生物信息學(xué)在生物學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用

孟雙，徐沖，陳麗媛，陳杰

(1.遼寧省科技情報(bào)研究所，遼寧沈陽(yáng)110016;2.遼寧省微生物科學(xué)研究院，遼寧朝陽(yáng)122000)

生物信息學(xué)在生物學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用

孟雙1，徐沖2，陳麗媛2，陳杰2

(1.遼寧省科技情報(bào)研究所，遼寧沈陽(yáng)110016;2.遼寧省微生物科學(xué)研究院，遼寧朝陽(yáng)122000)

綜合敘述了生物信息學(xué)對(duì)生物學(xué)科研工作的影響，介紹了生物信息學(xué)在生物技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境、能源等研究領(lǐng)域的應(yīng)用概況，闡述了生物信息學(xué)為生物科研工作服務(wù)的意義。

生物信息學(xué);生物技術(shù);數(shù)據(jù)庫(kù);應(yīng)用

由于計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了全球最大的分布式信息庫(kù)，為信息和資源共享提供了優(yōu)良平臺(tái)。隨著情報(bào)科學(xué)、信息技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得生物信息學(xué)發(fā)展成為一門(mén)前沿交叉學(xué)科。張陽(yáng)德［1］編著的《生物信息學(xué)》一書(shū)中，給出的生物信息學(xué)的定義:現(xiàn)代生物信息學(xué)是現(xiàn)代生命科學(xué)與信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等學(xué)科相互滲透而形成的交叉學(xué)科，是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息論方法研究蛋白質(zhì)及核酸序列等各種生物信息的采集、存儲(chǔ)、傳遞、檢索、分析和解讀，以幫助了解生物學(xué)和遺傳學(xué)信息的科學(xué)。生物信息學(xué)研究的材料是生物學(xué)的數(shù)據(jù)，它通過(guò)情報(bào)學(xué)的方法，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、情報(bào)信息等工具，通過(guò)對(duì)生物信息加工后得到相關(guān)信息。生物信息學(xué)是新興的學(xué)科，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，在生物技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境、能源等研究領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

1 生物信息學(xué)在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

生物信息學(xué)在生物技術(shù)領(lǐng)域主要涉及微生物基因圖譜、文庫(kù)［2］的構(gòu)建、序列的分析、基因組的功能注釋、菌種目錄、病毒資源庫(kù)、病原微生物數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)及相關(guān)軟件的應(yīng)用以及生物技術(shù)平臺(tái)服務(wù)等。生物信息學(xué)主要的發(fā)展方向是基于數(shù)據(jù)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)的知識(shí)與規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、新型基因的發(fā)現(xiàn)、功能預(yù)測(cè)方法及程序的開(kāi)發(fā)等［3-4］。

1.2 生物技術(shù)領(lǐng)域常用數(shù)據(jù)庫(kù)

生物技術(shù)領(lǐng)域常用數(shù)據(jù)庫(kù)有美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心數(shù)據(jù)庫(kù)、中科院微生物資源數(shù)據(jù)庫(kù)群、維普信息資源系統(tǒng)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)資源數(shù)據(jù)庫(kù)和中國(guó)期刊全期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)(CNKI)等，文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)有SCI、BA(生物學(xué)文摘)、CA(化學(xué)文摘)等。數(shù)據(jù)庫(kù)是生物信息學(xué)的基礎(chǔ)，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)分析，可以預(yù)測(cè)生物的結(jié)構(gòu)和功能，使科研工作從繁雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中解脫出來(lái)。

除了數(shù)據(jù)庫(kù)，網(wǎng)絡(luò)上還可搜索到論壇、免費(fèi)軟件、會(huì)議消息、講義等其他信息資源。這些網(wǎng)絡(luò)資源為科研工作者提供了大量可用信息，使研究工作與國(guó)際接軌。

2 生物信息學(xué)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

生物信息學(xué)最早應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨著人類基因組計(jì)劃最初目標(biāo)的完成，醫(yī)學(xué)開(kāi)始注重向研究改善人類健康、預(yù)見(jiàn)和避免基因組危害人類的方向轉(zhuǎn)移。通過(guò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用及軟件開(kāi)發(fā)，建立人工智能模型，研究生命系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)及其他醫(yī)療信息技術(shù)在臨床環(huán)境上的應(yīng)用。通過(guò)管理和分析生物醫(yī)學(xué)圖像［5］(如放射性照片、CT掃描、電子顯微鏡或者手術(shù)模擬環(huán)境)，用于支持治療病人的決策過(guò)程。生物信息學(xué)也可用于破譯遺傳密碼、篩選免疫基因以及進(jìn)行新藥研發(fā)［6］等領(lǐng)域。

2.1 生物醫(yī)學(xué)常用數(shù)據(jù)庫(kù)

外文數(shù)據(jù)庫(kù)有EMBASE、Web of Knowledge、Derwent Drug File、IPA、CA等，中文數(shù)據(jù)庫(kù)有中國(guó)生物醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)光盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)(CBMDisc)、中文生物醫(yī)學(xué)現(xiàn)刊目次數(shù)據(jù)庫(kù)(CMCC)、維普醫(yī)藥信息資源系統(tǒng)(VMIS)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)資源數(shù)據(jù)庫(kù)和清華CNKI全文期刊數(shù)據(jù)庫(kù)。專利則需要查找美國(guó)、歐洲專利數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)專利信息網(wǎng)和國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫(kù)等［7］。核酸數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)在主要有GenBank、DDBJ、EMBL等，蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(kù)有SWISS-PROT、PIR等，三位結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)有PDB、CSD等［8］。

2.2 軟件應(yīng)用

利用網(wǎng)絡(luò)上的免費(fèi)工具軟件，可使科研工作更得力。生物技術(shù)研究中常用的軟件為RasMol (生物分子三位結(jié)構(gòu)觀察與演示)、DNATool(DNA分析軟件)、RNAstructure(RNA分析軟件)、Clustal W(多序列比對(duì)軟件)、TreeView(進(jìn)化樹(shù)生成與分析軟件)、Blast(同源序列檢索軟件)等。

以上在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用到的各類信息數(shù)據(jù)庫(kù)和其他應(yīng)用軟件等，在農(nóng)業(yè)、化工、環(huán)境、食品等其他生物研究領(lǐng)域也都有所應(yīng)用。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)及軟件的大量應(yīng)用，產(chǎn)生了從原來(lái)單一的醫(yī)學(xué)和生物信息學(xué)逐漸轉(zhuǎn)換到為醫(yī)學(xué)提供服務(wù)的生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)的理念，是對(duì)現(xiàn)存醫(yī)療體系的重大革新，不僅可發(fā)展壯大現(xiàn)有醫(yī)療機(jī)構(gòu)，也將對(duì)改善人類的身體健康起到至關(guān)重要的作用。

3 生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著遺傳操作技術(shù)特別是動(dòng)植物細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)移技術(shù)的不斷創(chuàng)新和完善，將農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)與常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而提高育種效率，創(chuàng)新遺傳資源，加快育種進(jìn)程，已成為農(nóng)業(yè)育種的發(fā)展趨勢(shì)。生物信息學(xué)與農(nóng)業(yè)結(jié)合將推動(dòng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，高質(zhì)量完善的農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)則成為農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究中必不可少的技術(shù)手段［9］。

3.1 農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)

國(guó)外主要有UK CropNet、GPI、GrainGenes、MaizeGDB、SGMDB、LIS、AGIS等［10］數(shù)據(jù)庫(kù)，從事研究的公司有美國(guó)孟山都(Monsanto)公司、先鋒(Pioneer)公司等。國(guó)內(nèi)有中科院基因組生物信息學(xué)中心建立的中國(guó)水稻(秈稻)基因組“工作框架圖”及數(shù)據(jù)庫(kù)以及中國(guó)農(nóng)業(yè)物種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)等。

3.2 農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用

通過(guò)數(shù)據(jù)檢索、序列比對(duì)、同源性分析、結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)等工具軟件的運(yùn)用，可將分析數(shù)據(jù)應(yīng)用于農(nóng)作物模式植物研究、種質(zhì)資源保存、病蟲(chóng)害防治、作物遺傳育種等［11］方面，從而為解決模式植物的基因組測(cè)序、保護(hù)瀕危種質(zhì)資源、控制動(dòng)植物病蟲(chóng)害和培育優(yōu)良高產(chǎn)的農(nóng)作物品種方面提供可靠保障。

4 生物信息學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用

食品在加工制作和存儲(chǔ)過(guò)程中各種細(xì)菌數(shù)量發(fā)生變化，傳統(tǒng)檢測(cè)方法是進(jìn)行生化鑒定，但所需時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足檢驗(yàn)檢疫部門(mén)的要求，運(yùn)用生物信息學(xué)方法獲得各種致病菌的核酸序列，并對(duì)這些序列進(jìn)行比對(duì)，篩選出用于檢測(cè)的引物和探針，進(jìn)而運(yùn)用PCR法［12-13］、RT-PCR法、熒光RTPCR法、多重PCR［14-16］和多重?zé)晒舛縋CR等技術(shù)，可快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出細(xì)菌及病毒。此外，對(duì)電阻抗、放射測(cè)量、ELISA法、生物傳感器、基因芯片等［16-20］技術(shù)也是未來(lái)食品病毒檢測(cè)的發(fā)展方向。

4.2 在轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品檢測(cè)中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)是通過(guò)設(shè)計(jì)特異性的引物對(duì)食品樣品的DNA提取物進(jìn)行擴(kuò)增，從而判斷樣品中是否含有外源性基因片段［21］。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)信息的及時(shí)更新，可準(zhǔn)確了解各國(guó)新出現(xiàn)和新批準(zhǔn)的轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品，便于查找其插入的外源基因片段，以便及時(shí)對(duì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行修改。

目前由于某些通過(guò)食品傳播的病毒具有變異特性，以及檢測(cè)方法的不完善等因素影響，生物信息學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用還比較有限，但隨著食品安全檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷完善，相信相關(guān)的生物信息學(xué)技術(shù)將在食品領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

5 生物信息學(xué)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

5.1 在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

生物信息學(xué)在環(huán)境領(lǐng)域主要應(yīng)用在控制環(huán)境污染方面，主要通過(guò)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)的運(yùn)用構(gòu)建遺傳工程特效菌株，以降解目標(biāo)基因及其目標(biāo)污染物為切入點(diǎn)，通過(guò)降解污染物的分子遺傳物質(zhì)核酸DNA以及生物大分子蛋白質(zhì)酶，達(dá)到催化目標(biāo)污染物的降解，從而維護(hù)空氣［22］、水源、土地等生態(tài)環(huán)境的安全。

5.2 與環(huán)境有關(guān)的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)

美國(guó)農(nóng)業(yè)研究中心(ARS)的農(nóng)藥特性信息數(shù)據(jù)庫(kù)(PPD)提供334種正在廣泛使用的殺蟲(chóng)劑信息，涉及它們?cè)诃h(huán)境中轉(zhuǎn)運(yùn)和降解途徑的16種最重要的物化特性。日本豐橋技術(shù)大學(xué)(Toyohashi University of Technology)多環(huán)芳烴危險(xiǎn)性有機(jī)污染物的物化特性、色譜、紫外光譜的譜線圖。美國(guó)環(huán)保局綜合風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)(IRIS)涉及600種化學(xué)污染物，列出了污染物的毒性與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)以及分子遺傳毒性參數(shù)［23］。

除此之外，生物信息學(xué)在生物防治［24］中也起到了重要的作用。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，情報(bào)、信息等學(xué)科的資源共享，勢(shì)必會(huì)創(chuàng)造出一個(gè)環(huán)境微生物技術(shù)信息的高速發(fā)展趨勢(shì)。

6 生物信息學(xué)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用

6.1 在能源開(kāi)采中的應(yīng)用

在石油增產(chǎn)措施中，綜合運(yùn)用GenBank、EMBL、SWISS-PROT等數(shù)據(jù)庫(kù)以及Clustal W、Tree-View、Blast等軟件將各類數(shù)據(jù)對(duì)比分析，人們已經(jīng)能夠使用商業(yè)性的酶來(lái)降解生物聚合物，通過(guò)篩選有益細(xì)菌來(lái)獲取高級(jí)的生物催化劑，從而提高石油的產(chǎn)量［25-26］。原核生物多樣性采礦技術(shù)得到了迅速發(fā)展。同樣，不同類型的煤也會(huì)發(fā)生類似的生物轉(zhuǎn)變，可以轉(zhuǎn)變成甲烷。人們通過(guò)生物信息學(xué)技術(shù)手段開(kāi)采能源的新方法，可提高能源的采出率和降低開(kāi)采難度。

6.2 生物信息學(xué)在綠色生物能源中的應(yīng)用

在確保糧食安全的前提下，通過(guò)生物學(xué)技術(shù)改良糧食基因，使之轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合作為石油等能源替代品的生物能源，這是解決能源短缺問(wèn)題的途徑之一。這主要通過(guò)生物催化劑的基因轉(zhuǎn)變和代謝工程，利用酶和細(xì)菌對(duì)生物體的碳?xì)浠衔镞M(jìn)行新陳代謝優(yōu)化，從而用于開(kāi)發(fā)生產(chǎn)生物乙醇等生物能源。

由于發(fā)展生物能源產(chǎn)業(yè)是緩解能源供求矛盾的有效手段，世界許多國(guó)家都先后不同程度地開(kāi)發(fā)了生物能源產(chǎn)業(yè)［27］。但是必須在糧食安全的前提下關(guān)注能源安全，在協(xié)調(diào)糧食安全的同時(shí)尋求發(fā)展生物能源路徑。

生物信息學(xué)廣泛用于科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，不僅可以為科研服務(wù)，還可以在教育、政府機(jī)構(gòu)和商業(yè)企業(yè)等領(lǐng)域中發(fā)揮獨(dú)到的作用。但是僅有信息資源是不夠的，選出符合自己需求的生物信息就需要情報(bào)部門(mén)以及信息中介服務(wù)機(jī)構(gòu)提供相關(guān)服務(wù)，通過(guò)出版物、信息共享平臺(tái)、數(shù)字圖書(shū)館、電子論壇等信息媒介的幫助，科研工作者可快速有效地找到符合需要的信息［28］。目前我國(guó)生物信息學(xué)發(fā)展還很不均衡，與國(guó)際前沿有一定差距，這需要從事信息和科研的工作者們不斷學(xué)習(xí)努力趕上。

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Application of Bio-informatics in Biology Research

MENG Shuang1，XU Chong2，CHEN Li-yuan2，CHEN Jie2
(1.Liaoning Prov.Inst.of Sci.＆Technol.Inform.，Shenyang 110016;2.Liaoning Acad.of Microbiol.Sci.Chaoyang 122000)

The effects of bio-informatics on biological research were summarized in this article.The application survey of bio-informatics in bio-technology，bio-medicine，agriculture，food，environment，energy，and other research fields was also introduced.The significance of bio-informatics to serve the biological scientific research was elaborated as well.

bio-informatics;bio-technology;database;application

Q－3

A

1005－7021(2011)01－0078－04

孟雙女，助理研究員，碩士。研究方向?yàn)閿?shù)量經(jīng)濟(jì)學(xué)。Tel:024-23983533，E-mail:mengshuang@lninfo.gov.cn

2011-01-10;

2011-01-21