Nat,Biotechnol：新型DNA圖譜工具或幫助科學(xué)家更好理解基因調(diào)節(jié)機(jī)制

Nat,Biotechnol：新型DNA圖譜工具或幫助科學(xué)家更好理解基因調(diào)節(jié)機(jī)制

2016年10月14日訊 來自加州大學(xué)洛杉磯分校等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家近日通過研究設(shè)計了一種強(qiáng)大的新型工具，其或能夠幫助理解細(xì)胞中DNA控制基因活性的分子機(jī)制，該工具還可以使得研究者在高分辨率下對大片細(xì)胞的基因組圖譜進(jìn)行繪制，基因組中的DNA核苷酸能夠調(diào)節(jié)基因的活性，相關(guān)研究刊登于國際雜志Nature Biotechnology上。

研究者Jason Ernst說道，這是首個方法幫助我們同時檢測數(shù)千個人類DNA調(diào)節(jié)區(qū)域如何關(guān)閉或開啟基因的表達(dá)，同時還可以在高分辨率下幫助繪制激活或抑制基因表達(dá)的元件的圖譜。文章中，研究者將這種新型工具應(yīng)用到了超過1.5萬個DNA片段上，在兩種人類細(xì)胞類型中，這些DNA片段被預(yù)測含有多種調(diào)節(jié)性控制元件，研究者發(fā)現(xiàn)，平均活性較高的DNA序列中的重復(fù)較短模式或許此前并未被描述過，同時較高活性的調(diào)控元件或許是那些被認(rèn)為是古老逆轉(zhuǎn)錄病毒殘留下來的DNA片段。

來自MIT的科學(xué)家Manolis Kellis教授說道，關(guān)于人類的DNA我們還有很多需要理解的，而且A、T、C、G核苷酸到底意味著什么我們也并不清楚；本文中所開發(fā)的新工具或許就能夠闡明調(diào)節(jié)性元件中的重要核苷酸，為我們理解基因組的復(fù)雜語言或?qū)⑻峁┖芏嗨悸?。?dāng)我們生病或者健康時，闡明DNA調(diào)節(jié)基因的機(jī)制就能夠幫助科學(xué)家理解細(xì)胞和器官的工作機(jī)制，目前很多疾病的發(fā)病機(jī)制我們并不清楚，而且也并沒有什么特效的療法，如果科學(xué)家們闡明調(diào)節(jié)基因的DNA區(qū)域或許就能夠找到解決之策。

在實(shí)驗自動化和先進(jìn)算法的幫助下，科學(xué)家們就能夠?qū)碜匀祟惢蚪M中可疑的基因調(diào)節(jié)區(qū)域中數(shù)千個DNA片段進(jìn)行分析檢測，來判定其增強(qiáng)或者抑制特殊報道基因的活性；不同于此前的研究方法，文章中研究者檢測了DNA的重疊部分，從而就能夠更加清楚地發(fā)現(xiàn)相鄰序列間的微小差異，同時還能夠在高分辨率下對揭示調(diào)節(jié)性核苷酸被激活或抑制的機(jī)制。

最后研究者指出，這項研究或?qū)⒓铀傥覀兊难芯縼韺φ{(diào)節(jié)性DNA元件進(jìn)行繪制和特性分析，從而為更好地理解基因被調(diào)節(jié)的機(jī)制，以及闡明調(diào)節(jié)性DNA中突變或核苷酸的變異引發(fā)疾病的相關(guān)機(jī)制。

繼續(xù)一篇關(guān)于蛋白質(zhì)組學(xué)的論文

字?jǐn)?shù)可能有點(diǎn)超,你自己截取吧~~

分子生物學(xué)(molecular biology)
在分子水平上研究生命現(xiàn)象的科學(xué)。研究生物大分子(核酸、蛋白質(zhì))的結(jié) 構(gòu)、功能和生物合成等方面來闡明各種生命現(xiàn)象的本質(zhì)。研究內(nèi)容包括各種生命過程如光合作用、發(fā)育的分子機(jī)制、神經(jīng)活動的機(jī)理、癌的發(fā)生等。
從分子水平研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能從而闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)的科學(xué)。自20世紀(jì)50年代以來，分子生物學(xué)是生物學(xué)的前沿與生長點(diǎn)，其主要研究領(lǐng)域包括蛋白質(zhì)體系、蛋白質(zhì)-核酸體系 (中心是分子遺傳學(xué))和蛋白質(zhì)-脂質(zhì)體系（即生物膜）。
生物大分子，特別是蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)功能的研究，是分子生物學(xué)的基礎(chǔ)。現(xiàn)代化學(xué)和物理學(xué)理論、技術(shù)和方法的應(yīng)用推動了生物大分子結(jié)構(gòu)功能的研究，從而出現(xiàn)了近30年來分子生物學(xué)的蓬勃發(fā)展。分子生物學(xué)和生物化學(xué)及生物物理學(xué)關(guān)系十分密切，它們之間的主要區(qū)別在于：①生物化學(xué)和生物物理學(xué)是用化學(xué)的和物理學(xué)的方法研究在分子水平，細(xì)胞水平，整體水平乃至群體水平等不同層次上的生物學(xué)問題。而分子生物學(xué)則著重在分子（包括多分子體系）水平上研究生命活動的普遍規(guī)律；②在分子水平上，分子生物學(xué)著重研究的是大分子，主要是蛋白質(zhì)，核酸，脂質(zhì)體系以及部分多糖及其復(fù)合體系。而一些小分子物質(zhì)在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化則屬生物化學(xué)的范圍；③分子生物學(xué)研究的主要目的是在分子水平上闡明整個生物界所共同具有的基本特征，即生命現(xiàn)象的本質(zhì)；而研究某一特定生物體或某一種生物體內(nèi)的某一特定器官的物理、化學(xué)現(xiàn)象或變化，則屬于生物物理學(xué)或生物化學(xué)的范疇。
發(fā)展簡史 結(jié)構(gòu)分析和遺傳物質(zhì)的研究在分子生物學(xué)的發(fā)展中作出了重要的貢獻(xiàn)。結(jié)構(gòu)分析的中心內(nèi)容是通過闡明生物分子的三維結(jié)構(gòu)來解釋細(xì)胞的生理功能。1912年英國 W.H.布喇格和W.L.布喇格建立了X射線晶體學(xué)，成功地測定了一些相當(dāng)復(fù)雜的分子以及蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。以后布喇格的學(xué)生W.T.阿斯特伯里和J.D.貝爾納又分別對毛發(fā)、肌肉等纖維蛋白以及胃蛋白酶、煙草花葉病毒等進(jìn)行了初步的結(jié)構(gòu)分析。他們的工作為后來生物大分子結(jié)晶學(xué)的形成和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。50年代是分子生物學(xué)作為一門獨(dú)立的分支學(xué)科脫穎而出并迅速發(fā)展的年代。首先是在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析方面，1951年L.C.波林等提出了 α-螺旋結(jié)構(gòu)，描述了蛋白質(zhì)分子中肽鏈的一種構(gòu)象。1955年F.桑格完成了胰島素的氨基酸序列的測定。接著 J.C.肯德魯和M.F.佩魯茨在X射線分析中應(yīng)用重原子同晶置換技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)分別于1957和1959年闡明了鯨肌紅蛋白和馬血紅蛋白的立體結(jié)構(gòu)。1965年中國科學(xué)家合成了有生物活性的胰島素，首先實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的人工合成。
另一方面，M.德爾布呂克小組從1938年起選擇噬菌體為對象開始探索基因之謎。噬菌體感染寄主后半小時內(nèi)就復(fù)制出幾百個同樣的子代噬菌體顆粒，因此是研究生物體自我復(fù)制的理想材料。1940年G.W.比德爾和E.L.塔特姆提出了“一個基因，一個酶”的假設(shè)，即基因的功能在于決定酶的結(jié)構(gòu)，且一個基因僅決定一個酶的結(jié)構(gòu)。但在當(dāng)時基因的本質(zhì)并不清楚。1944年O.T.埃弗里等研究細(xì)菌中的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，證明了DNA是遺傳物質(zhì)。1953年J.D.沃森和F.H.C.克里克提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了分子生物學(xué)的新紀(jì)元。在此基礎(chǔ)上提出的中心法則，描述了遺傳信息從基因到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的流動。遺傳密碼的闡明則揭示了生物體內(nèi)遺傳信息的貯存方式。1961年F.雅各布和J.莫諾提出了操縱子的概念，解釋了原核基因表達(dá)的調(diào)控。到20世紀(jì)60年代中期，關(guān)于DNA自我復(fù)制和轉(zhuǎn)錄生成RNA的一般性質(zhì)已基本清楚，基因的奧秘也隨之而開始解開了。
僅僅30年左右的時間，分子生物學(xué)經(jīng)歷了從大膽的科學(xué)假說，到經(jīng)過大量的實(shí)驗研究，從而建立了本學(xué)科的理論基礎(chǔ)。進(jìn)入70年代，由于重組DNA研究的突破，基因工程已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中開花結(jié)果，根據(jù)人的意愿改造蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)工程也已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。
基本內(nèi)容 蛋白質(zhì)體系 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位是α-氨基酸。常見的氨基酸共20種。它們以不同的順序排列可以為生命世界提供天文數(shù)字的各種各樣的蛋白質(zhì)。
蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的組織形式可分為 4個主要的層次。一級結(jié)構(gòu)，也叫化學(xué)結(jié)構(gòu)，是分子中氨基酸的排列順序。首尾相連的氨基酸通過氨基與羧基的縮合形成鏈狀結(jié)構(gòu)，稱為肽鏈。肽鏈主鏈原子的局部空間排列為二級結(jié)構(gòu)。二級結(jié)構(gòu)在空間的各種盤繞和卷曲為三級結(jié)構(gòu)。有些蛋白質(zhì)分子是由相同的或不同的亞單位組裝成的，亞單位間的相互關(guān)系叫四級結(jié)構(gòu)。
蛋白質(zhì)的特殊性質(zhì)和生理功能與其分子的特定結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，這是形形色色的蛋白質(zhì)所以能表現(xiàn)出豐富多彩的生命活動的分子基礎(chǔ)。研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是分子生物學(xué)研究的一個重要內(nèi)容。
隨著結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已有幾千個蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和幾百個蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)得到了闡明。70年代末以來，采用測定互補(bǔ)DNA順序反推蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的方法，不僅提高了分析效率，而且使一些氨基酸序列分析條件不易得到滿足的蛋白質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)分析得以實(shí)現(xiàn)。
發(fā)現(xiàn)和鑒定具有新功能的蛋白質(zhì)，仍是蛋白質(zhì)研究的內(nèi)容。例如與基因調(diào)控和高級神經(jīng)活動有關(guān)的蛋白質(zhì)的研究現(xiàn)在很受重視。
蛋白質(zhì)－核酸體系 生物體的遺傳特征主要由核酸決定。絕大多數(shù)生物的基因都由 DNA構(gòu)成。簡單的病毒，如λ噬菌體的基因組是由 46000個核苷酸按一定順序組成的一條雙股DNA（由于是雙股DNA，通常以堿基對計算其長度）。細(xì)菌，如大腸桿菌的基因組，含4×106堿基對。人體細(xì)胞染色體上所含DNA為3×109堿基對。
遺傳信息要在子代的生命活動中表現(xiàn)出來，需要通過復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯。復(fù)制是以親代 DNA為模板合成子代 DNA分子。轉(zhuǎn)錄是根據(jù)DNA的核苷酸序列決定一類RNA分子中的核苷酸序列；后者又進(jìn)一步?jīng)Q定蛋白質(zhì)分子中氨基酸的序列，就是轉(zhuǎn)譯。因為這一類RNA起著信息傳遞作用，故稱信使核糖核酸(mRNA)。由于構(gòu)成RNA的核苷酸是4種，而蛋白質(zhì)中卻有20種氨基酸，它們的對應(yīng)關(guān)系是由mRNA分子中以一定順序相連的 3個核苷酸來決定一種氨基酸，這就是三聯(lián)體遺傳密碼。
基因在表達(dá)其性狀的過程中貫串著核酸與核酸、核酸與蛋白質(zhì)的相互作用。DNA復(fù)制時，雙股螺旋在解旋酶的作用下被拆開，然后DNA聚合酶以親代DNA鏈為模板，復(fù)制出子代 DNA鏈。轉(zhuǎn)錄是在 RNA聚合酶的催化下完成的。轉(zhuǎn)譯的場所核糖核蛋白體是核酸和蛋白質(zhì)的復(fù)合體，根據(jù)mRNA的編碼，在酶的催化下，把氨基酸連接成完整的肽鏈。基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制也是通過生物大分子的相互作用而實(shí)現(xiàn)的。如大腸桿菌乳糖操縱子上的操縱基因通過與阻遏蛋白的相互作用控制基因的開關(guān)。真核細(xì)胞染色質(zhì)所含的非組蛋白在轉(zhuǎn)錄的調(diào)控中具有特殊作用。正常情況下，真核細(xì)胞中僅2～15％基因被表達(dá)。這種選擇性的轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)譯是細(xì)胞分化的基礎(chǔ)。
蛋白質(zhì)－脂質(zhì)體系 生物體內(nèi)普遍存在的膜結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為生物膜。它包括細(xì)胞外周膜和細(xì)胞內(nèi)具有各種特定功能的細(xì)胞器膜。從化學(xué)組成看，生物膜是由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)通過非共價鍵構(gòu)成的體系。很多膜還含少量糖類，以糖蛋白或糖脂形式存在。
1972年提出的流動鑲嵌模型概括了生物膜的基本特征：其基本骨架是脂雙層結(jié)構(gòu)。膜蛋白分為表在蛋白質(zhì)和嵌入蛋白質(zhì)。膜脂和膜蛋白均處于不停的運(yùn)動狀態(tài)。
生物膜在結(jié)構(gòu)與功能上都具有兩側(cè)不對稱性。以物質(zhì)傳送為例，某些物質(zhì)能以很高速度通過膜，另一些則不能。象海帶能從海水中把碘濃縮 3萬倍。生物膜的選擇性通透使細(xì)胞內(nèi)pH和離子組成相對穩(wěn)定，保持了產(chǎn)生神經(jīng)、肌肉興奮所必需的離子梯度，保證了細(xì)胞濃縮營養(yǎng)物和排除廢物的功能。
生物體的能量轉(zhuǎn)換主要在膜上進(jìn)行。生物體取得能量的方式，或是像植物那樣利用太陽能在葉綠體膜上進(jìn)行光合磷酸化反應(yīng)；或是像動物那樣利用食物在線粒體膜上進(jìn)行氧化磷酸化反應(yīng)。這二者能量來源雖不同，但基本過程非常相似，最后都合成腺苷三磷酸。對于這兩種能量轉(zhuǎn)換的機(jī)制，P.米切爾提出的化學(xué)滲透學(xué)說得到了越來越多的證據(jù)。生物體利用食物氧化所釋放能量的效率可達(dá)70％左右，而從煤或石油的燃燒獲取能量的效率通常為20～40％，所以生物力能學(xué)的研究很受重視。對生物膜能量轉(zhuǎn)換的深入了解和模擬將會對人類更有效地利用能量作出貢獻(xiàn)。
生物膜的另一重要功能是細(xì)胞間或細(xì)胞膜內(nèi)外的信息傳遞。在細(xì)胞表面，廣泛地存在著一類稱為受體的蛋白質(zhì)。激素和藥物的作用都需通過與受體分子的特異性結(jié)合而實(shí)現(xiàn)。癌變細(xì)胞表面受體物質(zhì)的分布有明顯變化。細(xì)胞膜的表面性質(zhì)還對細(xì)胞分裂繁殖有重要的調(diào)節(jié)作用。
對細(xì)胞表面性質(zhì)的研究帶動了糖類的研究。糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂等生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的研究越來越受到重視。從發(fā)展趨勢看，寡糖與蛋白質(zhì)或脂質(zhì)形成的體系將成為分子生物學(xué)研究的一個新的重要的領(lǐng)域。
理論意義和應(yīng)用 分子生物學(xué)的成就說明：生命活動的根本規(guī)律在形形色色的生物體中都是統(tǒng)一的。例如，不論在何種生物體中，都由同樣的氨基酸和核苷酸分別組成其蛋白質(zhì)和核酸。遺傳物質(zhì)，除某些病毒外，都是DNA，并且在所有的細(xì)胞中都以同樣的生化機(jī)制進(jìn)行復(fù)制。分子遺傳學(xué)的中心法則和遺傳密碼，除個別例外，在絕大多數(shù)情況下也都是通用的。
物理學(xué)的成就證明，一切物質(zhì)的原子都由為數(shù)不多的基本粒子根據(jù)相同的規(guī)律所組成，說明了物質(zhì)世界結(jié)構(gòu)上的高度一致，揭示了物質(zhì)世界的本質(zhì)，從而帶動了整個物理學(xué)科的發(fā)展。分子生物學(xué)則在分子水平上揭示了生命世界的基本結(jié)構(gòu)和生命活動的根本規(guī)律的高度一致，揭示了生命現(xiàn)象的本質(zhì)。和過去基本粒子的研究帶動物理學(xué)的發(fā)展一樣，分子生物學(xué)的概念和觀點(diǎn)也已經(jīng)滲入到基礎(chǔ)和應(yīng)用生物學(xué)的每一個分支領(lǐng)域，帶動了整個生物學(xué)的發(fā)展，使之提高到一個嶄新的水平。
過去生物進(jìn)化的研究，主要依靠對不同種屬間形態(tài)和解剖方面的比較來決定親緣關(guān)系。隨著蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)測定方法的進(jìn)展，比較不同種屬的蛋白質(zhì)或核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)，即可根據(jù)差異的程度，來斷定它們的親緣關(guān)系。由此得出的系統(tǒng)進(jìn)化樹，與用經(jīng)典方法得到的是基本符合的。采用分子生物學(xué)的方法研究分類與進(jìn)化有特別的優(yōu)越性。首先，構(gòu)成生物體的基本生物大分子的結(jié)構(gòu)反映了生命活動中更為本質(zhì)的方面。其次，根據(jù)結(jié)構(gòu)上的差異程度可以對親緣關(guān)系給出一個定量的，因而也是更準(zhǔn)確的概念。第三，對于形態(tài)結(jié)構(gòu)非常簡單的微生物的進(jìn)化，則只有用這種方法才能得到可靠結(jié)果。
高等動物的高級神經(jīng)活動是極其復(fù)雜的生命現(xiàn)象，過去多是在細(xì)胞乃至整體水平上研究，近年來深入到分子水平研究的結(jié)果充分說明高級神經(jīng)活動也同樣是以生物大分子的活動為基礎(chǔ)的。例如，在高等動物學(xué)習(xí)與記憶的過程中，大腦中RNA和蛋白質(zhì)的組成發(fā)生明顯的變化，并且一些影響生物體合成蛋白質(zhì)的藥物也顯著地影響學(xué)習(xí)與記憶的能力。又如，“生物鐘”是一種熟知的生物現(xiàn)象。用雞進(jìn)行的實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，有一種重要的神經(jīng)傳遞介質(zhì)（5-羥色胺）和一種激素（褪黑激素）以及控制它們變化的一種酶，在雞腦中的含量呈24小時的周期性變化。正是這種變化構(gòu)成了雞的“生物鐘”的物質(zhì)基礎(chǔ)。
在應(yīng)用方面，生物膜能量轉(zhuǎn)換原理的闡明，將有助于解決全球性的能源問題。了解酶的催化原理就能更有針對性地進(jìn)行酶的人工模擬，設(shè)計出化學(xué)工業(yè)上廣泛使用的新催化劑，從而給化學(xué)工業(yè)帶來一場革命。
分子生物學(xué)在生物工程技術(shù)中也起了巨大的作用，1973年重組DNA技術(shù)的成功，為基因工程的發(fā)展鋪平了道路。80年代以來，已經(jīng)采用基因工程技術(shù)，把高等動物的一些基因引入單細(xì)胞生物，用發(fā)酵方法生產(chǎn)干擾素、多種多肽激素和疫苗等?；蚬こ痰倪M(jìn)一步發(fā)展將為定向培育動、植物和微生物良種以及有效地控制和治療一些人類遺傳性疾病提供根本性的解決途徑。
從基因調(diào)控的角度研究細(xì)胞癌變也已經(jīng)取得不少進(jìn)展。分子生物學(xué)將為人類最終征服癌癥做出重要的貢獻(xiàn)。
[編輯本段]分子生物學(xué)的應(yīng)用
1，親子鑒定
近幾年來，人類基因組研究的進(jìn)展日新月異，而分子生物學(xué)技術(shù)也不斷完善，隨著基因組研究向各學(xué)科的不斷滲透，這些學(xué)科的進(jìn)展達(dá)到了前所未有的高度。在法醫(yī)學(xué)上，STR位點(diǎn)和單核苷酸（SNP）位點(diǎn)檢測分別是第二代、第三代DNA分析技術(shù)的核心，是繼RFLPs（限制性片段長度多態(tài)性）VNTRs（可變數(shù)量串聯(lián)重復(fù)序列多態(tài)性）研究而發(fā)展起來的檢測技術(shù)。作為最前沿的刑事生物技術(shù)，DNA分析為法醫(yī)物證檢驗提供了科學(xué)、可靠和快捷的手段，使物證鑒定從個體排除過渡到了可以作同一認(rèn)定的水平，DNA檢驗?zāi)苤苯诱J(rèn)定犯罪、為兇殺案、強(qiáng)奸殺人案、碎尸案、強(qiáng)奸致孕案等重大疑難案件的偵破提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。隨著DNA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，DNA標(biāo)志系統(tǒng)的檢測將成為破案的重要手段和途徑。此方法作為親子鑒定已經(jīng)是非常成熟的，也是國際上公認(rèn)的最好的一種方法。
參考資料：http://baike.baidu.com/view/2461.htm

蛋白質(zhì)質(zhì)譜分析研究進(jìn)展

摘 要： 隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，運(yùn)用質(zhì)譜法進(jìn)行蛋白質(zhì)的分析日益增多，本文簡要綜述了肽和蛋白質(zhì)等生物大分子質(zhì)譜分析的特點(diǎn)、方法及蛋白質(zhì)質(zhì)譜分析的原理、方式和應(yīng)用，并對其發(fā)展前景作出展望。

關(guān)鍵詞： 蛋白質(zhì)，質(zhì)譜分析，應(yīng)用

前言：
蛋白質(zhì)是生物體中含量最高，功能最重要的生物大分子，存在于所有生物細(xì)胞，約占細(xì)胞干質(zhì)量的50%以上， 作為生命的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，蛋白質(zhì)在催化生命體內(nèi)各種反應(yīng)進(jìn)行、調(diào)節(jié)代謝、抵御外來物質(zhì)入侵及控制遺傳信息等方面都起著至關(guān)重要的作用，因此蛋白質(zhì)也是生命科學(xué)中極為重要的研究對象。關(guān)于蛋白質(zhì)的分析研究，一直是化學(xué)家及生物學(xué)家極為關(guān)注的問題，其研究的內(nèi)容主要包括分子量測定，氨基酸鑒定，蛋白質(zhì)序列分析及立體化學(xué)分析等。隨著生命科學(xué)的發(fā)展，儀器分析手段的更新，尤其是質(zhì)譜分析技術(shù)的不斷成熟，使這一領(lǐng)域的研究發(fā)展迅速。
自約翰.芬恩(JohnB.Fenn)和田中耕一(Koichi.Tanaka)發(fā)明了對生物大分子進(jìn)行確認(rèn)和結(jié)構(gòu)分析的方法及發(fā)明了對生物大分子的質(zhì)譜分析法以來，隨著生命科學(xué)及生物技術(shù)的迅速發(fā)展，生物質(zhì)譜目前已成為有機(jī)質(zhì)譜中最活躍、最富生命力的前沿研究領(lǐng)域之一[1]。它的發(fā)展強(qiáng)有力地推動了人類基因組計劃及其后基因組計劃的提前完成和有力實(shí)施。質(zhì)譜法已成為研究生物大分子特別是蛋白質(zhì)研究的主要支撐技術(shù)之一，在對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的研究中占據(jù)了重要地位[2]。
1．質(zhì)譜分析的特點(diǎn)
質(zhì)譜分析用于蛋白質(zhì)等生物活性分子的研究具有如下優(yōu)點(diǎn)：很高的靈敏度能為亞微克級試樣提供信息，能最有效地與色譜聯(lián)用，適用于復(fù)雜體系中痕量物質(zhì)的鑒定或結(jié)構(gòu)測定，同時具有準(zhǔn)確性、易操作性、快速性及很好的普適性。
2．質(zhì)譜分析的方法
近年來涌現(xiàn)出較成功地用于生物大分子質(zhì)譜分析的軟電離技術(shù)主要有下列幾種：1)電噴霧電離質(zhì)譜；2)基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜；3)快原子轟擊質(zhì)譜；4)離子噴霧電離質(zhì)譜；5)大氣壓電離質(zhì)譜。在這些軟電離技術(shù)中，以前面三種近年來研究得最多，應(yīng)用得也最廣泛[3]。
3．蛋白質(zhì)的質(zhì)譜分析
蛋自質(zhì)是一條或多條肽鏈以特殊方式組合的生物大分子，復(fù)雜結(jié)構(gòu)主要包括以肽鏈為基礎(chǔ)的肽鏈線型序列[稱為一級結(jié)構(gòu)]及由肽鏈卷曲折疊而形成三維[稱為二級，三級或四級]結(jié)構(gòu)。目前質(zhì)譜主要測定蛋自質(zhì)一級結(jié)構(gòu)包括分子量、肽鏈氨基酸排序及多肽或二硫鍵數(shù)目和位置。
3.1蛋白質(zhì)的質(zhì)譜分析原理
以往質(zhì)譜(MS)僅用于小分子揮發(fā)物質(zhì)的分析，由于新的離子化技術(shù)的出現(xiàn)，如介質(zhì)輔助的激光解析/離子化、電噴霧離子化，各種新的質(zhì)譜技術(shù)開始用于生物大分子的分析。其原理是：通過電離源將蛋白質(zhì)分子轉(zhuǎn)化為氣相離子，然后利用質(zhì)譜分析儀的電場、磁場將具有特定質(zhì)量與電荷比值(M/Z值)的蛋白質(zhì)離子分離開來，經(jīng)過離子檢測器收集分離的離子，確定離子的M/Z值，分析鑒定未知蛋白質(zhì)。
3.2蛋白質(zhì)和肽的序列分析
現(xiàn)代研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)越來越多的小肽同蛋白質(zhì)一樣具有生物功能，建立具有特殊、高效的生物功能肽的肽庫是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)之一。因此需要高效率、高靈敏度的肽和蛋白質(zhì)序列測定方法支持這些研究的進(jìn)行。現(xiàn)有的肽和蛋白質(zhì)測序方法包括N末端序列測定的化學(xué)方法Edman法、C末端酶解方法、C末端化學(xué)降解法等，這些方法都存在一些缺陷。例如作為肽和蛋白質(zhì)序列測定標(biāo)準(zhǔn)方法的N末端氨基酸苯異硫氰酸酯(phenylisothiocyanate)PITC分析法(即Edman法，又稱PTH法)，測序速度較慢(50個氨基酸殘基/天)；樣品用量較大(nmol級或幾十pmol級)；對樣品純度要求很高；對于修飾氨基酸殘基往往會錯誤識別，而對N末端保護(hù)的肽鏈則無法測序[4]。C末端化學(xué)降解測序法則由于無法找到PITC這樣理想的化學(xué)探針，其發(fā)展仍面臨著很大的困難。在這種背景下，質(zhì)譜由于很高的靈敏度、準(zhǔn)確性、易操作性、快速性及很好的普適性而倍受科學(xué)家的廣泛注意。在質(zhì)譜測序中，靈敏度及準(zhǔn)確性隨分子量增大有明顯降低，所以肽的序列分析比蛋白容易許多，許多研究也都是以肽作為分析對象進(jìn)行的。近年來隨著電噴霧電離質(zhì)譜(electrospray ionisation，ESI)及基質(zhì)輔助激光解吸質(zhì)譜(matrix assisted laser desorption/ionization，MALDI)等質(zhì)譜軟電離技術(shù)的發(fā)展與完善，極性肽分子的分析成為可能，檢測限下降到fmol級別，可測定分子量范圍則高達(dá)100000Da，目前基質(zhì)輔助的激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜法(MALDI TOF MS)已成為測定生物大分子尤其是蛋白質(zhì)、多肽分子量和一級結(jié)構(gòu)的有效工具，也是當(dāng)今生命科學(xué)領(lǐng)域中重大課題——蛋白質(zhì)組研究所必不可缺的關(guān)鍵技術(shù)之一 [5] 。目前在歐洲分子生物實(shí)驗室(EMBL)及美國、瑞士等國的一些高校已建立了MALDI TOF MS蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)(序列)譜庫，能為解析FAST譜圖提供極大的幫助，并為確證分析結(jié)果提供可靠的依據(jù)[6]。
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3.3蛋白質(zhì)的質(zhì)譜分析方式
質(zhì)譜用于肽和蛋白質(zhì)的序列測定主要可以分為三種方法：一種方法叫蛋白圖譜(proteinmapping)，即用特異性的酶解或化學(xué)水解的方法將蛋白切成小的片段，然后用質(zhì)譜檢測各產(chǎn)物肽分子量，將所得到的肽譜數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫，搜索與之相對應(yīng)的已知蛋白，從而獲取待測蛋白序列。將蛋白質(zhì)繪制“肽圖”是一重要測列方法。第二種方法是利用待測分子在電離及飛行過程中產(chǎn)生的亞穩(wěn)離子，通過分析相鄰?fù)M類型峰的質(zhì)量差，識別相應(yīng)的氨基酸殘基，其中亞穩(wěn)離子碎裂包括“自身”碎裂及外界作用誘導(dǎo)碎裂.第三種方法與Edman法有相似之處，即用化學(xué)探針或酶解使蛋白或肽從N端或C端逐一降解下氨基酸殘基，形成相互間差一個氨基酸殘基的系列肽，名為梯狀測序(laddersequencing)，經(jīng)質(zhì)譜檢測，由相鄰峰的質(zhì)量差知道相應(yīng)氨基酸殘基。
3.3.1蛋白消化
蛋白的基團(tuán)越大，質(zhì)譜檢測的準(zhǔn)確率越低。因此，在質(zhì)譜檢測之前，須將蛋白消化成小分子的多肽，以提高質(zhì)譜檢測的準(zhǔn)確率。一般而言，6-20個氨基酸的多肽最適合質(zhì)譜儀的檢測。現(xiàn)今最常用的酶為胰蛋白酶(trypsin)，它于蛋白的賴氨酸(lysine)和精氨酸(arginine)處將其切斷。因此，同一蛋白經(jīng)胰蛋白酶消化后，會產(chǎn)生相同的多肽。
3.3.2基質(zhì)輔助激光解吸電離/飛行時間質(zhì)譜測量法(MALDI-TOF MS) [7]
簡而言之，基質(zhì)輔助激光解吸電離/飛行時間質(zhì)譜測量儀是將多肽成分轉(zhuǎn)換成離子信號，并依據(jù)質(zhì)量/電荷之比(mass/charge，m/z)來對該多肽進(jìn)行分析，以判斷該多肽源自哪一個蛋白。待檢樣品與含有在特定波長下吸光的發(fā)光團(tuán)的化學(xué)基質(zhì)(matrix)混合，此樣品混合物隨即滴于一平板或載玻片上進(jìn)行揮發(fā)，樣品混合物殘余水份和溶劑的揮發(fā)使樣品整合于格狀晶體中，樣品然后置于激光離子發(fā)生器(lasersource)。激光作用于樣品混合物，使化學(xué)基質(zhì)吸收光子而被激活。此激活產(chǎn)生的能量作用于多肽，使之由固態(tài)樣品混合物變成氣態(tài)。由于多肽分子傾向于吸收單一光子，故多肽離子帶單一電荷.這些形成的多肽離子直接進(jìn)入飛行時間質(zhì)量分析儀(TOFmassanalyzer)。飛行時間質(zhì)量分析儀用于測量多肽離子由分析儀的一端飛抵另一端探測器所需要的時間。而此飛行時間同多肽離子的質(zhì)量/電荷的比值成反比，即質(zhì)量/電荷之比越高，飛行時間越短。最后，由電腦軟件將探測器錄得的多肽質(zhì)量/電荷比值同數(shù)據(jù)庫中不同蛋白經(jīng)蛋白酶消化后所形成的特定多肽的質(zhì)量/電荷比值進(jìn)行比較，以鑒定該多肽源自何種蛋白.此法稱為多肽質(zhì)量指紋分析(peptidemassfin-gerprinting)?；|(zhì)輔助激光解吸電離/飛行時間質(zhì)譜測量法操作簡便，敏感度高，同許多蛋白分離方法相匹配，而且，現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中有充足的關(guān)于多肽質(zhì)量/電荷比值的數(shù)據(jù)，因此成為許多實(shí)驗室的首選蛋白質(zhì)譜鑒定方法。
3.3.3電子噴霧電離質(zhì)譜測量法(electrosprayion-izationmassspectrometry,ESI-MS)[8 ]
同基質(zhì)輔助激光解吸電離/飛行時間質(zhì)譜測量法在固態(tài)下完成不同，電子噴霧電離質(zhì)譜測量法是在液態(tài)下完成，而且多肽離子帶有多個電荷，由高效液相層析等方法分離的液體多肽混合物，在高壓下經(jīng)過一細(xì)針孔。當(dāng)樣本由針孔射出時，噴射成霧狀的細(xì)小液滴，這些細(xì)小液滴包含多肽離子及水份等其他雜質(zhì)成分。去除這些雜質(zhì)成分后，多肽離子進(jìn)入連續(xù)質(zhì)量分析儀(tan- demmassanalyzer)，連續(xù)質(zhì)量分析儀選取某一特定質(zhì)量/電荷比值的多肽離子，并以碰撞解離的方式將多肽離子碎裂成不同電離或非電離片段。隨后，依質(zhì)量/電荷比值對電離片段進(jìn)行分析并匯集成離子譜(ionspectrum)，通過數(shù)據(jù)庫檢索，由這些離子譜得到該多肽的氨基酸序列。依據(jù)氨基酸序列進(jìn)行的蛋白鑒定較依據(jù)多肽質(zhì)量指紋進(jìn)行的蛋白鑒定更準(zhǔn)確、可靠。而且，氨基酸序列信息即可通過蛋白氨基酸序列數(shù)據(jù)庫檢索，也可通過核糖核酸數(shù)據(jù)庫檢索來進(jìn)行蛋白鑒定。
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4．蛋白質(zhì)質(zhì)譜分析的應(yīng)用
1981年首先采用FAB雙聚焦質(zhì)譜測定肽分子量，分析十一肽(Mr=1318)，質(zhì)譜中出現(xiàn)準(zhǔn)分子離子[M+1]+=1319強(qiáng)峰。分子量小于6kDa肽或小蛋白質(zhì)合適用FAB質(zhì)譜分析，更大分子量的多肽和蛋自質(zhì)可用MALDI質(zhì)譜或ESI質(zhì)譜分析。用MALDI-TOF質(zhì)譜分析蛋自質(zhì)最早一例是Hillen Kramp等[9]于1988年提出用紫外激光以煙酸為基質(zhì)在TOF譜儀上測出質(zhì)量數(shù)高達(dá)60kDa蛋白質(zhì)，精確度開始只有0.5%，后改進(jìn)到0.1-0.2%。質(zhì)譜技術(shù)主要用于檢測雙向凝膠電泳或“雙向”高效柱層析分離所得的蛋白質(zhì)及酶解所得的多肽的質(zhì)量，也可用于蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)及蛋白質(zhì)間相互作用等方面的研究[10,11],三條肽段的精確質(zhì)量數(shù)便可鑒定蛋白質(zhì)。近年來，串聯(lián)質(zhì)譜分析儀發(fā)展迅猛，其數(shù)據(jù)采集方面的自動化程度、檢測的敏感性及效率都大大提高，大規(guī)模數(shù)據(jù)庫和一些分析軟件(如:SEQUEST)的應(yīng)用使得串聯(lián)質(zhì)譜分析儀可以進(jìn)行更大規(guī)模的測序工作。目前，利用2D電泳及MS技術(shù)對整個酵母細(xì)胞裂解產(chǎn)物進(jìn)行分析，已經(jīng)鑒定出1484種蛋白質(zhì)，包括完整的膜蛋白和低豐度的蛋白質(zhì)[12]；分析肝細(xì)胞癌患者血清蛋白質(zhì)組成分[13]，并利用質(zhì)譜進(jìn)行鑒定磷酸化蛋白研究工作[14]及采用質(zhì)譜技術(shù)研究許旺細(xì)胞源神經(jīng)營養(yǎng)蛋白(SDNP)的分子結(jié)構(gòu)[15]等。
結(jié)束語：
在蛋白質(zhì)的質(zhì)譜分析中，質(zhì)譜的準(zhǔn)確性(accuracy)對測定結(jié)果有很大影響，因此質(zhì)譜測序現(xiàn)在仍很難被應(yīng)用于未知蛋白的序列測定。肽和蛋白的質(zhì)譜序列測定方法具有快速、用量少、易操作等優(yōu)點(diǎn)，這些都非常適合于現(xiàn)在科學(xué)研究的需要。我們相信，隨著各種衍生化方法和酶解方法的不斷改進(jìn)，蛋白雙向電泳的應(yīng)用[16]以及質(zhì)譜技術(shù)的不斷完善，質(zhì)譜將會成為多肽和蛋白質(zhì)分析最有威力的工具之一。

各位大大，本人即將高考，想咨詢下生命科學(xué)的發(fā)展趨勢和就業(yè)、深造前途。特別是微生物和生物化學(xué)。

（一）：GTL計劃分析

上個世紀(jì)分子生物學(xué)的突破性成果成為生命科學(xué)的生長點(diǎn)，使生命科學(xué)在自然科學(xué)中的位置起了革命性的變化；蛋白質(zhì)、酶、核酸等生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能和相互關(guān)系的揭示為研究生命現(xiàn)象的本質(zhì)和活動規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)以后，美國能源部啟動了新的戰(zhàn)略計劃—“基因組到生命”（Genomes to Life，GTL）計劃，為生命科學(xué)在能源和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 GTL計劃的背景

為期五年、資助強(qiáng)度為1億美元的后基因組計劃“從基因組到生命（Genomes to Life）”是由美國能源部于2002年7月正式推出，其基礎(chǔ)是在人類基因組計劃和1994年開始實(shí)施的美國微生物計劃。

2005年10月3日，美國能源部公布了新一期的生物研究綜合計劃——GTL計劃路線圖。GTL路線圖以原有的GTL研究項目為基礎(chǔ)并將之?dāng)U展，至今已經(jīng)有800多名科學(xué)家和技術(shù)專家參與該項目。

2 GTL計劃的目標(biāo)

GTL計劃的核心目標(biāo)就是在未來的十到二十年時間里，了解幾千種微生物的基因組及微生物系統(tǒng)是如何調(diào)控生命活動的，為使用生物手段解決環(huán)境問題鋪平道路。GTL路線圖將擴(kuò)大基因組項目的投入，幫助國家解決能源和環(huán)境難題。此項研究需要填補(bǔ)知識空白點(diǎn)，發(fā)展生物技術(shù)，并在數(shù)據(jù)挖掘、計算和存儲中應(yīng)用生信息學(xué)。

GTL計劃的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確地刻畫出生命系統(tǒng)的所有“分子機(jī)器”，認(rèn)識“分子機(jī)器”在生命體中是如何協(xié)調(diào)工作的。這需要收集大量的基因組數(shù)據(jù)及其相關(guān)數(shù)據(jù)，尤其是基因組表達(dá)的數(shù)據(jù)，以及不同細(xì)胞內(nèi)、不同條件下蛋白質(zhì)組裝和作用的數(shù)據(jù)。

GTL計劃的具體目標(biāo)包括：（1）鑒別“分子機(jī)器”，這些分子機(jī)器主要是蛋白質(zhì)的復(fù)合物，并且執(zhí)行生命系統(tǒng)的基本功能；（2）弄清控制“分子機(jī)器”行為的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；（3）認(rèn)識自然環(huán)境中的微生物群體；（4）發(fā)展建立和實(shí)現(xiàn)生物系統(tǒng)模型所需的計算機(jī)技術(shù)。

3 GTL計劃的意義

21世紀(jì)人類面臨健康、能源、環(huán)境等一系列迫切需要解決的問題，生物學(xué)的發(fā)展也許是解決這些問題的關(guān)鍵，基因組信息的研究則是理解生命體系的分子組成、調(diào)控機(jī)制的基礎(chǔ)。這需要了解整個生物體系與環(huán)境相互作用的方式與機(jī)制，并利用這些信息來指導(dǎo)后續(xù)的生物學(xué)研究。

基因組中的基因按照一定的時間和空間規(guī)律被表達(dá)成蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)需要和其它蛋白質(zhì)或者核酸相互作用，結(jié)合起來形成有機(jī)的“分子機(jī)器”。GTL計劃的實(shí)施將促進(jìn)生物、物理、計算科學(xué)多學(xué)科的交叉與進(jìn)步，促進(jìn)實(shí)驗設(shè)備、軟件工具、分析方法、以及科學(xué)思想上的重大突破，為多角度的全面理解生物體打下基礎(chǔ)，并將其應(yīng)用到生物與環(huán)境相互影響與作用的問題探討中。這些都是將生物技術(shù)應(yīng)用于能源和環(huán)境問題解決的基礎(chǔ)。

這一基于人類基因組計劃的新計劃的實(shí)施，將以整體理解和預(yù)測人體和微生物等生物系統(tǒng)為內(nèi)容，為環(huán)境、能源等問題的解決提供生物技術(shù)手段。

（二）：GTL路線圖

美國能源部于2002年開始了基因組到生命計劃（Genomes to Life，GTL），為人類利用生物技術(shù)手段解決能源和環(huán)境問題提供了手段。2005年10月3日，美國能源部公布了新的GTL計劃路線圖，為GTL的具體實(shí)施提供了指導(dǎo)方向。

1 GTL計劃實(shí)施的關(guān)鍵

GTL路線圖對GTL計劃實(shí)施的關(guān)鍵進(jìn)行了闡述。在此之前實(shí)施的人類基因組計劃著重于基因組表達(dá)的研究，但對于細(xì)胞內(nèi)、不同條件下蛋白質(zhì)表達(dá)和組裝的研究很少。對于這些研究內(nèi)容的了解與認(rèn)識是GTL計劃實(shí)現(xiàn)一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。GTL計劃實(shí)現(xiàn)的另一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是高性能計算，利用先進(jìn)的計算工具管理和集成研究獲得的數(shù)據(jù)，建立細(xì)胞的系統(tǒng)模型，并進(jìn)行計算機(jī)模擬，在此基礎(chǔ)上深入分析，進(jìn)而認(rèn)識“分子機(jī)器”的工作機(jī)理。

在高性能計算的研究方面，建立基本的生物信息學(xué)算法和模擬過程的方法，確定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)可視化工具是GTL計劃的主要目標(biāo)。GTL計劃中的許多計算任務(wù)的計算量非常大，需要每秒萬億次浮點(diǎn)計算能力的超大型計算機(jī)。

2 GTL路線圖的實(shí)施機(jī)構(gòu)

美國能源部致力于為GTL計劃的實(shí)施提供必要的科學(xué)平臺，以支持科研和技術(shù)成果的應(yīng)用。GTL計劃將建四個前沿生物學(xué)機(jī)構(gòu)，以支持相關(guān)的技術(shù)的發(fā)展、方法的研究、計算能力的提高，并設(shè)立公共科研平臺。該平臺的服務(wù)對象不僅包括科研團(tuán)體，也包括產(chǎn)業(yè)界，以加速科研成果的轉(zhuǎn)化或技術(shù)轉(zhuǎn)移。GTL計劃成功的核心是發(fā)展計算和信息技術(shù)，以克服基于基因組序列的生物學(xué)功能研究上的障礙。美國能源部將構(gòu)建整合的計算環(huán)境，把各種實(shí)驗數(shù)據(jù)、理論、模型和新觀點(diǎn)融入到基本的生物學(xué)機(jī)制發(fā)現(xiàn)和系統(tǒng)生物學(xué)理論和試驗的發(fā)展。

美國能源部的科學(xué)辦公室是GTL路線圖實(shí)施的主要協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，致力于提供非凡的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科研工具，改變?nèi)藗儗δ茉春臀镔|(zhì)的理解，提高美國經(jīng)濟(jì)和能源安全水平。辦公室的主要任務(wù)包括：（1）為國家面臨的能源安全提供解決方案，為國家能源與經(jīng)濟(jì)安全提供必要的科學(xué)基礎(chǔ)；（2）國家物理科學(xué)最主要的支持，在280多所大學(xué)、15個國家實(shí)驗室和許多國際研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行科研投資；（3）為國家科學(xué)事業(yè)提供最主要的科研工具，從科學(xué)共享出發(fā)，建造和運(yùn)行公用的科研設(shè)備；（4）在科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最大限度地支持核心能力建設(shè)、理論建設(shè)以及實(shí)驗和模擬，使美國保持在世界知識創(chuàng)新的領(lǐng)先地位。

GTL計劃成功實(shí)施的關(guān)鍵要素是整合計算和技術(shù)平臺，為科研和生物技術(shù)方案發(fā)展提供及時、便捷的平臺。在生物學(xué)的新發(fā)展中，計算技術(shù)和生物學(xué)本身已經(jīng)同等重要；因此，GTL由美國能源部科學(xué)辦公室的兩個部門——生物與環(huán)境研究辦公室和前沿科學(xué)計算研究辦公室合作完成。

3 GTL路線圖戰(zhàn)略

GTL戰(zhàn)略目標(biāo)是理解生物學(xué)系統(tǒng)，發(fā)展研究生物學(xué)機(jī)制的計算模型，并且利用這些模型來預(yù)測生命系統(tǒng)的行為，最終的目標(biāo)是利用微生物的生物化學(xué)過程來為一系列的創(chuàng)新應(yīng)用服務(wù)。這需要通過有效的研究、生產(chǎn)、成本和質(zhì)量控制、效率提高來實(shí)現(xiàn)。

正如人類基因組計劃能夠刺激生物醫(yī)藥及生物技術(shù)工業(yè)的增長一樣，GTL路線圖中列出的研究也將加速新的生物工藝學(xué)的增長。與能源和環(huán)境相關(guān)的系統(tǒng)生物學(xué)是一項探測未知微生物世界的計劃，以DNA序列編碼信息為起點(diǎn)，目的是找到更加清潔和更加安全的生物資源、修復(fù)有毒廢料，詮釋微生物在全球氣候變化中的作用，并發(fā)展與之相關(guān)的新興科學(xué)。微生物可以用作驅(qū)動21世紀(jì)的綜合經(jīng)濟(jì)力發(fā)展的工藝和新產(chǎn)品。

該路線圖描繪了其具體的發(fā)展路徑，包括新興技術(shù)的利用、綜合計算技術(shù)的發(fā)展和新研究設(shè)施的開發(fā)使用等。這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，依賴于科學(xué)家對新型微生物的發(fā)現(xiàn)，對生命的起源和局限性以及對生命科學(xué)研究的新認(rèn)識。微生物具有廣闊地遺傳性和多樣性，因而它們的發(fā)展意味著地球環(huán)境的繁榮，包括極端溫度，化學(xué)和壓力下的環(huán)境。大多數(shù)時間，微生物生活在廣泛的自然環(huán)境中，形成了各種各樣的生物群落。這些生物群落已經(jīng)演變成綜合生物化學(xué)體系，要比任何工業(yè)領(lǐng)域的化學(xué)工藝體系具有高地選擇性，能源利用效率和更少地污染。GTL路線圖將利用這些微生物，為化學(xué)工藝體系的全面提升鋪平道路。

（三）：GTL實(shí)施階段

美國能源部于2002年開始了基因組到生命計劃（Genomes to Life，GTL），為人類利用生物技術(shù)手段解決能源和環(huán)境問題提供了手段。2005年10月3日，美國能源部公布了新一代生物研究綜合計劃——GTL計劃路線圖，為GTL的具體實(shí)現(xiàn)提供了指導(dǎo)方向。

1 GTL計劃實(shí)施的階段

GTL計劃的實(shí)現(xiàn)分三個階段：

第一階段：開展對有關(guān)對能源和環(huán)境相關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng)試驗關(guān)鍵問題的研究，開發(fā)新技術(shù)和新的計算技術(shù)，改進(jìn)研究設(shè)施；

第二階段：利用先進(jìn)工具和新技術(shù)開展研究，快速了解生物學(xué)過程，提出能源和環(huán)境問題解決的新思路，收集全球氣候與生物過程相互作用的信息；

第三階段：將前期獲得的知識和能力快速轉(zhuǎn)化成革命性的新工藝和新產(chǎn)品，滿足國家能源和環(huán)境的需要。

2 GTL計劃第一階段的目標(biāo)

GTL第一階段的主要目標(biāo)主要是通過科學(xué)、技術(shù)和應(yīng)用工藝三方面的起步為GTL計劃的實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

科學(xué)基礎(chǔ)：系統(tǒng)生物學(xué)的基因組學(xué)基礎(chǔ)研究，分子、細(xì)胞和群落水平的研究，以及研究的關(guān)鍵目標(biāo)與戰(zhàn)略設(shè)定。

技術(shù)，計算與設(shè)施：高級技術(shù)發(fā)展與測試，前沿研究、計算與技術(shù)升級，機(jī)構(gòu)/設(shè)施研究、發(fā)展、設(shè)計與建立。

目標(biāo)應(yīng)用：目標(biāo)導(dǎo)向的關(guān)鍵系統(tǒng)選擇，細(xì)胞與群落過程及相互作用的認(rèn)識，系統(tǒng)數(shù)據(jù)與戰(zhàn)略分析。

3 GTL計劃第一階段的目標(biāo)

GTL第二階段的主要目標(biāo)則在通過科學(xué)、技術(shù)和應(yīng)用過程三方面將科研成果工程化。

科學(xué)基礎(chǔ)：關(guān)鍵系統(tǒng)和關(guān)鍵過程的高通量研究，比較分析、系統(tǒng)模型發(fā)展，整合實(shí)驗與計算的系統(tǒng)。

技術(shù)，計算與設(shè)施：設(shè)施運(yùn)行，整合數(shù)據(jù)與計算能力的運(yùn)行，快速收集并應(yīng)用完整的生物學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的能力。

目標(biāo)應(yīng)用：開始目標(biāo)模式系統(tǒng)分析，工程戰(zhàn)略目標(biāo)的理解，特定應(yīng)用戰(zhàn)略設(shè)定。

4 GTL計劃第一階段的目標(biāo)

GTL第三階段的將在科學(xué)、技術(shù)和應(yīng)用工藝三方面進(jìn)一步深入發(fā)展，并將其具體應(yīng)用到各個領(lǐng)域。

科學(xué)基礎(chǔ)：目標(biāo)方案設(shè)計的知識整合，科學(xué)與技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，科學(xué)創(chuàng)新與下一代概念發(fā)展。

技術(shù)，計算與設(shè)施：工程系統(tǒng)的設(shè)施應(yīng)用、測試、評價、監(jiān)控和鑒定，新功能與新概念的工程化。

目標(biāo)應(yīng)用：完整工程系統(tǒng)的設(shè)計與發(fā)展，工程系統(tǒng)試驗與評價，下一代工程的發(fā)展。

（四）：GTL應(yīng)用目標(biāo)

美國于2002年提出的基因組到生命（Genomes to Life，GTL）計劃目標(biāo)是開展生命的分子機(jī)制及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究，在分子水平理解自然環(huán)境下微生物群體的功能特征、建立計算機(jī)模型理解復(fù)雜生物系統(tǒng)并預(yù)測其行為。在此基礎(chǔ)上，2005年提出的GTL路線圖對如何開展利用生物技術(shù)手段解決能源和環(huán)境問題進(jìn)行了具體闡述。

1 GTL路線圖的內(nèi)容

GTL路線圖是依據(jù)美國能源部的目標(biāo)制定的。路線圖戰(zhàn)略整合了基因組、系統(tǒng)生物學(xué)、微生物、計算科學(xué)和主要機(jī)構(gòu)目標(biāo)，并對三個階段中各個部分的計劃制定了具體的時間表和邏輯構(gòu)架。在對能源產(chǎn)出、環(huán)境修復(fù)和二氧化碳循環(huán)與吸收的具體目標(biāo)中，路線圖給出了生物科技可以支持的具體領(lǐng)域，以及實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)所應(yīng)應(yīng)對的挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，路線圖給出了具體的研究計劃和目標(biāo)技術(shù)平臺，以及相關(guān)的管理、培訓(xùn)、倫理和社會等問題的考慮。

GTL路線圖的中心是整合的生物學(xué)計算平臺。系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展要求不斷增加約束條件來縮小問題的解空間，解空間的縮小極大地幫助了分析、解釋、甚至預(yù)測來自實(shí)驗的結(jié)果。GTL路線圖描述了模型、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析、理論等相關(guān)內(nèi)容，同時指出如何實(shí)現(xiàn)面向公眾的應(yīng)用和計算平臺的建立，以形成GTL研究項目和實(shí)施的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”。

此外，GTL路線圖還指出了如何將不同機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效管理，使其高水平、高通量、高效率、高質(zhì)量、低成本地運(yùn)行。

2 生物燃料方面的應(yīng)用目標(biāo)

GTL的科學(xué)計劃與美國能源部的目標(biāo)相統(tǒng)一，美國能源部研究在生物燃料方面的目標(biāo)包括：

（1）纖維素向燃料的轉(zhuǎn)化，具體包括纖維素酶活性的認(rèn)識與提高，糖利用與酒精發(fā)酵，以及流程的整合。

（2）太陽能向氫能燃料的微生物轉(zhuǎn)化過程，具體包括光解循環(huán)生產(chǎn)，光合生物燃料系統(tǒng)的設(shè)計。

3 環(huán)境修復(fù)方面的應(yīng)用目標(biāo)

美國能源部研究在環(huán)境修復(fù)方面的目標(biāo)包括以下：

（1）利用微生物過程降低有毒金屬含量，具體包括理解微生物－金屬的相互作用，設(shè)計修復(fù)過程。

（2）地表微生物群落在污染物轉(zhuǎn)移中的作用，具體包括理解污染物轉(zhuǎn)移的結(jié)果與效應(yīng)，支持修復(fù)過程。

4 二氧化碳循環(huán)與吸收

美國能源部研究在二氧化碳循環(huán)與吸收方面的目標(biāo)包括：

（1）海洋微生物群落在生物二氧化碳泵中的地位與作用，具體包括對C、N、P、O和S循環(huán)的認(rèn)識，氣候變化預(yù)測，二氧化碳吸收的影響評估；

（2）陸地微生物群落在全球碳循環(huán)中的地位與作用，具體包括對C、N、P、O和S循環(huán)的認(rèn)識，碳變化與氣候變化預(yù)測，以及二氧化碳吸收的評估。

（五）：GTL科學(xué)路線圖與系統(tǒng)生物學(xué)

上個世紀(jì)分子生物學(xué)的突破性成果成為生命科學(xué)的生長點(diǎn)，使生命科學(xué)在自然科學(xué)中的地位起了革命性的變化；蛋白質(zhì)、酶、核酸等生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能和相互關(guān)系的揭示為研究生命現(xiàn)象的本質(zhì)和活動規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ)。2005年，美國能源部公布了基因組到生命（Genomes to Life，GTL）計劃的路線圖，指出了將系統(tǒng)生物學(xué)應(yīng)用于能源和環(huán)境問題的解決。

1 GTL的科學(xué)路線圖

GTL的科學(xué)路線圖包括：

（1） 基因、蛋白、生物分子、生物途徑和系統(tǒng)的描述，具體包括基因組研究與比較、新功能的自然系統(tǒng)基礎(chǔ)研究、蛋白的生產(chǎn)與定位，以及生命過程相互作用和復(fù)合體的分析。

（2）功能與調(diào)節(jié)的理解，具體包括分子反應(yīng)的計量、功能試驗的實(shí)現(xiàn)。

（3） 機(jī)制預(yù)測模型的發(fā)展，具體包括實(shí)驗設(shè)計、分子設(shè)計和操縱、細(xì)胞系統(tǒng)的利用。

（4） 群體及其潛在功能分析，具體包括基因組測序和比較，過程的自然系統(tǒng)篩選，以及蛋白生產(chǎn)和定位。

（5） 理解群落反應(yīng)和調(diào)節(jié)，具體包括二氧化碳、營養(yǎng)和生物地球化學(xué)循環(huán)的比較、細(xì)胞和群體分子調(diào)查以及群體功能試驗。

（6） 預(yù)測反應(yīng)及影響，具體包括建立相互作用和預(yù)測模型、自然和人工過程的應(yīng)用。

這些計劃的目標(biāo)產(chǎn)出是：

（1） 系統(tǒng)工程，包括系統(tǒng)設(shè)計展開的戰(zhàn)略、生命系統(tǒng)和細(xì)胞外系統(tǒng)以及鑒定分析。

（2） 強(qiáng)大的政策和工程科學(xué)基礎(chǔ)，包括自然事件的模式生態(tài)系統(tǒng)反應(yīng)以及介入戰(zhàn)略的效率和影響分析。

2從基因組到生物體的系統(tǒng)生物學(xué)研究

傳統(tǒng)生物學(xué)主要基于還原論的研究，通過實(shí)驗的方法解決問題。然而，生物體是一個復(fù)雜系統(tǒng)，它不僅僅是基因與蛋白質(zhì)的集合，系統(tǒng)特性也不能僅僅通過勾畫其相互聯(lián)系而獲得完全理解。系統(tǒng)生物學(xué)則基于大量的數(shù)據(jù)采集與分析，利用軟件工具、分析方法、以及新的科學(xué)思想分析等研究生物系統(tǒng)動態(tài)行為，充分理解其穩(wěn)定性、魯棒性背后的機(jī)制。

從基因組到生命(GTL)計劃，跨越分子、細(xì)胞、組織器官、系統(tǒng)到生命，是真正體現(xiàn)生命科學(xué)從分析到綜合、從還原論到整體研究變革的研究計劃。在人類基因組計劃基礎(chǔ)上GTL計劃正體現(xiàn)了這一特點(diǎn)，是新的研究規(guī)劃。系統(tǒng)生物學(xué)在分子、細(xì)胞、組織、器官和生物體整體水平上研究結(jié)構(gòu)和功能各異的各種分子及其相互作用，并在基因組序列的基礎(chǔ)上完成由生命密碼到生命全過程的研究；從對生物體內(nèi)各種分子的鑒別及其相互作用的研究，到對生物途徑、分子網(wǎng)絡(luò)、功能模塊的研究，最終完成整個生命活動的路線圖。GTL路線圖的推出，則將這些具體計劃應(yīng)用到能源、環(huán)境問題的解決指出了具體道路，是將生物技術(shù)應(yīng)用于人類所面臨的資源、能源和環(huán)境瓶頸解決的范例。

生命復(fù)雜系統(tǒng)的最重要的特征不在于它非常復(fù)雜的個別組成成分，而在于組成成分之間的關(guān)系和這種關(guān)系形成的動力學(xué)，系統(tǒng)功能的綜合要高于每一個子成份的分析。生命科學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展，是解決人類發(fā)展所面臨的資源、能源、環(huán)境與健康等問題的有效途徑。從GTL路線圖的實(shí)施可以看出，通過系統(tǒng)生物學(xué)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，來實(shí)施這一目標(biāo)，是生命科學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展方向。

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