前景光輝的生物信息產(chǎn)業(yè)－IT技術(shù)與生命科學(xué)握手 - Artificial Virus, Bioinformatics,人工病毒，生物信息
作者: 來源:科技日報(bào) 發(fā)布者: 亦云 類別:新聞掃描 日期: 2005-06-02 今日/總瀏覽: 36/40
美國基因研究專家埃里克·蘭德今年在波士頓舉行的“生物信息世界”會議上指出：“現(xiàn)代信息技術(shù)正在促使生命科學(xué)揭開新的一頁。計(jì)算機(jī)科學(xué)家與生命科學(xué)家合作至關(guān)重要，基因?qū)W的發(fā)展不僅依賴于生物信息技術(shù)的進(jìn)步，也離不開信息技術(shù)。”蘭德目前擔(dān)任美國麻省理工學(xué)院伍德海德研究中心負(fù)責(zé)人，他認(rèn)為在過去的20至30年中，生物學(xué)已從一種以實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)的科學(xué)轉(zhuǎn)向以信息為基礎(chǔ)的科學(xué)。他相信，基因科學(xué)的成功將“大大依靠信息科學(xué)與生命科學(xué)的聯(lián)姻”。
在芯片上誕生的嬰兒
生命科學(xué)家相信，IT將為現(xiàn)代生命科學(xué)譜寫新的一章。也許不要等太久，嬰兒可能是在一小塊由電腦控制的芯片上受孕并度過其最初發(fā)育的若干時(shí)日。這種由美國研究人員開發(fā)的芯片，能自動地執(zhí)行與體外授精有關(guān)的一切步驟，從卵細(xì)胞受精到胚胎培育，直至適于植入體內(nèi)。據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志介紹，這個(gè)相當(dāng)于人工生殖道的裝置還可望對胚胎進(jìn)行測試和篩選，通過這一例行診斷及早查明其基因中存在的缺陷。
在常規(guī)的體外授精中，精液和卵細(xì)胞都要被倒進(jìn)皮氏培養(yǎng)皿里，使受精卵在那里生長發(fā)育，直到具備植入體內(nèi)的條件。由于胚胎在不同階段需要不同的培養(yǎng)基，胚胎學(xué)家不得不在這期間用吸管將它們在各個(gè)培養(yǎng)皿間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。
根據(jù)這個(gè)操作特點(diǎn)，要求首先編制出精確完善的控制程序，再設(shè)計(jì)出一種模擬女性生殖道內(nèi)“環(huán)境”的裝置。這個(gè)由透明彈性體制成的裝置，外觀酷似一塊極小的玻璃載片，上面交叉分布著微型管道。這些管道的直徑約為0.2毫米，它們與由電腦程序控制的注射泵相連，后者的作用在于使胚胎四處活動和增減液體的流量。
利用這個(gè)裝置，研究人員進(jìn)行了培育小鼠胚胎的試驗(yàn)。結(jié)果表明，傳統(tǒng)的皮氏培養(yǎng)皿在48小時(shí)里毫無動靜，但管道內(nèi)的胚胎則有75%%達(dá)到足可植入體內(nèi)的胚泡階段，而且不曾發(fā)現(xiàn)任何有害的副作用。研究人員還用它成功地剝離了包裹在早期胚胎外的“卵膜”。在體外授精中，這個(gè)“輔助性孵化過程”有助于促使胚胎成熟，但胚胎往往因在酸性溶劑中放置時(shí)間過長而受到損傷。但在芯片微型管道中，只要用酸性溶劑對胚胎表面進(jìn)行快速沖洗，就能使卵膜在不受損傷的情況下自行破裂。
值得一提的是，這種特制的芯片，不僅允許同時(shí)培育多個(gè)胚胎，還可分別對各管道加以操縱和跟蹤，更容易在植入前淘汰劣質(zhì)胚胎。目前，胚胎學(xué)家已在顯微鏡下觀察到這樣的胚胎，還有不少診所對其氧氣和葡萄糖消耗量以及釋放的二氧化碳含量進(jìn)行了測試。有關(guān)人士聲稱，這項(xiàng)研究可能是為今后50至100年普及體外授精而邁出的第一步，它解除了女性在妊娠過程中感染各種病毒的威脅。
集成電路植入技術(shù)
不久的將來，人們將可以通過向人體植入集成電路來治愈各種疾病。去年12月，法國弗瑞爾大學(xué)的一位醫(yī)生找到了一種利用芯片植入技術(shù)治療帕金森綜合征的方法，使患者在瞬間獲得行動能力。這種新的治療方法稱為神經(jīng)植入治療法，通過由無線電或其他信號控制的計(jì)算機(jī)芯片可以影響或增強(qiáng)大腦運(yùn)轉(zhuǎn)的活力，進(jìn)而改善患者的生理或運(yùn)動能力。
帕金森綜合征是由一系列的生理因素引起的，人體內(nèi)擁有一種叫做多巴胺的“神經(jīng)傳感器”，如果這種神經(jīng)傳感器的數(shù)量不足，大腦內(nèi)兩個(gè)特殊的微小區(qū)域就會過度疲勞，這種疲勞對身體功能將產(chǎn)生負(fù)面影響。帕金森綜合征患者有以下癥狀：行動遲緩，身體僵硬，甚至不能正常行走。最終這些患者將完全麻痹，許多人因此死去。弗瑞爾大學(xué)的A·L·本彼得教授發(fā)現(xiàn)，可以利用抑制大腦內(nèi)這兩個(gè)區(qū)域的過度疲勞來減緩上述癥狀。但他的治療方法卻恰恰相反，他通過在患者大腦永久植入一個(gè)電極來過度刺激這兩個(gè)區(qū)域以達(dá)到治療的目的。這個(gè)電極和安置于患者胸部的一個(gè)小的電子控制單元之間由金屬線相連。本彼得利用無線電信號來遙控這個(gè)單元，甚至可以隨意開關(guān)它。
電子人
2002年5月10日，美國有8個(gè)人的體內(nèi)被植入硅片，這是電腦芯片植入人體這項(xiàng)有爭議技術(shù)的首次商業(yè)應(yīng)用。
制造商應(yīng)用數(shù)字設(shè)備公司稱，芯片將被用做身份識別設(shè)備，同時(shí)還可攜帶重要的醫(yī)療信息。該公司還說，它們正在研制一種更復(fù)雜的芯片，可以接收衛(wèi)星全球定位坐標(biāo)信號，并傳送個(gè)人的方位。
這種微型設(shè)備只有一粒米大小，將被植入接受者的背部，通過使用無線手持掃描器激活休眠狀態(tài)的芯片，屆時(shí)會傳送含有一個(gè)識別號碼的信號。通過在中央電腦中注冊輸入這個(gè)號碼就能獲得所需的信息。一些保護(hù)個(gè)人隱私團(tuán)體強(qiáng)烈反對植入芯片，他們說這樣會形成跟蹤控制的局面。
醫(yī)學(xué)專家認(rèn)為，在尋找失蹤的早老性癡呆癥患者等方面，芯片可能還不及每個(gè)人都能看懂的身份識別手鐲等傳統(tǒng)方法有效。
第一批芯片試用者包括一名早老性癡呆癥患者、幾名應(yīng)用數(shù)字設(shè)備公司的員工以及想要率先嘗試電子人技術(shù)的一對夫婦和他們的兒子。
應(yīng)用數(shù)字設(shè)備公司計(jì)劃每個(gè)芯片售價(jià)200美元，再加上每個(gè)月10美元的信息存儲費(fèi)，公司說目前還有4000到5000人在等待植入這種芯片。這種芯片已經(jīng)引起了來自巴西和墨西哥的商業(yè)和政府方面相當(dāng)大的興趣。
IT公司聯(lián)姻生命科學(xué)
人類基因組工作草圖繪畢的消息像打開了阿里巴巴寶藏的大門，以基因技術(shù)為核心的生命科學(xué)市場正吸引著越來越多的淘金者。
一個(gè)行業(yè)的科技變革由另一行業(yè)的科技進(jìn)步而促成的先例在人類歷史上是不常見的。但這正是今天生命科學(xué)所面臨的情況。人類遺傳密碼圖譜既是生物學(xué)的壯舉也是計(jì)算的壯舉。信息科技有史以來首次成為推動實(shí)驗(yàn)生物學(xué)發(fā)展的原動力。這一趨勢明顯地表現(xiàn)在所有與了解疾病起因、新藥開發(fā)相關(guān)的關(guān)鍵領(lǐng)域中———基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)以及代謝途徑的研究等。這些專業(yè)的研究需要依靠強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)和存儲管理系統(tǒng)來完成大量的數(shù)據(jù)處理工作。
人類基因組草圖僅僅是讀出了“生命之書”，而要真正讀懂它，揭示所有基因編碼所代表的信息，還必須破譯浩如煙海的數(shù)據(jù)。
在著名的英國桑格中心里，有關(guān)人類基因組的數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到22萬億字節(jié)，是世界上首屈一指的美國國會圖書館藏書內(nèi)容的兩倍多。據(jù)這家中心估計(jì)，在未來2至3年內(nèi)，與人類基因組有關(guān)的數(shù)據(jù)量還將上升到50萬億至100萬億字節(jié)。
而下一步對生命與疾病的分子生物學(xué)的了解將幫助人類解開促使基因?qū)⑷梭w內(nèi)100多萬種蛋白質(zhì)編碼的復(fù)雜原因。對這些蛋白質(zhì)的排列結(jié)構(gòu)和它們之間交互關(guān)系的研究將需要前所未有的計(jì)算馬力。這需要分析、分類、研究超大數(shù)量的信息并把它們同全球各地的研究中心和科學(xué)家們協(xié)調(diào)起來。
為了解決處理數(shù)據(jù)所需的龐大計(jì)算能力的問題，世界上最大的12家生命科學(xué)公司目前把近10%%的科研預(yù)算用于資訊科技投資，而且這個(gè)比例可能還將增長。
已經(jīng)成為生命科學(xué)領(lǐng)域電腦服務(wù)器主要供應(yīng)商的康柏公司不甘落后，最近宣布它將繼續(xù)投資支持新興生物技術(shù)公司，以培養(yǎng)未來的客戶基礎(chǔ)。
其實(shí)，IT公司還遠(yuǎn)不止盯著這些近期利益。以基因研究為基礎(chǔ)的生物經(jīng)濟(jì)可能在新世紀(jì)里成為新經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，對此人們已經(jīng)達(dá)成共識。
根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，率先進(jìn)入市場的公司大多能夠成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定者，這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)往往意味著巨大的經(jīng)濟(jì)利益。
德國獅生命科學(xué)公司的股票上市之時(shí)，由于投資者看中這家公司的基因次序檢索系統(tǒng)（SRS）可能成為行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)，其股票價(jià)格在短時(shí)間里迅速上漲了50%。
IT公司進(jìn)軍生命科學(xué)領(lǐng)域，與各國政府對基因研究的支持密不可分。為了在基因組研究的下一個(gè)階段———分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的國際競爭中領(lǐng)先，不少國家積極采取措施，促進(jìn)信息業(yè)與生物產(chǎn)業(yè)的結(jié)合。
日本不久前就組織了“官產(chǎn)學(xué)”大聯(lián)合的“生物產(chǎn)業(yè)信息化研究共同體”，參加這個(gè)共同體的除了制藥、食品、生物、化學(xué)等與基因科學(xué)相關(guān)的企業(yè)外，還有不少電腦公司。
不甘寂寞的IBM
生命科學(xué)是近幾年在國內(nèi)興起的新興學(xué)科，目前無論是在國內(nèi)還是國外，都是一個(gè)令人關(guān)注的研究領(lǐng)域。IBM公司早在1992年就開始涉足該領(lǐng)域，目前的生命科學(xué)專利在全球范圍內(nèi)居第八位。如今，IBM公司不僅是全球最大的IT公司，而且在科研領(lǐng)域涉足廣泛，從高溫超導(dǎo)體、電子掃描顯微鏡、量子計(jì)算機(jī)，到新納米材料以及生命科學(xué)。
“藍(lán)色巨人”IBM已經(jīng)決定投資1億美元，用5年時(shí)間研制一種名為“藍(lán)基因”的超級電腦。IBM估計(jì)，與生命科學(xué)有關(guān)的資訊科技市場2003年已達(dá)90億美元。
“藍(lán)基因”的運(yùn)算能力將是美國現(xiàn)有40臺最快的超級電腦運(yùn)算能力總和的40倍，它主要用于模擬人類蛋白折疊成特殊形狀的過程。世界最大的個(gè)人電腦制造商美國康柏公司，也垂涎這塊“肥肉”。
作為進(jìn)入生命科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)質(zhì)性步驟，IBM公司去年建立了一個(gè)名為“環(huán)球藍(lán)圖（BlueprintWorldwide）”的合資公司，將計(jì)算機(jī)學(xué)和生物學(xué)兩個(gè)學(xué)科緊密聯(lián)系起來。藍(lán)圖公司旨在從現(xiàn)存的所有分子生物數(shù)據(jù)庫中公開提供關(guān)于蛋白質(zhì)的所有信息（它們的結(jié)構(gòu)、功能及如何相互作用），并且從近20萬篇已發(fā)表論文中精選出數(shù)據(jù)。IBM生命科學(xué)部副總裁卡羅琳·科瓦克說：“生命科學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)是有一個(gè)交叉點(diǎn)，藍(lán)圖公司正是這個(gè)交叉點(diǎn)的一部分。新興的生命科學(xué)不能沒有現(xiàn)代信息技術(shù)的幫助，不能離開計(jì)算機(jī)。”
如今，“藍(lán)色基因”已是IBM的一個(gè)項(xiàng)目，該公司將聚集起超過100萬個(gè)微處理器創(chuàng)造出世界上最快的計(jì)算機(jī)，到“藍(lán)色基因”完工的時(shí)候，它第一個(gè)任務(wù)就是要描繪出蛋白質(zhì)是如何伸展開的。“10年前物理學(xué)推動了超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展，今天推動超級計(jì)算機(jī)發(fā)展的是生物學(xué)。”
IBM估計(jì)，到2006年，生命科學(xué)每年在IT上的支出將達(dá)到600億美元，相比之下2000年這一數(shù)字為220億美元。IBM將發(fā)展用于生命科學(xué)的超級計(jì)算機(jī)。為此IBM正在物色更多生物信息專家，他們扮演的角色相當(dāng)于30年前的管理信息系統(tǒng)（MIS）經(jīng)理。當(dāng)年的MIS經(jīng)理向決策者詢問庫存水平、銷售模式等問題，然后利用計(jì)算機(jī)分析它們，給需要結(jié)論的人提供最終結(jié)論，幫助他們做出最終決策
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