通信工程與生物學的融合

1、通信工程和生物學的融合 -信息技術和生命科學姓名：學號：專業(yè)：通信工程學院：信息工程學院任課老師：上課時間：2012年3月5月摘要: 生物技術是以生命科學為基礎，利用生物（或生物組織、細胞及其他組成部分）的特性和功能，設計、構建具有預期性能的新物質或新品系，以及和工程原理相結合，加工生產(chǎn)產(chǎn)品或供應服務的綜合性技術。信息技術是探討信息的獲得、傳輸和處理的技術，由計算機技術、通信技術、微電子技術結合而成，即是利用計算機進行信息處理，利用現(xiàn)代電子通信技術從事信息采集、存儲、加工、利用以及相關產(chǎn)品制造、技術開發(fā)、信息服務的新學科。生命科學中信息的傳遞和溝通和通信工程中的網(wǎng)絡通信有親密的關聯(lián)，它們同屬網(wǎng)

2、絡系統(tǒng)，具有相同性和相關性。信息技術和生物技術都是高新技術，二者在新經(jīng)濟中并非此消彼長的關系，而是相輔相成，共同推動21世紀經(jīng)濟的快速發(fā)展。關鍵字：生物學，生命科學，生物技術，通信應用1.前言如今隨著科技的不斷發(fā)展，學科交叉的不斷深化，生物信息技術應運而生。生命和非生命物質最顯著的區(qū)分在于生命是一個完整的自然的信息處理系統(tǒng)。一方面生物信息系統(tǒng)的存在使有機體得以適應其內(nèi)外部環(huán)境的變更，維持個體的生存；另一方面信息物質如核酸和蛋白質信息在不同世代間傳遞維持了種族的持續(xù)。生命現(xiàn)象是信息在同一或不同時空傳遞的現(xiàn)象，生命的進化實質上就是信息系統(tǒng)的進化。2.正文2.1、生物科學中的神經(jīng)學科和通信的聯(lián)系尋求

3、說明神智活動的生物學機制,即細胞生物學和分子生物學機制。神經(jīng)科學了解在發(fā)育過程中裝配起來的神經(jīng)回路是如何感受四周世界、如何實施行為的,它們又如何 從記憶中找回知覺,一旦找回之后,它們還能對知覺的記憶有所 用。神經(jīng)科學也尋求了解支持我們心情生活的生物學基礎,心情如何使我們的思想變更顏色,以及當心情、思想及動作的調整發(fā)生扭曲時為什么會有抑郁、狂躁、精神分裂癥和阿爾茨海默癥等病癥。這都是些極端困難的問題,其困難程度 遠遠超過任何我們在其他生物學領域中曾經(jīng)面對的問題。生命科學中信息的傳遞和溝通和通信工程中的網(wǎng)絡通信有親密的關聯(lián)，它們同屬網(wǎng)絡系統(tǒng)，具有相同性和相關性。神經(jīng)科學中神經(jīng)元之間的信息傳遞方式有

4、兩種：一種是通過電信號傳遞，另一種是通過化學物質神經(jīng)遞質傳遞。后一種信息傳遞方式更為常見。、細胞間的信息溝通主要有三種方式：1】通過體液的作用來完成的間接溝通.如內(nèi)分泌細胞分泌激素激素進入體液體液運輸靶細胞受體接受激素得到信息靶細胞作出相應的反應.，即激素靶細胞.(比作寫信,激素就相當于人用信來溝通)。2】相鄰細胞間干脆接觸，通過和細胞膜結合的信號分子影響其他細胞，即細胞細胞。典型例子,精子和卵細胞受精的過程.(比作人面對面溝通)。3】.相鄰細胞間形成通道使細胞相互溝通，通過攜帶信息的物質來溝通信息。即細胞通道細胞典型的例子比如植物可以通過胞間連絲進行溝通(比作打電話,通過電話線來溝通)。細胞

5、間的信息溝通類似于通信工程的信息溝通。、生物科學和通信中的物理學聯(lián)系：物理學處理宏觀體系的理論(如熱力學、統(tǒng)計力學、耗散結構理論、信息論等 )，使人們可以從系統(tǒng)的宏觀角度探討生物體系的物質、能量和信息轉換的關系；物理學的微觀理論(如分子幫原子物理、量子力學、粒子物理等)，使人們可以從微觀角度探討生物大分子和分子聚集體(膜、細胞、組織等)的結構；運動和動能、非淺性理論、混沌理論則為腦科學的探討供應了理論指導，并預示了新的更宏大的科學革命的到來，而生物物理學的創(chuàng)立則是人類用物理學學問去揭示生命之謎的一個極其重要的里程碑，它為生命科學、生物工程呈現(xiàn)出一個無限美妙的前景。2.2、生物技術的發(fā)展須要信息

6、技術支撐信息技術為生物技術的發(fā)展供應強有力的計算工具。在現(xiàn)代生物技術發(fā)展過程中，計算機和高性能的計算技術發(fā)揮了巨大的推動作用。如今，人們越來越醒悟地相識到，超級計算機在創(chuàng)建新品種的藥物、治愈疾病以及最終使我們能夠修復人類基因缺陷等方面是至關重要的，高性能計算可以為人類作出更大的貢獻。康柏電腦公司董事會主席曾在一次演講上說道:“如今，我們很難將生物技術的進步和高性能計算領域的發(fā)展割裂開來。事實上，很多一流的科學家都信任，高性能計算是生物和醫(yī)藥的將來。今后，越來越多的具有強大功能的計算機和軟件將會被用來搜集、存儲、分析、模擬和發(fā)布信息。信息技術還有助于加強生物技術領域的各種數(shù)據(jù)庫管理、信息傳遞、檢

7、索和資源共享等。 、生物技術發(fā)展須要特定硬件技術的支持：在生物技術領域引起關注的硬件是基因芯片，它的研制也特別依靠于信息技術。在顯微鏡載片或硅片等基片上把基因片段排列、固定，這就是基因芯片。把這個芯片上的基因片段和檢體的基因片段放到基因芯片讀出器（也是一種破譯裝置）上，就能快速比較和破譯檢體信息。 、生物技術發(fā)展須要特定軟件技術的支持：生物技術及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對于生物技術類軟件的需求將進一步增加，軟件技術將成為支撐生物技術及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵力氣之一。在生物技術各領域中均須要相應的專業(yè)軟件來支撐：1) 各類生物技術數(shù)據(jù)庫的構建須要性能優(yōu)良、更新?lián)Q代快速的軟件技術；2) 核酸低級結構分析、引物設計、

8、質粒繪圖、序列分析、蛋白質低級結構分析、生化反應模擬等等也須要相應的軟件及其技術支撐；3) 加強生物平安管理和生物信息平安管理也離不開軟件及其技術發(fā)展的支持。2.3、生物技術為信息技術發(fā)綻開拓了新的道路生物技術推動超級計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著人類基因組安排各項任務的完成，有關核酸、蛋白質的序列和結構數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長。面對如此巨大而困難的數(shù)據(jù)，只有運用計算機進行數(shù)據(jù)管理、限制誤差、加速分析過程，使得人類最終能夠從中受益。然而要完成這些過程，并非一般的計算機力所能及，而須要具有超級計算實力的計算機。因此，生物技術的發(fā)展將對信息技術提出更高的需求，從而推動信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。比較有勸服力的例子是，2002年

9、11月22日出版的自然雜志上，以色列科學家宣布研制出一種由dna分子和酶分子構成的微型“生物計算機”，一萬億個這樣的計算機僅一滴水那樣大，運算速度達到每秒10億次，精確率為99.8%。當然像全部的新技術一樣，有的科學家表示懷疑。他們認為，這種試管里的計算機存在致命的缺陷，因為生化反應本身存在肯定的隨機性，這種運算的結果可能不完全精確；而且，參和運算的DNA分子之間的不能像傳統(tǒng)計算機一樣通信，只能“各自為戰(zhàn)”，不足以處理一些大型計算。歐美各國及日本相繼成立了生物信息數(shù)據(jù)中心，美國有國家生物技術信息中心(ncbi)、英國有歐洲生物信息探討所(ebi)、日本有70余家制藥、生物及高技術公司組成的“生

10、物產(chǎn)業(yè)信息化共同體”等。而戈德曼-薩克斯財團2001年的一份報告顯示，美國國際商用機器公司(ibm)、sun、康伯和摩托羅拉等公司每家已至少和生物技術公司和調研公司達成12項合作意向，共有140多項合作協(xié)議，合作內(nèi)容涉及到各種技術領域，包括基因芯片，用計算機模擬藥效等。生物技術將從根本上突破計算機的物理極限。目前運用的計算機是以硅芯片為基礎，由于受到物理空間的限制、面臨耗能和散熱等問題，將不行避開地遭受發(fā)展極限，要取得大的突破，須要依靠于新材料的革新。2000年美國加利福尼亞高校洛杉磯分校的科學家依據(jù)生物大分子在不同狀態(tài)下可產(chǎn)生有和無信息的特性，研制出分子開關（molecular switch

11、es）。2001年世界首臺可自動運行的DNA計算機問世，并被評為當年世界十大科技進展。2002年，DNA計算機探討領域的先驅阿德勒曼教授利用簡潔的DNA計算機，在試驗中為一個有24個變量、100萬種可能結果的數(shù)學難題找到了答案，DNA計算機的研制邁出了重要一步。、信息技術和生命科學融合的典型例子基因芯片基因芯片指對數(shù)以千記的DNA片段同時進行處理分析的技術,諸如基因組DNA突變譜和mRNA表達譜的檢測等。基因芯片技術是90年頭中期以來快速發(fā)展起來的分子生物學高新技術，是各學科交叉綜合的嶄新學科。其制備須要經(jīng)過以下步驟。1】、芯片制備：目前制備芯片主要以玻璃片或硅片為載體，采納原位合成和微矩陣的

12、方法將寡核苷酸片段或cDNA作為探針按依次排列在載體上。芯片的制備除了用到微加工工藝外，還須要運用機器人技術。以便能快速、精確地將探針放置到芯片上的指定位置。2】、樣品制備:生物樣品往往是困難的生物分子混合體，除少數(shù)特別樣品外，一般不能干脆和芯片反應，有時樣品的量很小。所以，必需將樣品進行提取、擴增，獲得其中的蛋白質或DNA、RNA，然后用熒光標記，以提高檢測的靈敏度和運用者的平安性.3】、雜交反應:雜交反應是熒光標記的樣品和芯片上的探針進行的反應產(chǎn)生一系列信息的過程。選擇合適的反應條件能使生物分子間反應處于最佳狀況中，削減生物分子之間的錯配率。4】、信號檢測和結果分析:雜交反應后的芯片上各個

13、反應點的熒光位置、熒光強弱經(jīng)過芯片掃描儀和相關軟件可以分析圖像，將熒光轉換成數(shù)據(jù)，即可以獲得有關生物信息。基因芯片技術發(fā)展的最終目標是將從樣品制備、雜交反應到信號檢測的整個分析過程集成化以獲得微型全分析系統(tǒng)（micro total analytical system）或稱縮微芯片試驗室（laboratory on a chip）。運用縮微芯片試驗室，就可以在一個封閉的系統(tǒng)內(nèi)以很短的時間完成從原始樣品到獲得所需分析結果的全套操作。、生物軟件1】.序列綜合分析軟件如 Vector NTI Suite 8.0，它是一個綜合性的軟件，本階段的大部分功能它都有。該軟件詳細特有良好的數(shù)據(jù)庫管理（增加、修改

14、、查找），對要操作的數(shù)據(jù)放在一個界面相同的數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一管理。軟件中的大部分分析可以通過在數(shù)據(jù)庫中進行選定（數(shù)據(jù)）->分析->結果（顯示、保存和入庫）三步完成。在分析主界面，軟件可以對核酸蛋白分子進行限制酶分析、結構域查找等多種分析和操作，生成重組分子策略和試驗方法，進行限制酶片段的虛擬電泳，新建輸入各種格式的分子數(shù)據(jù)、加以注釋，輸出高質量的圖像。Vector NTI Suite還有以下獨立的分析程序，完成相關分析。這些獨立的程序，可以通過選定->分析->結果三步調用。 l 3DMol顯示PDB格式分子的三維結構 l Align X序列相像性比較 l Align Xblo

15、cks序列局部完全相同比較 l ContigExpress將小片段拼裝成長序列 l GCGConverterGCG格式文件轉換成NTI的格式 l PubMed/Entrez Search搜尋PubMed、PDB、GenBank l Back Translation核酸->蛋白->核酸反向翻譯的工具 l Matrix Editor矩陣數(shù)據(jù)編輯 l Tools Manager連接其他程序和網(wǎng)絡連接的界面。分成Align、Analyze、Assemble、Tools四部分。2】.質粒繪圖軟件如Plasmid Premier2.02，RedasoftVisualCloning2000。Pl

16、asmid Premier2.02是由加拿大的Premier Biosoft公司推出的用于質粒作圖的專業(yè)軟件，主要用于進行質粒作圖，質粒特征分析和質粒設計。Redasoft Visual Cloning 2000 用來幫助生命科學家快速而輕松地繪制專業(yè)級質量的質粒載體圖， 主要的性能包括：快速和輕松地生成一個清楚，色調顯明的環(huán)行或線性的載體圖。自動識別和解析序列文件。新增的web閱讀功能允許你鏈接到數(shù)據(jù)庫站點，并支持下載和自動將序列文件轉換成載體圖。強大的限制性內(nèi)切酶分析功能和擁有將近1000種來自REBASE的限制性內(nèi)切酶。片段的刪除和插入完全模擬克隆試驗并和其他圖形兼容。允許質粒圖拷貝到剪

17、貼板并粘貼到其他Windows應用程序?？梢杂胑-mail的方式傳遞載體圖。3】.三維結構顯示軟件三維結構顯示如 RasMol 2.7RasMol 2.7是計算化學和分子圖形學以及信息產(chǎn)業(yè)的同步高速發(fā)展的成果，使一個一般的科研工作人員，在自己的個人電腦上，就可以從Internet上的各種免費數(shù)據(jù)庫中，下載所需視察和探討的分子坐標文件，進而通過RasMol 2.7以各種模式、各種角度，甚至依據(jù)自己的意愿旋轉著，視察此分子神奇的微觀三維立體結構，進而了解化合物分子結構和各種微觀性質和宏觀性質之間的定量關系。RasMol 2.7的作者是Glaxo&Wellcome公司（世界第一大制藥公司）研

18、發(fā)中心的科學家Roger Sayle。 RasMol 2.7最大的特點是界面簡潔，基本操作簡潔，運行特別快速，對機器的要求較低，對小的有機分子和大分子，如蛋白質、DNA或RNA, 均能適用，且顯示模式特別豐富。而且它程序短小，功能強大。尚無在功能上出其右者。其顯示窗口可以很簡潔通過選擇相應的菜單來顯示分子的三維結構。用吩咐行窗口，通過輸入吩咐可以執(zhí)行和顯示困難和要求極高的三維圖形。3、結論隨著現(xiàn)代科技發(fā)展過程中，各個學科相互融合，在探討生物科學的過程中大量的應用了電子，微電子技術。而各種計算機軟件則為試驗視察，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和試驗結果分析供應了極大的反便利。信息科學技術的發(fā)展，為處理困難試驗現(xiàn)象和試驗數(shù)據(jù)供應了可能，信息科學技術的發(fā)展，能夠有效推動生命科學以及其他科學的進步。學科之間的交叉，可以達到相互促進和共同加速發(fā)展的作用。如今在交叉學科快速發(fā)展的時代，信息科學無疑在更多領域有了用武之地。信息產(chǎn)業(yè)和生物產(chǎn)業(yè)無疑都是高科技的產(chǎn)物，在生命科學的探討中，始終不能缺少計算機的工作，假如到基因組測序的探討所去看一看，大量的以超級計算機為基礎的測序儀，會使你誤以為到了一家信息技術公司。生物產(chǎn)業(yè)因計算機的加盟而提速，信息技術產(chǎn)業(yè)也因生命科學的須要而得以發(fā)展、獲利。運用數(shù)學、計算機科學和生物學的各種工具，來闡明和理解大量基因組探討獲得數(shù)據(jù)中所包含的生物學意義，生