利用科研信息化手段推動微生物研究與應用*

文/馬俊才 劉 斌 吳林寰 杜曉萌 孫清嵐 王 楠

1中國科學院微生物研究所北京100101

2中國科學院科技促進發(fā)展局北京100864

利用科研信息化手段推動微生物研究與應用*

文/馬俊才1劉 斌2吳林寰1杜曉萌1孫清嵐1王 楠1

1中國科學院微生物研究所北京100101

2中國科學院科技促進發(fā)展局北京100864

信息技術對科學研究活動產(chǎn)生了巨大的影響。中科院微生物所開展了一系列科研信息化的有益嘗試。承擔了世界微生物數(shù)據(jù)中心（WDCM）的建設工作，開發(fā)了微生物菌種信息挖掘與服務平臺，并實施了包括工業(yè)生物技術知識環(huán)境建設、應用微生物研究網(wǎng)絡信息中心建設等在內(nèi)的一系列科研信息化項目，力求將微生物學研究與學科應用緊密結合起來，以學術研究服務產(chǎn)業(yè)應用。文章通過具體案例的實踐探索，針對如何利用科研信息化手段推動微生物學研究和的應用，提出了若干意見。

科研信息化，世界微生物數(shù)據(jù)中心，微生物菌種信息挖掘與服務平臺，工業(yè)生物技術知識環(huán)境建設，應用微生物研究網(wǎng)絡

DOI 10.3969/j.issn.1000-3045.2013.04.013

現(xiàn)代網(wǎng)絡信息技術使當今社會發(fā)生了革命性的改變，對科學研究活動也產(chǎn)生了巨大的影響。海量科研數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，科研管理手段的更新，全球科技合作的訴求，地理國界樊籬的突破，這些都意味著科學研究急需飛速發(fā)展的信息化手段的支撐。而作為已在“第四次科技革命”中大放異彩的生物學的重要分支，微生物學研究亦融入科技發(fā)展的奔涌浪潮中，搭乘信息化的方舟，激蕩出一朵朵耀眼的科技浪花。

1 微生物資源信息化現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

微生物學是現(xiàn)代分子生物學發(fā)展的三大支柱之一，其在整個生物學發(fā)展中起到了不可估量的作用。而微生物數(shù)據(jù)資源是微生物資源共享和開發(fā)的關鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)資源的豐富性、準確性和共享水平?jīng)Q定著整個微生物學領域研究和應用的綜合能力。與實物資源相比，微生物信息資源是最有可能實現(xiàn)共享的一種資源。通過信息技術，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，為微生物資源研究的各個環(huán)節(jié)提供包括數(shù)據(jù)管理及共享、數(shù)據(jù)分析、計算模型等在內(nèi)的支撐，促進信息資源的共享從而帶動對微生物資源的開發(fā)和利用，對微生物資源研究和生物技術發(fā)展具有重要的意義。

世界各國科研人員對信息資源的共享需求，促進了生物學數(shù)據(jù)庫的大發(fā)展。目前，世界上最著名的核酸一級數(shù)據(jù)庫有3個，即由美國國立生物技術信息中心（NCBI）建立和維護的GenBank數(shù)據(jù)庫、由歐洲生物信息學研究所（EBI）維護的EMBL核酸序列數(shù)據(jù)庫和日本的DDBJ數(shù)據(jù)庫[1]。而伴隨著人類基因組計劃（HGP）的實施，產(chǎn)生了為此計劃保存和處理基因組圖譜數(shù)據(jù)的基因組數(shù)據(jù)庫（GDB）。蛋白質數(shù)據(jù)庫主要包括：PSD（PIR國際蛋白質序列數(shù)據(jù)庫）、SWISS-PROT（蛋白質序列注釋數(shù)據(jù)庫）、PROSITE（蛋白質位點和序列模式數(shù)據(jù)庫）、PDB（蛋白質空間結構數(shù)據(jù)庫）、SLOP（蛋白質結構分類數(shù)據(jù)庫）和COG（蛋白質直系同源簇數(shù)據(jù)庫）等。相關功能數(shù)據(jù)庫主要包含：KEGG（京都基因和基因組百科全書）、DIP（相互作用的蛋白質數(shù)據(jù)庫）、ASDB（可變剪接數(shù)據(jù)庫）、TRRD（轉錄調(diào)控區(qū)數(shù)據(jù)庫）、TRANSFAC（轉錄因子及其結合位點數(shù)據(jù)庫）[2]。自2010年起，核酸序列數(shù)據(jù)開始爆發(fā)式的增長，每年數(shù)據(jù)產(chǎn)出達到數(shù)百PB級，耗資數(shù)百億美元以上，推動了眾多重要的科學發(fā)現(xiàn)。截至2011年，全球至少有超過1 300個在線生物信息學數(shù)據(jù)庫。截至2011年3月，已經(jīng)完成測序的細菌基因組達到876個，還有648個基因組完成了測序草圖[3]。

微生物數(shù)據(jù)資源的開發(fā)和共享極大地推動了科學的進步，但其在發(fā)展過程中也不可避免地面臨諸多問題和挑戰(zhàn)。由于資源和環(huán)境分布的局限性，微生物學研究也不可避免地受到區(qū)域限制，全球性的合作勢在必行。然而，在全球，還沒有一個比較統(tǒng)一的項目或者領導性的機構，來協(xié)調(diào)各方資源，促進交流合作和資源的共享。21世紀初，經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）曾經(jīng)推動過全球微生物資源中心網(wǎng)絡（GBRCN），歐盟也推動過歐洲微生物資源及信息共享項目（CABRI），但是這些計劃由于缺乏共享機制和技術力量支持等原因，都未能建立一個穩(wěn)定運行的成熟的國際性數(shù)據(jù)平臺；此外，各國對微生物資源開發(fā)和信息化應用的進程不一，也是阻礙世界微生物學整體發(fā)展的一個重要因素。

具體到我國的微生物數(shù)據(jù)資源領域，我們與發(fā)達國家的差距主要體現(xiàn)在兩個方面：一是在我國的微生物學領域中，缺乏統(tǒng)一的、近乎覆蓋全國的信息平臺和知識環(huán)境，用來整合調(diào)動全國各主要微生物學科研機構，服務我國國內(nèi)的微生物學研究與應用；二是世界知名數(shù)據(jù)庫均為歐美發(fā)達國家所開發(fā)，這就使我國的微生物資源信息化在國際學術界處于從屬地位。因此，開發(fā)具有國際影響力的微生物學數(shù)據(jù)庫和信息平臺十分必要。在此基礎上，還應進一步主導建立全球性權威微生物學數(shù)據(jù)庫，提升我國在國際微生物學界的地位。

2 中科院微生物所的科研信息化實踐

認識到科研信息化的重要性及其在微生物學的巨大潛在服務能力，中科院微生物所結合自身的研究方向，開展了一系列科研信息化的有益嘗試。承擔了世界微生物數(shù)據(jù)中心（WDCM）的建設工作，在WDCM的框架下，開發(fā)了微生物菌種信息挖掘與服務平臺，并在中科院生命科學與生物技術局、信息化工作領導小組辦公室的支持下，與上海生命科學院、天津工業(yè)生物技術所、青島生物能源與過程所、成都文獻情報中心、對地觀測與數(shù)字地球科學中心等單位合作，實施了包括工業(yè)生物技術知識環(huán)境建設、應用微生物研究網(wǎng)絡信息中心建設等在內(nèi)的一系列科研信息化項目，力求將微生物學研究與學科應用緊密結合起來，以學術研究服務產(chǎn)業(yè)應用。本文將選取若干案例加以介紹，為業(yè)界同仁以及對科研信息化應用感興趣的讀者提供借鑒。

2.1 世界微生物數(shù)據(jù)中心（WDCM）的建設

隨著計算機技術的飛躍發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的滲透普及，國內(nèi)外形成了一系列微生物分類數(shù)據(jù)庫。用戶可以據(jù)菌種的部分特征搜索目標微生物,并能通過網(wǎng)絡獲得相關微生物的生化指標等在線資料，這些都為微生物研究者提供了巨大的信息資源，信息的快速收集極大地擴展了微生物研究人員的研究范圍以及研究能力。同時,高度發(fā)達的網(wǎng)際互聯(lián)為微生物學的信息交流、資源共享和國際合作帶來了前所未有的機遇。

世界微生物數(shù)據(jù)中心（WDCM）隸屬世界菌種保藏聯(lián)合會（WFCC）和聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）的微生物資源中心網(wǎng)絡MIRCEN(UNESCO Microbial Resources Centers Network)，是微生物數(shù)據(jù)資源領域規(guī)模最大、成員最多、最具國際影響力的科學組織之一，也是科研信息化的踐行者和推動者。目前WDCM收集了全世界68個國家584個保藏中心的微生物資源信息。中心在國際生物多樣性公約的框架下促進微生物資源的共享利用；同時借鑒國際先進的微生物資源管理經(jīng)驗，竭力提升全球微生物資源保藏工作的信息化管理水平和數(shù)據(jù)質量，以期使發(fā)展中國家微生物資源的研究和開發(fā)利用更好地融入國際研究計劃，建立良好的溝通平臺，形成與世界對話的能力。

建設WDCM是微生物所促進全球科研信息化的成功案例。就我國而言，它豐富了中國微生物信息資源，為我國微生物技術創(chuàng)新和新品種創(chuàng)造提供物質基礎，增強了我國微生物產(chǎn)品的研發(fā)能力，并建立了良好的溝通平臺，使中國微生物資源的研究工作更好地融入國際研究計劃，提升中國微生物學領域的國際影響力；就全球范圍來看，世界微生物數(shù)據(jù)中心提供了一個有效整合全球微生物資源數(shù)據(jù)的機制和平臺。這一平臺幫助實現(xiàn)了對全球微生物及其遺傳資源的盤點，在國際生物多樣性公約旨在保護資源輸出國利益的前提下，促進微生物資源的共享利用。

2.2 微生物菌種信息挖掘與服務平臺建設

微生物資源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎和生物技術創(chuàng)新的重要源泉，是目前生命科學領域研究和產(chǎn)生數(shù)據(jù)最豐富、對數(shù)據(jù)分析最深入、方法研究最成熟的學科。為了很好地應對微生物研究過程中對數(shù)據(jù)的需求，我們構建了微生物菌種信息挖掘與服務平臺。該平臺包括全球微生物資源目錄（Global Catalogue of Microorganisms，GCM）和生物資源引用分析系統(tǒng)（Analyzer of Bio-resource Citations，ABC）。

GCM是為全球保藏中心和微生物學家服務的整合型全球微生物數(shù)據(jù)資源平臺。平臺將開拓與菌種資源相關的基因組、蛋白質、結構、功能、應用等多方面異構大數(shù)據(jù)。形成自主開發(fā)、只針對微生物菌種資源的綜合結構化數(shù)據(jù)庫。同時嵌套多種數(shù)據(jù)分析工具，為菌種資源提供信息查詢、數(shù)據(jù)分析、功能預測、開發(fā)利用等多方面的支持與服務。目前，已有來自全球19個國家36個保藏中心的超過23萬余株微生物資源數(shù)據(jù)加入了該平臺。預計未來,該計劃將覆蓋全球超過100個保藏中心的數(shù)據(jù)資源。這對提升我國在全球微生物資源數(shù)據(jù)共享及利用的引領地位具有重要意義。

ABC是利用搜索引擎、文本挖掘等信息技術，對生物資源類文獻進行信息采集，數(shù)據(jù)整理和引用關系挖掘的Web平臺。在此過程中建立起關于生物領域資源類文獻的元數(shù)據(jù)信息庫及全文庫。并在此基礎上，挖掘出生物領域資源類文獻對生物資源的引用信息。ABC系統(tǒng)集成了微生物在科學文獻、專利、基因組、核酸序列等方面的數(shù)據(jù)挖掘信息，提供給微生物保藏機構、科研人員、保藏微生物使用者全面的微生物資源引用信息。

全球微生物菌種保藏目錄和生物資源引用分析系統(tǒng)的建設和成功實施，對于建立統(tǒng)一的全球微生物菌種目錄體系，對主要的保藏中心的目錄的標準化整理，提供統(tǒng)一的檢索出口；深度挖掘了微生物資源引用情況和生物信息學數(shù)據(jù)分析，同時規(guī)范化了全球各注冊微生物菌種保藏中的記錄提交字段；更加方便了微生物菌種資源的交流與利用；提升了我國在國際微生物保藏領域的引領作用。對世界微生物資源保藏組織、微生物資源領域專家學者以及微生物資源的研究使用者提供一個知識全面、追蹤更新、方便易用的查詢分析平臺。

2.3 工業(yè)生物技術知識環(huán)境建設

我國十分重視工業(yè)生物技術的發(fā)展，在《國家中長期科學與技術規(guī)劃》中將其列為重點研究領域。中科院也從國家戰(zhàn)略規(guī)劃的高度考量，特別在其“10+1”基地建設規(guī)劃中，設置了“先進工業(yè)生物技術基地”。

為了促進基地項目之間的資源共享和合作研究，構建緊密融入用戶科研過程的個性化知識環(huán)境，微生物所啟動了“工業(yè)生物技術知識環(huán)境”建設工作。項目從調(diào)查研究、戰(zhàn)略分析、知識庫和知識環(huán)境建設及基地信息化管理等方面入手，結合工業(yè)生物技術基地中的項目管理、人才隊伍建設、院地、院企合作等工作，整合和集成工業(yè)生物技術研究必須的生物實物資源信息、專利信息、文獻情報、產(chǎn)品、企業(yè)、政策等信息，建立工業(yè)生物技術基地綜合知識倉庫、智能檢索引擎和信息化協(xié)同工作環(huán)境；緊密跟蹤國際工業(yè)生物技術發(fā)展趨勢，針對若干重大應用需求，定期開展最新發(fā)展態(tài)勢和核心關鍵技術信息的定制信息服務，形成中科院工業(yè)生物技術發(fā)展戰(zhàn)略報告；結合基地的人力資源管理，建立骨干科研人員個人門戶，管理組織的顯性知識，并且積累、挖掘組織的隱性知識，以“中國工業(yè)生物技術信息網(wǎng)”為門戶，促進生物技術成果的信息共享、成果轉化和院地、院企合作；建立我國生物能源科學技術評價體系，為國家或相關部門特別是中科院先進工業(yè)生物技術創(chuàng)新基地提供生物能源科學技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的對策與建議?！肮I(yè)生物技術的知識環(huán)境”項目是中科院首次嘗試為基地建設配置專門的信息化支撐項目，既是基地管理模式的創(chuàng)新，也是利用信息化手段服務科研活動的有益探索。

通過知識環(huán)境建設，在工業(yè)生物技術基地各研究單元之間初步形成了一張知識網(wǎng)。在知識網(wǎng)的基礎上，還結合應用微生物研究網(wǎng)絡建設以及所際聯(lián)合的網(wǎng)格式研究中心建設，形成面向基地的資源、研究和知識三網(wǎng)合一的網(wǎng)絡管理構架。網(wǎng)絡管理構架模式的提出和實踐，增強了基地對科研布局和科研組織的調(diào)控能力，有效彌補了原有的院所垂直管理關系的局限性，增加了網(wǎng)絡之間節(jié)點的聯(lián)系，促進了資源的逐步整合共享、優(yōu)化配置。從而有利于凝聚全院力量，在聯(lián)合爭取和承擔重大項目、開展多學科合作方面迅速反應，系統(tǒng)應對。打破原有機制體制和管理組織形式的瓶頸問題，對基地管理工作和科研活動本身都產(chǎn)生了積極的推動作用。將資源網(wǎng)絡、研究網(wǎng)絡、知識網(wǎng)絡結合，實現(xiàn)三網(wǎng)合一多層網(wǎng)絡架構的管理模式是基地實現(xiàn)高效科研管理的有益嘗試。

在“10+1”基地中率先開始知識環(huán)境建設的實踐，并通過中科院科研信息化示范項目的后續(xù)支持，基地實現(xiàn)了信息化工作與科研、管理方式創(chuàng)新的有機結合，為基地管理機制的創(chuàng)新提供了一個范例。

2.4 應用微生物研究網(wǎng)絡信息中心建設

微生物資源是地球上最大的、尚未充分開發(fā)利用的生物資源，是生物技術創(chuàng)新和生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的的源頭和基礎。我國微生物資源豐富，已有相當規(guī)模的菌種儲備，微生物應用研究也有一定基礎，但在微生物資源的規(guī)范管理、開放共享和功能評價等方面尚存在諸多問題，因而制約了微生物資源的開發(fā)利用。為推動我國微生物資源的收集、整合、研究和開發(fā)，中科院于2010年8月正式啟動了中科院應用微生物研究網(wǎng)絡，旨在更好地發(fā)揮微生物資源和技術在支撐生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展和滿足國家重大需求方面的作用，推動國民經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。

應用微生物研究網(wǎng)絡總體研究框架由總中心、分中心和網(wǎng)絡實驗室組成。總中心設有網(wǎng)絡信息中心，專門進行信息化建設相關工作。信息中心通過為應用微生物網(wǎng)絡建立科研信息化的工作環(huán)境，集成了超級計算、知識倉庫、文獻情報等信息化基礎設施，以先進的信息化手段提升微生物資源數(shù)據(jù)保藏和微生物資源開發(fā)能力，促進跨地區(qū)、跨領域的協(xié)同工作和資源共享；以世界先進的微生物菌種資源管理和數(shù)據(jù)標準為基礎，建立全國性應用微生物研究的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡體系，建立全面的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)匯交平臺；并且與我國從事微生物學研究的一線科學家緊密結合，深入挖掘數(shù)據(jù)應用需求，為我國應用微生物領域研究提供完善的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和先進的數(shù)據(jù)挖掘工具，從而切實推動微生物資源的開發(fā)利用。

應用微生物研究網(wǎng)絡是中科院在微生物資源研究領域的重要布局，也是一種新的組織和管理方式的探索與嘗試。

在網(wǎng)絡的整體層面，通過建立虛擬網(wǎng)絡實驗室，加強整體層面的聯(lián)系和對項目宏觀進度的把握，有效地促進了資源的整合和系統(tǒng)應對；在研究中心層面，以資源優(yōu)勢進行布局，充分發(fā)揮研究中心在資源的系統(tǒng)收集與整理、共享標準與機制、信息化建設、交流與合作等方面的關鍵作用。通過科研信息化的手段，對現(xiàn)有各領域的信息資源進行了充分的整合和數(shù)據(jù)挖掘，提供面向工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和海洋等應用方向的數(shù)據(jù)應用和服務的典型。

在網(wǎng)絡實驗室和具體的研究層面，中心為配合以需求為導向，深入挖掘資源應用潛力的設計初衷，建設了生物信息學、微生物元基因組、蛋白質組學分析、合成生物學模塊設計等各種數(shù)據(jù)分析和應用的平臺，充分利用計算資源為科學研究提供支撐。

應用微生物研究網(wǎng)絡的建立，整合了全院應用微生物研究力量，發(fā)揮了相關研究所在不同研究領域的優(yōu)勢和特長，完善了從資源保藏到資源開發(fā)和利用的產(chǎn)業(yè)鏈，前瞻性地搶占了海洋微生物和環(huán)境微生物研究的制高點，對加強應用微生物領域的知識積累、技術創(chuàng)新和轉化，整體提升該領域的創(chuàng)新能力，更好地發(fā)揮微生物在支撐生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展和解決國家需求方面的作用起到了重要作用。而與之相適應的科研信息化環(huán)境的建設，是應用微生物研究網(wǎng)絡得以高效、有序運行的一個不可或缺的保障。

3 結論和建議

信息化技術在科研中的應用其實并不拘泥于某一種模式。我們可以調(diào)動各種信息化手段，根據(jù)實際需要，量體裁衣，設計出最為適合的技術方案，輔佐微生物學的研究，進而促進科研成果的應用。建議從以下幾方面著手：

（1）加強針對微生物資源數(shù)據(jù)的保存、利用共享的機制及平臺的研究。在構建數(shù)據(jù)庫和平臺過程中，建立規(guī)范化、國際化微生物資源數(shù)據(jù)模型，通過促進數(shù)據(jù)資源的共享，加強微生物實物資源的交流，促進我國、乃至世界微生物學整體學科研究的發(fā)展。

（2）建立系統(tǒng)的知識環(huán)境，開發(fā)協(xié)同工作平臺。對各種數(shù)據(jù)、計算等資源進行整合，將數(shù)據(jù)轉變?yōu)橹R，并將傳統(tǒng)科學數(shù)據(jù)庫、ARP系統(tǒng)和超算設備等信息化手段與文獻情報服務相結合，深化戰(zhàn)略情報研究，服務科研應用，推進產(chǎn)學研一體化。借助知識環(huán)境，為科學家提供個性化的知識服務，提高工作效率，促進科研活動模式的轉變。

（3）在從事研究的過程中，還應注重創(chuàng)新科研管理模式。利用信息化技術，輔以有力的行政管理手段，雙管齊下，優(yōu)化管理模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定期匯交和整合，確保數(shù)據(jù)庫建設和項目實行的質量。

（4）積極推動國際行動計劃，逐步構建我國在國際微生物學界的主導地位。應積極倡導重要領域性國際合作行動計劃，通過參與、主導制定全球微生物資源數(shù)據(jù)的整合機制和信息平臺標準，吸引全球各國微生物資源保藏機構加入，建立國家和區(qū)域性節(jié)點，進一步確立我國在國際微生物資源信息共享領域的主導地位，并以此為契機逐步建立獲取、利用全球微生物資源的渠道，在微生物資源的利用方面開展與其他國家的實質性合作，推動我國及全球生物產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1 BaxevanisAD.Methods BiochemAnal,1998,39:1-15.

2 Borsani G,BallbioA,Banfi S.Hum Mol Genet,1998,7:1641-1648.

3 Genome Online Database:http://www.genomesonline.org/cgi-bin/ GOLD/index.cgi

馬俊才中科院微生物所網(wǎng)絡信息中心主任，正高級工程師。2006年獲日本三重大學生物資源系博士。兼任世界菌種保藏聯(lián)合會（WFCC）世界微生物數(shù)據(jù)中心（WDCM）主任、世界菌種保藏聯(lián)合會執(zhí)委、國際科學數(shù)據(jù)委員會CODATA中國國家委員會委員、中科院科學數(shù)據(jù)庫專家委員會副主任委員、中科院信息化專家委員會委員、中科院典型培養(yǎng)物委員會理事。主要從事生物網(wǎng)格、并行檢索技術、超大規(guī)模全文檢索技術、遠程異構數(shù)據(jù)庫的檢索引擎技術、IT技術在生物學領域的綜合利用等方面的研究。E-mail:ma@im.ac.cn

Promote Microbiological Research and Application by Virtue of e-Science

Ma Juncai1Liu Bin2Wu Linhuan1Du Xiaomeng1Sun Qinglan1Wang Nan1
（1 Institute of Microbiology,ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100101,China 2 Bureau of Life Sciences and Biotechnology,ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100864,China）

Information technology has greatly influenced scientific activities.Being aware of the significance of e-Science and its potentials in microbiological study,Institute of Microbiology,Chinese Academy of Sciences（IMCAS）implements a series of e-Science programs,including World Data Centre for Microorganisms（WDCM）,Service Platform for Information Mining of Microbial Strains,Knowledge Environment of Industrial Biotechnology,and Research Network for Applied Microbiology（RNAM）.The institute strives to integrate microbiological research and its application.This paper will discuss how to promote microbiological research and application by virtue of e-Science.

e-Science,World Data Centre for Microorganisms（WDCM）,service platform for information mining of microbial strains,knowledge environment of industrial biotechnology,Research Network forApplied Microbiology（RNAM）

*修改稿收到日期：2013年4月17日