通信工程与生物学的融合 -

通信工程与生物学的融合

----信息技术与生命科学

姓名： 学号： 专业：通信工程 学院：信息工程学院

任课老师：

上课时间：2012年3月—5月

摘要: 生物技术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。信息技术是研究信息的获取、传输和处理的技术，由计算机技术、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。生命科学中信息的传递与交流和通信工程中的网络通信有密切的关联，它们同属网络系统，具有相同性和相关性。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。

关键字：生物学，生命科学，生物技术，通信应用 1.前言

如今随着科技的不断发展，学科交叉的不断深化，生物信息技术应运而生。生命与非生命物质最显著的区别在于生命是一个完整的自然的信息处理系统。一方面生物信息系统的存在使有机体得以适应其内外部环境的变化，维持个体的生存；另一方面信息物质如核酸和蛋白质信息在不同世代间传递维持了种族的延续。生命现象是信息在同一或不同时空传递的现象，生命的进化实质上就是信息系统的进化。

2.正文

2.1、生物科学中的神经学科与通信的联系

寻求解释神智活动的生物学机制,即细胞生物学和分子生物学机制。神经科学了解在发育过程中装配起来的神经回路是如何感受周围世界、如何实施行为的,它们又如何 从记忆中找回知觉,一旦找回之后,它们还能对知觉的记忆有所 用。

神经科学也寻求了解支持我们情绪生活的生物学基础,情绪如何使我们的思想改变颜色,以及当情绪、思想及动作的调节发生扭曲时为什么会有抑郁、狂躁、精神分裂症和阿尔茨海默症等病症。这都是些极端复杂的问题,其复杂程度 远远超过任何我们在其他生物学领域中曾经面对的问题。生命科学中信息的传递与交流和通信工程中的网络通信有密切的关联，它们同属网络系统，具有相同性和相关性。神经科学中神经元之间的信息传递方式有两种：一种是通过电信号传递，另一种是通过化学物质——神经递质传递。后一种信息传递方式更为常见。

2.1.1、细胞间的信息交流主要有三种方式：1】．通过体液的作用来完成的间接

交流.如内分泌细胞分泌激素→激素进入体液→体液运输→靶细胞受体接受激素得到信息→靶细胞作出相应的反应.，即激素→靶细胞.(比作写信,激素就相当于人用信来交流)。2】．相邻细胞间直接接触，通过与细胞膜结合的信号分子影响其他细胞，即细胞←→细胞。典型例子,精子与卵细胞受精的过程.(比作人面对面交流)。3】.相邻细胞间形成通道使细胞相互沟通，通过携带信息的物质来交流信息。即细胞←通道→细胞典型的例子比如植物可以通过胞间连丝进行交流(比作打电话,通过电话线来交流)。细胞间的信息交流类似于通信工程的信息交流。

2.1.2、生物科学与通信中的物理学联系：物理学处理宏观体系的理论(如热力学、

统计力学、耗散结构理论、信息论等 )，使人们可以从系统的宏观角度研究生物体系的物质、能量和信息转换的关系；物理学的微观理论(如分子帮原子物理、量子力学、粒子物理等)，使人们可以从微观角度研究生物大分子和分子聚集体(膜、细胞、组织等)的结构；运动与动能、非浅性理论、混沌理论则为脑科学的研究提供了理论指导，并预示了新的更伟大的科学革命的到来，而生物物理学的创立则是人类用物理学知识去揭示生命之谜的一个极其重要的里程碑，它为生命科学、生物工程展现出一个无限美好的前景。

2.2、生物技术的发展需要信息技术支撑

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。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。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。

2.2.1、生物技术发展需要特定硬件技术的支持：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。

2.2.2、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。

2.3、生物技术为信息技术发展开辟了新的道路

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。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。

2.3.1、信息技术和生命科学融合的典型例子——基因芯片

基因芯片指对数以千记的DNA片段同时进行处理分析的技术,诸如基因组DNA突变谱和mRNA表达谱的检测等。基因芯片技术是90年代中期以来快速发展起来的分子生物学高新技术，是各学科交叉综合的崭新学科。其制备需要经过以下步骤。1】、芯片制备：目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体，采用原位合成和微矩阵的方法将寡核苷酸片段或cDNA作为探针按顺序排列在载体上。芯片的制备除了用到微加工工艺外，还需要使用机器人技术。以便能快速、准确地将探针放置到芯片上的指定位置。2】、样品制备:生物样品往往是复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一般不能直接与芯片反应，有时样品的量很小。所

以，必须将样品进行提取、扩增，获取其中的蛋白质或DNA、RNA，然后用荧光标记，以提高检测的灵敏度和使用者的安全性.3】、杂交反应:杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行的反应产生一系列信息的过程。选择合适的反应条件能使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间的错配率。4】、信号检测和结果分析:杂交反应后的芯片上各个反应点的荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件可以分析图像，将荧光转换成数据，即可以获得有关生物信息。基因芯片技术发展的最终目标是将从样品制备、杂交反应到信号检测的整个分析过程集成化以获得微型全分析系统（micro total analytical system）或称缩微芯片实验室（laboratory on a chip）。使用缩微芯片实验室，就可以在一个封闭的系统内以很短的时间完成从原始样品到获取所需分析结果的全套操作。

2.3.2、生物软件

1】.序列综合分析软件如 Vector NTI Suite 8.0，它是一个综合性的软件，本阶段的大部分功能它都有。该软件具体特有良好的数据库管理（增加、修改、查找），对要操作的数据放在一个界面相同的数据库中统一管理。软件中的大部分分析可以通过在数据库中进行选定（数据）->分析->结果（显示、保存和入库）三步完成。在分析主界面，软件可以对核酸蛋白分子进行限制酶分析、结构域查找等多种分析和操作，生成重组分子策略和实验方法，进行限制酶片段的虚拟电泳，新建输入各种格式的分子数据、加以注释，输出高质量的图像。Vector NTI Suite还有以下独立的分析程序，完成相关分析。这些独立的程序，可以通过选定->分析->结果三步调用。

l 3DMol－显示PDB格式分子的三维结构 l Align X－序列相似性比较

l Align Xblocks－序列局部完全相同比较 l ContigExpress－将小片段拼装成长序列

l GCGConverter－GCG格式文件转换成NTI的格式 l PubMed/Entrez Search－搜索PubMed、PDB、GenBank l Back Translation－核酸->蛋白->核酸反向翻译的工具 l Matrix Editor－矩阵数据编辑

l Tools Manager－连接其他程序和网络连接的界面。分成Align、Analyze、Assemble、Tools四部分。

2】.质粒绘图软件如Plasmid Premier2.02，RedasoftVisualCloning2000。Plasmid Premier2.02是由加拿大的Premier Biosoft公司推出的用于质粒作图的专业软件，主要用于进行质粒作图，质粒特征分析和质粒设计。Redasoft Visual Cloning 2000 用来帮助生命科学家快速而轻松地绘制专业级质量的质粒载体图， 主要的性能包括：快速和轻松地生成一个清晰，色彩鲜明的环行或线性的载体图。自动识别和解析序列文件。新增的web浏览功能允许你链接到数据库站点，并支持下载和自动将序列文件转换成载体图。强大的限制性内切酶分析功能和拥有将近1000种来自REBASE的限制性内切酶。片段的删除和插入完全模拟克隆实验并和其他图形兼容。允许质粒图拷贝到剪贴板并粘贴到其他Windows应用程序。可以用e-mail的方式传递载体图。 3】.三维结构显示软件三维结构显示如 RasMol 2.7

RasMol 2.7是计算化学与分子图形学以及信息产业的同步高速发展的成果，使一个普通的科研工作人员，在自己的个人电脑上，就可以从Internet上的各种免费数据库中，下载所需观察与研究的分子坐标文件，进而通过RasMol 2.7以各种模式、各种角度，甚至按照自己的意愿旋转着，观察此分子神秘的微观三维立体结构，进而了解化合物分子结构和各种微观性质与宏观性质之间的定量关系。RasMol 2.7的作者是Glaxo&Wellcome公司（世界第一大制药公司）研发中心的科学家Roger Sayle。 RasMol 2.7最大的特点是界面简单，基本操作简单，运行非常迅速，对机器的要求较低，对小的有机分子与大分子，如蛋白质、DNA

或RNA, 均能适用，且显示模式非常丰富。而且它程序短小，功能强大。尚无在功能上出其右者。其显示窗口可以很简单通过选择相应的菜单来显示分子的三维结构。用命令行窗口，通过输入命令可以执行和显示复杂和要求极高的三维图形。

3、结论

随着现代科技发展过程中，各个学科相互融合，在研究生物科学的过程中大量的应用了电子，微电子技术。而各种计算机软件则为实验观察，数据呈现和实验结果分析提供了极大的反方便。信息科学技术的发展，为处理复杂实验现象和试验数据提供了可能，信息科学技术的发展，能够有效推动生命科学以及其他科学的进步。学科之间的交叉，可以达到相互促进和共同加速发展的作用。如今在交叉学科快速发展的时代，信息科学无疑在更多领域有了用武之地。信息产业和生物产业无疑都是高科技的产物，在生命科学的研究中，始终不能缺少计算机的工作，如果到基因组测序的研究所去看一看，大量的以超级计算机为基础的测序仪，会使你误以为到了一家信息技术公司。生物产业因计算机的加盟而提速，信息技术产业也因生命科学的需要而得以发展、获利。运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，来阐明和理解大量基因组研究获得数据中所包含的生物学意义，生物学和信息学交叉、结合，从而形成了一个新的学科。生物信息学或信息生物学，它的进步所带来的效益是不可估量的，信息学工业潜力巨大。可以说，生物科技与信息科技的融合，才是世界经济市场的未来。

4、参考文献

1、（美）丹尼尔等著，万学、姜允珍等译《生命科学》、2009年、浙江教育出版社

2、阮绪芝、《细胞生物学多媒体课件制作及教学体系》、2001年、山西医科大学学报

3、《中国科学院院刊》、2009年、第4期

4、马端、《生物学前沿技术在医学研究中的应用》、2007年、复旦大学出版

社 5、学术评论《世纪之交的物理学与生命科学》、2004年

6、马克·约翰逊著，徐芬译《发展认知神经科学》、2007年、北京师范大学

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