106052008256吴宾

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1、生物信息技术106052008256 网络工程 吴宾生 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 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

2、、 通 信 技 术 、 微 电 子 技 术 结 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 （ 1）

3、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

4、 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

5、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

6、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

7、 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

8、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

9、 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

10、 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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、 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