。
例如血友病A的基因诊断,可直接检测FⅧ基因突变,以及用间接基因诊断法对DNA 多态性标志进行连锁分析,不仅可以揭示HA的致病机制,还可用于携带者检出及产前诊断。
目前,基因诊断已在感染性疾病、遗传病、肿瘤中应用,如人乳头瘤病毒(HPV)、乙肝病毒(HBV)、结核杆菌、HIV的检测,杜氏肌营养不良症的诊断,肿瘤的诊断、残留癌细胞的识别检测。
2.3 生物信息学在药物研发中的应用传统的药物研发方法具有耗时长、成本高等缺点。
创新药物的研究具有巨大的社会效益和经济效益。
目前生物信息学已经成为生物药物研究的重要工具和手段,以基因为基础的新药开发,已成为新药开发的关键方面。
生物信息学方法可以为药物研制提供了更多的、潜在的靶标。
而人类基因组计划和蛋白组计划的实施、大量疾病相关基因及作用靶点的发现、生物信息学的兴起、为新药设计提供新的理论和思路。
寻找先导化合物是新药物研发的关键,药物作用的基础是先导化合物与靶蛋白的结合进而阻断靶蛋白的功能或改变其功能状态。
生物信息学方法在这方面的作用越来越受到重视,常用的方法有:①三维结构搜寻:又称数据库搜寻法或数据库算法,即利用计算机人工智能的模式识别技术,把三维结构数据库中的小分子数据逐一地与搜寻标准(即提问结构)进行匹配计算,寻找符合特定性质和三维结构形状的分子,从而发现合适的药物分子。
②分子对接:首先要建立大量化合物的三维结构数据库,然后依次在数据库中搜索小分子配体使其与受体的活性位点结合,并通过优化取向和构象,使得配体与受体的形状和相互作用最佳匹配。
最开始的分子对接方法是刚性的分子对接法,后来又发展为柔性的对接方法。
③三维结构生成:又称从头设计,即让计算机自动设计出与受体活性部位的几何形状和化学性质相匹配的结构新颖的药物分子。
部分药物的应用获得了丰厚的市场回报,其潜在的经济利益更使得以企业为主体的相关研究乐此不疲。
但值得注意的是,因为应用范围有限、应用时间偏短、对有关代谢作用机制仍不十分清楚等原因,这些药物的临床缺陷尚掩盖在其前所未有的治疗效果中。
因此,基因药物的发展及应用必须适应生物信息学相关研究的发展,任何超前或草率的行为,都有可能产生竟想不到的负面影响。
2.4 建立与医学有关的生物信息学数据库随着对人类疾病基因研究的深入,一些与医学有关的生物信息学数据库相继建立。
如人类遗传性疾病数据库(GeneDis)、心脏疾病计划及临床决策支持系统(HDP&CDM)、转基因/靶基因突变数据库(TBASE)、FDA药品评审与研究中心(CDER)。
如肿瘤及血液病的遗传和细胞遗传学数据库(Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology),这个数据库收集了癌症及易于进展为癌症的疾病的基因、细胞遗传学和临床特征等信息,主要服务于细胞遗传学、分子生物学、肿瘤学、血液病学和病理学的研究人员和临床医师。
由法国波瓦第尔大学( Poitiers University )、法国肿瘤细胞遗传学协会等机构创办,其中信息由研究人员在线提交并由专家审核后入库。
三、总结与展望目前,一些生物信息学工具已经应用于临床,为临床诊断、预防、治疗、临床疗效评估提供了有力的武器。
作为人类基因组计划的生物信息学分析成果,更多疾病相关基因将被发现和鉴定,同时新的药物分子靶点将被发现和确立。
生物信息学将有助于鉴定疾病易感基因、阐明疾病发生的分子机理,从而有机会发展针对疾病关键发生途径的治疗手段。
生物信息学不仅能推动医学领域未来的发展,对未来农业、食品、化妆品、环保、能源等众多领域也将产生深远的影响。
而从生物信息学的研究结果来看,其不仅具有重要的理论价值,更重要的是具有实际的应用价值,其产生的效益将是相当惊人。
我们有充分理由相信,生物信息学将在21世纪里继续得到迅速的发展,其对推动生物科学的发展、增进人类对自身的了解、增进人类对大自然的了解,所起的作用将是不可估量的。
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