1、通信工程和生物學(xué)的融合 -信息技術(shù)和生命科學(xué)姓名：學(xué)號(hào)：專業(yè)：通信工程學(xué)院：信息工程學(xué)院任課老師：上課時(shí)間：2012年3月5月摘要: 生物技術(shù)是以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物（或生物組織、細(xì)胞及其他組成部分）的特性和功能，設(shè)計(jì)、構(gòu)建具有預(yù)期性能的新物質(zhì)或新品系，以及和工程原理相結(jié)合，加工生產(chǎn)產(chǎn)品或供應(yīng)服務(wù)的綜合性技術(shù)。信息技術(shù)是探討信息的獲得、傳輸和處理的技術(shù)，由計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)結(jié)合而成，即是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理，利用現(xiàn)代電子通信技術(shù)從事信息采集、存儲(chǔ)、加工、利用以及相關(guān)產(chǎn)品制造、技術(shù)開發(fā)、信息服務(wù)的新學(xué)科。生命科學(xué)中信息的傳遞和溝通和通信工程中的網(wǎng)絡(luò)通信有親密的關(guān)聯(lián)，它們同屬網(wǎng)

2、絡(luò)系統(tǒng)，具有相同性和相關(guān)性。信息技術(shù)和生物技術(shù)都是高新技術(shù)，二者在新經(jīng)濟(jì)中并非此消彼長的關(guān)系，而是相輔相成，共同推動(dòng)21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。關(guān)鍵字：生物學(xué)，生命科學(xué)，生物技術(shù)，通信應(yīng)用1.前言如今隨著科技的不斷發(fā)展，學(xué)科交叉的不斷深化，生物信息技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。生命和非生命物質(zhì)最顯著的區(qū)分在于生命是一個(gè)完整的自然的信息處理系統(tǒng)。一方面生物信息系統(tǒng)的存在使有機(jī)體得以適應(yīng)其內(nèi)外部環(huán)境的變更，維持個(gè)體的生存；另一方面信息物質(zhì)如核酸和蛋白質(zhì)信息在不同世代間傳遞維持了種族的持續(xù)。生命現(xiàn)象是信息在同一或不同時(shí)空傳遞的現(xiàn)象，生命的進(jìn)化實(shí)質(zhì)上就是信息系統(tǒng)的進(jìn)化。2.正文2.1、生物科學(xué)中的神經(jīng)學(xué)科和通信的聯(lián)系尋求

3、說明神智活動(dòng)的生物學(xué)機(jī)制,即細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)機(jī)制。神經(jīng)科學(xué)了解在發(fā)育過程中裝配起來的神經(jīng)回路是如何感受四周世界、如何實(shí)施行為的,它們又如何 從記憶中找回知覺,一旦找回之后,它們還能對(duì)知覺的記憶有所 用。神經(jīng)科學(xué)也尋求了解支持我們心情生活的生物學(xué)基礎(chǔ),心情如何使我們的思想變更顏色,以及當(dāng)心情、思想及動(dòng)作的調(diào)整發(fā)生扭曲時(shí)為什么會(huì)有抑郁、狂躁、精神分裂癥和阿爾茨海默癥等病癥。這都是些極端困難的問題,其困難程度 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何我們?cè)谄渌飳W(xué)領(lǐng)域中曾經(jīng)面對(duì)的問題。生命科學(xué)中信息的傳遞和溝通和通信工程中的網(wǎng)絡(luò)通信有親密的關(guān)聯(lián)，它們同屬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有相同性和相關(guān)性。神經(jīng)科學(xué)中神經(jīng)元之間的信息傳遞方式有

4、兩種：一種是通過電信號(hào)傳遞，另一種是通過化學(xué)物質(zhì)神經(jīng)遞質(zhì)傳遞。后一種信息傳遞方式更為常見。、細(xì)胞間的信息溝通主要有三種方式：1】通過體液的作用來完成的間接溝通.如內(nèi)分泌細(xì)胞分泌激素激素進(jìn)入體液體液運(yùn)輸靶細(xì)胞受體接受激素得到信息靶細(xì)胞作出相應(yīng)的反應(yīng).，即激素靶細(xì)胞.(比作寫信,激素就相當(dāng)于人用信來溝通)。2】相鄰細(xì)胞間干脆接觸，通過和細(xì)胞膜結(jié)合的信號(hào)分子影響其他細(xì)胞，即細(xì)胞細(xì)胞。典型例子,精子和卵細(xì)胞受精的過程.(比作人面對(duì)面溝通)。3】.相鄰細(xì)胞間形成通道使細(xì)胞相互溝通，通過攜帶信息的物質(zhì)來溝通信息。即細(xì)胞通道細(xì)胞典型的例子比如植物可以通過胞間連絲進(jìn)行溝通(比作打電話,通過電話線來溝通)。細(xì)胞

5、間的信息溝通類似于通信工程的信息溝通。、生物科學(xué)和通信中的物理學(xué)聯(lián)系：物理學(xué)處理宏觀體系的理論(如熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、耗散結(jié)構(gòu)理論、信息論等 )，使人們可以從系統(tǒng)的宏觀角度探討生物體系的物質(zhì)、能量和信息轉(zhuǎn)換的關(guān)系；物理學(xué)的微觀理論(如分子幫原子物理、量子力學(xué)、粒子物理等)，使人們可以從微觀角度探討生物大分子和分子聚集體(膜、細(xì)胞、組織等)的結(jié)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)和動(dòng)能、非淺性理論、混沌理論則為腦科學(xué)的探討供應(yīng)了理論指導(dǎo)，并預(yù)示了新的更宏大的科學(xué)革命的到來，而生物物理學(xué)的創(chuàng)立則是人類用物理學(xué)學(xué)問去揭示生命之謎的一個(gè)極其重要的里程碑，它為生命科學(xué)、生物工程呈現(xiàn)出一個(gè)無限美妙的前景。2.2、生物技術(shù)的發(fā)展須要信息

6、技術(shù)支撐信息技術(shù)為生物技術(shù)的發(fā)展供應(yīng)強(qiáng)有力的計(jì)算工具。在現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展過程中，計(jì)算機(jī)和高性能的計(jì)算技術(shù)發(fā)揮了巨大的推動(dòng)作用。如今，人們?cè)絹碓叫盐虻叵嘧R(shí)到，超級(jí)計(jì)算機(jī)在創(chuàng)建新品種的藥物、治愈疾病以及最終使我們能夠修復(fù)人類基因缺陷等方面是至關(guān)重要的，高性能計(jì)算可以為人類作出更大的貢獻(xiàn)?？蛋仉娔X公司董事會(huì)主席曾在一次演講上說道:“如今，我們很難將生物技術(shù)的進(jìn)步和高性能計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展割裂開來。事實(shí)上，很多一流的科學(xué)家都信任，高性能計(jì)算是生物和醫(yī)藥的將來。今后，越來越多的具有強(qiáng)大功能的計(jì)算機(jī)和軟件將會(huì)被用來搜集、存儲(chǔ)、分析、模擬和發(fā)布信息。信息技術(shù)還有助于加強(qiáng)生物技術(shù)領(lǐng)域的各種數(shù)據(jù)庫管理、信息傳遞、檢

7、索和資源共享等。 、生物技術(shù)發(fā)展須要特定硬件技術(shù)的支持：在生物技術(shù)領(lǐng)域引起關(guān)注的硬件是基因芯片，它的研制也特別依靠于信息技術(shù)。在顯微鏡載片或硅片等基片上把基因片段排列、固定，這就是基因芯片。把這個(gè)芯片上的基因片段和檢體的基因片段放到基因芯片讀出器（也是一種破譯裝置）上，就能快速比較和破譯檢體信息。 、生物技術(shù)發(fā)展須要特定軟件技術(shù)的支持：生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)于生物技術(shù)類軟件的需求將進(jìn)一步增加，軟件技術(shù)將成為支撐生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵力氣之一。在生物技術(shù)各領(lǐng)域中均須要相應(yīng)的專業(yè)軟件來支撐：1) 各類生物技術(shù)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建須要性能優(yōu)良、更新?lián)Q代快速的軟件技術(shù)；2) 核酸低級(jí)結(jié)構(gòu)分析、引物設(shè)計(jì)、

8、質(zhì)粒繪圖、序列分析、蛋白質(zhì)低級(jí)結(jié)構(gòu)分析、生化反應(yīng)模擬等等也須要相應(yīng)的軟件及其技術(shù)支撐；3) 加強(qiáng)生物平安管理和生物信息平安管理也離不開軟件及其技術(shù)發(fā)展的支持。2.3、生物技術(shù)為信息技術(shù)發(fā)綻開拓了新的道路生物技術(shù)推動(dòng)超級(jí)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著人類基因組安排各項(xiàng)任務(wù)的完成，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(duì)如此巨大而困難的數(shù)據(jù)，只有運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、限制誤差、加速分析過程，使得人類最終能夠從中受益。然而要完成這些過程，并非一般的計(jì)算機(jī)力所能及，而須要具有超級(jí)計(jì)算實(shí)力的計(jì)算機(jī)。因此，生物技術(shù)的發(fā)展將對(duì)信息技術(shù)提出更高的需求，從而推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。比較有勸服力的例子是，2002年

9、11月22日出版的自然雜志上，以色列科學(xué)家宣布研制出一種由dna分子和酶分子構(gòu)成的微型“生物計(jì)算機(jī)”，一萬億個(gè)這樣的計(jì)算機(jī)僅一滴水那樣大，運(yùn)算速度達(dá)到每秒10億次，精確率為99.8%。當(dāng)然像全部的新技術(shù)一樣，有的科學(xué)家表示懷疑。他們認(rèn)為，這種試管里的計(jì)算機(jī)存在致命的缺陷，因?yàn)樯磻?yīng)本身存在肯定的隨機(jī)性，這種運(yùn)算的結(jié)果可能不完全精確；而且，參和運(yùn)算的DNA分子之間的不能像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一樣通信，只能“各自為戰(zhàn)”，不足以處理一些大型計(jì)算。歐美各國及日本相繼成立了生物信息數(shù)據(jù)中心，美國有國家生物技術(shù)信息中心(ncbi)、英國有歐洲生物信息探討所(ebi)、日本有70余家制藥、生物及高技術(shù)公司組成的“生

10、物產(chǎn)業(yè)信息化共同體”等。而戈德曼-薩克斯財(cái)團(tuán)2001年的一份報(bào)告顯示，美國國際商用機(jī)器公司(ibm)、sun、康伯和摩托羅拉等公司每家已至少和生物技術(shù)公司和調(diào)研公司達(dá)成12項(xiàng)合作意向，共有140多項(xiàng)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(jì)算機(jī)模擬藥效等。生物技術(shù)將從根本上突破計(jì)算機(jī)的物理極限。目前運(yùn)用的計(jì)算機(jī)是以硅芯片為基礎(chǔ)，由于受到物理空間的限制、面臨耗能和散熱等問題，將不行避開地遭受發(fā)展極限，要取得大的突破，須要依靠于新材料的革新。2000年美國加利福尼亞高校洛杉磯分校的科學(xué)家依據(jù)生物大分子在不同狀態(tài)下可產(chǎn)生有和無信息的特性，研制出分子開關(guān)（molecular switch

11、es）。2001年世界首臺(tái)可自動(dòng)運(yùn)行的DNA計(jì)算機(jī)問世，并被評(píng)為當(dāng)年世界十大科技進(jìn)展。2002年，DNA計(jì)算機(jī)探討領(lǐng)域的先驅(qū)阿德勒曼教授利用簡(jiǎn)潔的DNA計(jì)算機(jī)，在試驗(yàn)中為一個(gè)有24個(gè)變量、100萬種可能結(jié)果的數(shù)學(xué)難題找到了答案，DNA計(jì)算機(jī)的研制邁出了重要一步。、信息技術(shù)和生命科學(xué)融合的典型例子基因芯片基因芯片指對(duì)數(shù)以千記的DNA片段同時(shí)進(jìn)行處理分析的技術(shù),諸如基因組DNA突變譜和mRNA表達(dá)譜的檢測(cè)等?；蛐酒夹g(shù)是90年頭中期以來快速發(fā)展起來的分子生物學(xué)高新技術(shù)，是各學(xué)科交叉綜合的嶄新學(xué)科。其制備須要經(jīng)過以下步驟。1】、芯片制備：目前制備芯片主要以玻璃片或硅片為載體，采納原位合成和微矩陣的

12、方法將寡核苷酸片段或cDNA作為探針按依次排列在載體上。芯片的制備除了用到微加工工藝外，還須要運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)。以便能快速、精確地將探針放置到芯片上的指定位置。2】、樣品制備:生物樣品往往是困難的生物分子混合體，除少數(shù)特別樣品外，一般不能干脆和芯片反應(yīng)，有時(shí)樣品的量很小。所以，必需將樣品進(jìn)行提取、擴(kuò)增，獲得其中的蛋白質(zhì)或DNA、RNA，然后用熒光標(biāo)記，以提高檢測(cè)的靈敏度和運(yùn)用者的平安性.3】、雜交反應(yīng):雜交反應(yīng)是熒光標(biāo)記的樣品和芯片上的探針進(jìn)行的反應(yīng)產(chǎn)生一系列信息的過程。選擇合適的反應(yīng)條件能使生物分子間反應(yīng)處于最佳狀況中，削減生物分子之間的錯(cuò)配率。4】、信號(hào)檢測(cè)和結(jié)果分析:雜交反應(yīng)后的芯片上各個(gè)

13、反應(yīng)點(diǎn)的熒光位置、熒光強(qiáng)弱經(jīng)過芯片掃描儀和相關(guān)軟件可以分析圖像，將熒光轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，即可以獲得有關(guān)生物信息?；蛐酒夹g(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)是將從樣品制備、雜交反應(yīng)到信號(hào)檢測(cè)的整個(gè)分析過程集成化以獲得微型全分析系統(tǒng)（micro total analytical system）或稱縮微芯片試驗(yàn)室（laboratory on a chip）。運(yùn)用縮微芯片試驗(yàn)室，就可以在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)以很短的時(shí)間完成從原始樣品到獲得所需分析結(jié)果的全套操作。、生物軟件1】.序列綜合分析軟件如 Vector NTI Suite 8.0，它是一個(gè)綜合性的軟件，本階段的大部分功能它都有。該軟件詳細(xì)特有良好的數(shù)據(jù)庫管理（增加、修改

14、、查找），對(duì)要操作的數(shù)據(jù)放在一個(gè)界面相同的數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一管理。軟件中的大部分分析可以通過在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行選定（數(shù)據(jù)）->分析->結(jié)果（顯示、保存和入庫）三步完成。在分析主界面，軟件可以對(duì)核酸蛋白分子進(jìn)行限制酶分析、結(jié)構(gòu)域查找等多種分析和操作，生成重組分子策略和試驗(yàn)方法，進(jìn)行限制酶片段的虛擬電泳，新建輸入各種格式的分子數(shù)據(jù)、加以注釋，輸出高質(zhì)量的圖像。Vector NTI Suite還有以下獨(dú)立的分析程序，完成相關(guān)分析。這些獨(dú)立的程序，可以通過選定->分析->結(jié)果三步調(diào)用。 l 3DMol顯示PDB格式分子的三維結(jié)構(gòu) l Align X序列相像性比較 l Align Xblo

15、cks序列局部完全相同比較 l ContigExpress將小片段拼裝成長序列 l GCGConverterGCG格式文件轉(zhuǎn)換成NTI的格式 l PubMed/Entrez Search搜尋PubMed、PDB、GenBank l Back Translation核酸->蛋白->核酸反向翻譯的工具 l Matrix Editor矩陣數(shù)據(jù)編輯 l Tools Manager連接其他程序和網(wǎng)絡(luò)連接的界面。分成Align、Analyze、Assemble、Tools四部分。2】.質(zhì)粒繪圖軟件如Plasmid Premier2.02，RedasoftVisualCloning2000。Pl

16、asmid Premier2.02是由加拿大的Premier Biosoft公司推出的用于質(zhì)粒作圖的專業(yè)軟件，主要用于進(jìn)行質(zhì)粒作圖，質(zhì)粒特征分析和質(zhì)粒設(shè)計(jì)。Redasoft Visual Cloning 2000 用來幫助生命科學(xué)家快速而輕松地繪制專業(yè)級(jí)質(zhì)量的質(zhì)粒載體圖， 主要的性能包括：快速和輕松地生成一個(gè)清楚，色調(diào)顯明的環(huán)行或線性的載體圖。自動(dòng)識(shí)別和解析序列文件。新增的web閱讀功能允許你鏈接到數(shù)據(jù)庫站點(diǎn)，并支持下載和自動(dòng)將序列文件轉(zhuǎn)換成載體圖。強(qiáng)大的限制性內(nèi)切酶分析功能和擁有將近1000種來自REBASE的限制性內(nèi)切酶。片段的刪除和插入完全模擬克隆試驗(yàn)并和其他圖形兼容。允許質(zhì)粒圖拷貝到剪

17、貼板并粘貼到其他Windows應(yīng)用程序?？梢杂胑-mail的方式傳遞載體圖。3】.三維結(jié)構(gòu)顯示軟件三維結(jié)構(gòu)顯示如 RasMol 2.7RasMol 2.7是計(jì)算化學(xué)和分子圖形學(xué)以及信息產(chǎn)業(yè)的同步高速發(fā)展的成果，使一個(gè)一般的科研工作人員，在自己的個(gè)人電腦上，就可以從Internet上的各種免費(fèi)數(shù)據(jù)庫中，下載所需視察和探討的分子坐標(biāo)文件，進(jìn)而通過RasMol 2.7以各種模式、各種角度，甚至依據(jù)自己的意愿旋轉(zhuǎn)著，視察此分子神奇的微觀三維立體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而了解化合物分子結(jié)構(gòu)和各種微觀性質(zhì)和宏觀性質(zhì)之間的定量關(guān)系。RasMol 2.7的作者是Glaxo&Wellcome公司（世界第一大制藥公司）研

18、發(fā)中心的科學(xué)家Roger Sayle。 RasMol 2.7最大的特點(diǎn)是界面簡(jiǎn)潔，基本操作簡(jiǎn)潔，運(yùn)行特別快速，對(duì)機(jī)器的要求較低，對(duì)小的有機(jī)分子和大分子，如蛋白質(zhì)、DNA或RNA, 均能適用，且顯示模式特別豐富。而且它程序短小，功能強(qiáng)大。尚無在功能上出其右者。其顯示窗口可以很簡(jiǎn)潔通過選擇相應(yīng)的菜單來顯示分子的三維結(jié)構(gòu)。用吩咐行窗口，通過輸入吩咐可以執(zhí)行和顯示困難和要求極高的三維圖形。3、結(jié)論隨著現(xiàn)代科技發(fā)展過程中，各個(gè)學(xué)科相互融合，在探討生物科學(xué)的過程中大量的應(yīng)用了電子，微電子技術(shù)。而各種計(jì)算機(jī)軟件則為試驗(yàn)視察，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和試驗(yàn)結(jié)果分析供應(yīng)了極大的反便利。信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為處理困難試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)供應(yīng)了可能，信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能夠有效推動(dòng)生命科學(xué)以及其他科學(xué)的進(jìn)步。學(xué)科之間的交叉，可以達(dá)到相互促進(jìn)和共同加速發(fā)展的作用。如今在交叉學(xué)科快速發(fā)展的時(shí)代，信息科學(xué)無疑在更多領(lǐng)域有了用武之地。信息產(chǎn)業(yè)和生物產(chǎn)業(yè)無疑都是高科技的產(chǎn)物，在生命科學(xué)的探討中，始終不能缺少計(jì)算機(jī)的工作，假如到基因組測(cè)序的探討所去看一看，大量的以超級(jí)計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)序儀，會(huì)使你誤以為到了一家信息技術(shù)公司。生物產(chǎn)業(yè)因計(jì)算機(jī)的加盟而提速，信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)也因生命科學(xué)的須要而得以發(fā)展、獲利。運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)的各種工具，來闡明和理解大量基因組探討獲得數(shù)據(jù)中所包含的生物學(xué)意義，生