计算机与生物技术

计算机在生物技术中的应用学院：食品与生物工程学院班级：生物技术06-2 班姓名：张益学学号： 200606011153计算机在生物技术中的应用进入二十一世纪以来，由于研究的深入，对知识的进一步认识和了解，许多学科 之间都有了一些交叉，尤其是一些新兴学科之间的相互交叉，广泛渗透更是对科学的 发展起了很大的促进作用，人们进一步提升对自然界的认识，对人类本身也有了进一 步的了解。今天浅谈一下计算机技术与生物技术之间的关系、计算机在生物技术中的 应用以及该综合学科的发展前景。一、生物技术与信息技术的关系 生物技术（ Biotechnology）是以生命科学为基础，利用生物（或生物 组织、细胞及其他组成部分）的特性和功能，设计、构建具有预期性能的 新物质或新品系，以及与工程原合而成，即是利用计算机进行信息处理， 利用现代电子通信技术从事信息采集、存储、加工、利用以及相关产品制 造、技术开发、信息服务的新学科。信息技术和生物技术都是高新技术， 二者在新经济中并非此消彼长的关系，而是相辅相成，共同推进21 世纪经 济的快速发展。 1. 生物技术的发展需要信息技术支撑理相结合，加工生产产品或提供 服务的综合性技术。信息技术（information science ）是研究信息的获取、 传输和处理的技术，由计算机技术、通信技术、微电子技术结 （1）信息技术为生物技术的发展提供强有力的计算工具。在现代生物 技术发展过程中，计算机与高性能的计算技术发挥了巨大的推动作用。在 赛莱拉基因研究公司、英国Sanger 中心、美国怀特海德研究院、美国国家卫生研究院和中国科学院遗传 所人类基因组中心联合绘制的人类基因组草图的发布中，美国多家研究机 构特别强调正是信息技术厂商提供的高性能计算技术使这一切成为可能。 同样，在被称为“生命科学阿波罗登月计划”的人类基因草图的诞生过程 中，康柏公司的Alpha服务器也为研究人员提供了出色的计算动力。业界 分析人士称，在这场激烈的基因解码竞赛背后隐含的是一场超级计算能力 的竞赛，同时，这次竞赛有助于大众对超级计算机的超强能力形成普遍认 知。在此之前，这些造价至少在数百万美元以上可以超高速运转的机器一 直默默无闻，他们被用于控制核反应堆、预报天气或是与世界级国际象棋 大师同台对弈。如今，人们越来越清醒地认识到，超级计算机在创造新品 种的药物、治愈疾病以及最终使我们能够修复人类基因缺陷等方面是至关 重要的，高性能计算可以为人类作出更大的贡献。 赛莱拉公司执行总裁在接受今日美国的采访时说: “将人类基因密 码以线型方式组合起来，这还是人类有史以来的第一次。”赛莱拉公司要 将 32 亿个碱基对按照正确顺序加以排列，在曾经尝试过的大规模计算中， 这次挑战是最为严峻的一次。为了完成这次历史性课题所需的数量极为庞 大的数据处理工作，赛莱拉公司动用了700 台互联的Alpha64位处理器， 运算能力达到每秒1.3万亿次浮点运算。同时，赛莱拉公司还采用了康柏 的 Storage Works系统，用以完成对一个空间为50TB 且以每年IOTB 速度 增 长 的 数 据 库 管 理 工 作 . 康 柏 电 脑 公 司 董 事 会 主 席 曾 在 一 次 演 讲 上 说 道: “如今，我们很难将生物技术的进步与高性能计算领域的发展割裂开 来。实际上，许多一流的科学家都相信，高性能计算是生物和医药的未来。 今后，越来越多的具有强大功能的计算机和软件将会被用来搜集、存储、分析、模拟和发布信息。 信息技术还有助于加强生物技术领域的各种数据库管理、信息传递、 检索和资源共享等。另一个仅次于基因排序器、在生物技术领域引起关注 的硬件是基因芯片，它的研制也非常依赖于信息技术。在显微镜载片或硅 片等基片上把基因片段排列、固定，这就是基因芯片。把这个芯片上的基 因片段和检体的基因片段放到基因芯片读出器（也是一种破译装置）上， 就能迅速比较和破译检体信息。基因排序器是从零入手破译检体的遗传信 息的装置，而基因芯片和其读出器则是与已经有的遗传信息相对照破译信 息的装置。在这个领域，美国的企业比较有名，但日本企业也在同美国企 业合作的同时，积极参与这个领域的开发。 （2）生物技术发展需要特定软件技术的支持。生物技术及其产业的发 展对于生物技术类软件的需求将进一步增加，软件技术将成为支撑生物技 术及其产业发展的关键力量之一。在生物技术各领域中均需要相应的专业 软件来支撑：1) 各类生物技术数据库的构建需要性能优良、更新换代迅速 的软件技术；2) 核酸低级结构分析、引物设计、质粒绘图、序列分析、蛋 白质低级结构分析、生化反应模拟等等也需要相应的软件及其技术支撑； 3) 加强生物安全管理与生物信息安全管理也离不开软件及其技术发展的 支持。 2. 生物技术为信息技术发展开辟了新的道路 （1）生物技术推动超级计算机产业的发展。随着人类基因组计划各项 任务的完成，有关核酸、蛋白质的序列和结构数据呈指数增长。面对如此 巨大而复杂的数据，只有运用计算机进行数据管理、控制误差、加速分析 过程，使得人类最终能够从中受益。然而要完成这些过程，并非一般的计 算机力所能及，而需要具有超级计算能力的计算机。因此，生物技术的发 展将对信息技术提出更高的需求，从而推动信息产业的发展。比较有说服 力的例子是，2002 年 11 月 22 日出版的自然杂志上，以色列科学家宣 布研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型“生物计算机”，一万亿个 这样的计算机仅一滴水那样大，运算速度达到每秒10亿次，准确率为 99.8%。 当然像所有的新技术一样，有的科学家表示怀疑。他们认为，这种试管里 的计算机存在致命的缺陷，因为生化反应本身存在一定的随机性，这种运 算的结果可能不完全精确；而且，参与运算的DNA分子之间的不能像传统 计算机一样通信，只能“各自为战”，不足以处理一些大型计算。 欧美各国及日本相继成立了生物信息数据中心，美国有国家生物技术 信息中心 (ncbi)、英国有欧洲生物信息研究所(ebi)、日本有70 余家制药、 生物及高技术公司组成的“生物产业信息化共同体”等。而戈德曼- 萨克斯 财团 2001 年的一份报告显示，美国国际商用机器公司(ibm) 、sun、康伯和 摩托罗拉等公司每家已至少与生物技术公司和调研公司达成12 项合作意 向，共有140 多项合作协议，合作内容涉及到各种技术领域，包括基因芯 片，用计算机模拟药效等。 （2）生物技术将从根本上突破计算机的物理极限。目前使用的计算机 是以硅芯片为基础，由于受到物理空间的限制、面临耗能和散热等问题， 将不可避免地遭遇发展极限，要取得大的突破，需要依赖于新材料的革新。 2000 年美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的科学家根据生物大分子在不同状 态下可产生有和无信息的特性，研制出分子开关（molecular switches）。2001 年世界首台可自动运行的DNA计算机问世，并被评为当年世界十大科 技进展。 2002 年，DNA计算机研究领域的先驱阿德勒曼教授利用简单的DNA 计算机，在实验中为一个有24 个变量、 100 万种可能结果的数学难题找到 了答案， DNA计算机的研制迈出了重要一步。 信息产业和生物产业无疑都是高科技的产物，在生命科学的研究中，始 终不能缺少计算机的工作，如果到基因组测序的研究所去看一看，大量的 以超级计算机为基础的测序仪，会使你误以为到了一家信息技术公司。生 物产业因计算机的加盟而提速，信息技术产业也因生命科学的需要而得以 发展、获利。运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，来阐明和理解 大量基因组研究获得数据中所包含的生物学意义，生物学和信息学交叉、 结合，从而形成了一个新的学科。生物信息学或信息生物学，它的进步所 带来的效益是不可估量的。美国已经出现了大批基于生物信息学的公司， 希冀在基因工程药物、生物芯片、代谢工程等领域掘出财富，生物信息学 工业潜力巨大。可以说，生物科技( 生物技术 ) 与信息科技 ( 信息技术 ) 的融 合，才是世界经济市场的未来。在深圳举行的第三届中国国际高新技术成 果交易会高新技术论坛上，中国工程院副院长侯云德院士指出，应该把生 物技术产业定位为仅次于信息产业的重点产业。他说，信息和生物技术是 关系到我国新世纪经济发展和国家命运的关键技术，并将成为我国创新产 业的经济增长点。 二、计算机在生物技术中的应用 （一） 、生物信息学与计算机技术 生物信息学（ bioinformatics）是生物学与计算机科学以及应用数学等 学科相互交叉而形成的一门新兴学科。它通过对生物学实验数据的获取、 加工、存储、检索与分析，进而达到揭示数据所蕴含的生物学意义的目的。 由于当前生物信息学发展的主要推动力来自分子生物学，生物信息学的研 究主要集中于核苷酸和氨基酸序列的存储、分类、检索和分析等方面，所 以目前生物信息学可以狭义地定义为：将计算机科学和数学应用于生物大 分子信息的获取、加工、存储、分类、检索与分析，以达到理解这些生物 大分子信息的生物学意义的交叉学科。 生物信息学是一种重要的研究开发工具。它是一门研究生物和生物相关 系统中信息内容物和信息流向的综合系统科学，只有通过生物信息学的计 算处理，我们才能从众多分散的生物学观测数据中获得对生命运行机制的 详细和系统的理解。它是今后几乎进行所有生物医药研究开发所必需的动 力机，用于序列分类、同类性检测，DNA序列中蛋白质编码区和非编码区的 分离，分子结构和功能的预测，以及进化史重建，只有基于生物信息学通 过对大量已有数据资料的分析处理所提供的理论指导和分析，我们才能选 择正确的研发方向，同样，只有选择正确的生物信息学分析方法和手段， 我们才能正确处理和评价新的观测数据并得到准确的结论。它不仅是我们 了解生命和进化所必需的，同时也是发现新药和诊断方法所必不可少的。 生物信息学在今后的无论是生物医药科研还是开发中都具有广泛而关 键的应用价值；而且，由于生物信息学是生物科学与计算科学、物理学、 化学和计算机网络技术等密切结合的交叉性学科，使其具有非常强的专业 性，这就使得专业的生物医药科研或开发机构自身难以胜任它们所必需的 生物信息学业务，残酷的市场竞争及其所带来的市场高度专业化分工的趋势，使得专业的生物医药开发机构不可能在自身内部解决对生物信息学服 务的迫切需求，学术界内的生物医药科研机构也是如此，而这种需求，仅 靠那些高度分支化和学术化的分散的生物信息学科研机构是远远不能满足 的。可见，在生命科学的新世纪，生物信息学综合服务将是一个非常重要 的也是一个极具挑战性的领域。 （二） 、生物计算机 科学家通过对生物组织体研究，发现人类可以利用遗传工程技术，仿制 出一种蛋白质分子，用来作为元件制成计算机。科学家把这种计算机叫做 生物计算机。当然，在研制生物计算机的过程中，可以预见我们将面临无 数的困难，但我们也可以看到光明的前景。同时不难看出，生物计算机的 研制，又会带来一次革命，它将会给人类带来更多的福祉，世人将以期盼 的心情，翘首以待。 在过去40 多年中 , 分子生物学的兴起和发展已将生命现象分解成大量 基因和蛋白质的组合。目前科学家正在进一步研究这些生物大分子及其组 合的功能。科学家从分子层次上发现, 生物大分子之间遵循着化学和物理规 律发生相互作用, 在相互作用过程中一些生物大分子形成了“ 生物电路 “ 。“ 生物电路 “ 具有类似计算机的信息传输和处理, 甚至逻辑运算的功能。人们 一直对计算机能否像人一样思维存在争论, 目前已经问世的各种人工智能 计算机远未达到人类的智能。但这些最新的研究表明, 能够与人类智能相媲 美的计算机完全可能问世。根据这些新发现, 一些科学家提供了“生物 “ 计算 机的设计思路。 生物科学是一门古老的科学，然而在近几十年的时间里取得了突飞猛进 的发展；随着克隆技术，DNA技术的出现与发展，生物科学更是具备了巨大 的诱惑性和神秘感。而生物与计算机的联姻，就会使人类科学取得长足的 进步。于是，当现今的人类在生活