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生物信息技術

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生物技術(Biotechnology)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,以及與工程原理相結合,加工生產產品或提供服務的綜合性技術。

  生物技術與信息技術的關係 生物技術與信息技術的關係

  生物技術(Biotechnology)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,以及與工程原理相結合,加工生產產品或提供服務的綜合性技術。信息技術(information science)是研究信息的獲取、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,利用現代電子通信技術從事信息採集、存儲、加工、利用以及相關產品製造、技術開發、信息服務的新學科。信息技術和生物技術都是高新技術,二者在新經濟中並非此消彼長的關係,而是相輔相成,共同推進21世紀經濟的快速發展。

  1.生物技術的發展需要信息技術支撐

  (1)信息技術為生物技術的發展提供強有力的計算工具。在現代生物技術發展過程中,計算機與高性能的計算技術發揮了巨大的推動作用。在賽萊拉基因研究公司、英國Sanger

  中心、美國懷特海德研究院、美國國家衛生研究院和中國科學院遺傳所人類基因組中心聯合繪製的人類基因組草圖的發布中,美國多家研究機構特彆強調正是信息技術廠商提供的高性能計算技術使這一切成為可能。同樣,在被稱為「生命科學阿波羅登月計劃」的人類基因草圖的誕生過程中,康柏公司的Alpha伺服器也為研究人員提供了出色的計算動力。業界分析人士稱,在這場激烈的基因解碼競賽背後隱含的是一場超級計算能力的競賽,同時,這次競賽有助於大眾對超級計算機的超強能力形成普遍認知。在此之前,這些造價至少在數百萬美元以上可以超高速運轉的機器一直默默無聞,他們被用於控制核反應堆、預報天氣或是與世界級國際象棋大師同台對弈。如今,人們越來越清醒地認識到,超級計算機在創造新品種的藥物、治癒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。

  賽萊拉公司執行總裁在接受《今日美國》的採訪時說:「將人類基因密碼以線型方式組合起來,這還是人類有史以來的第一次。」賽萊拉公司要將32億個鹼基對按照正確順序加以排列,在曾經嘗試過的大規模計算中,這次挑戰是最為嚴峻的一次。為了完成這次歷史性課題所需的數量極為龐大的數據處理工作,賽萊拉公司動用了700台互聯的Alpha64位處理器,運算能力達到每秒1.3萬億次浮點運算。同時,賽萊拉公司還採用了康柏的Storage Works系統,用以完成對一個空間為50TB且以每年IOTB速度增長的資料庫管理工作.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與高性能計算領域的發展割裂開來。實際上,許多一流的科學家都相信,高性能計算是生物和醫藥的未來。今後,越來越多的具有強大功能的計算機和軟體將會被用來搜集、存儲、分析、模擬和發布信息。

  信息技術還有助於加強生物技術領域的各種資料庫管理、信息傳遞、檢索和資源共享等。另一個僅次於基因排序器、在生物技術領域引起關注的硬體是基因晶元,它的研製也非常依賴於信息技術。在顯微鏡載片或矽片等基片上把基因片段排列、固定,這就是基因晶元。把這個晶元上的基因片段和檢體的基因片段放到基因晶元讀出器(也是一種破譯裝置)上,就能迅速比較和破譯檢體信息。 基因排序器是從零入手破譯檢體的遺傳信息的裝置,而基因晶元和其讀出器則是與已經有的遺傳信息相對照破譯信息的裝置。 在這個領域,美國的企業比較有名,但日本企業也在同美國企業合作的同時,積极參与這個領域的開發。

  (2)生物技術發展需要特定軟體技術的支持。生物技術及其產業的發展對於生物技術類軟體的需求將進一步增加,軟體技術將成為支撐生物技術及其產業發展的關鍵力量之一。在生物技術各領域中均需要相應的專業軟體來支撐:1) 各類生物技術資料庫的構建需要性能優良、更新換代迅速的軟體技術;2) 核酸低級結構分析、引物設計、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需要相應的軟體及其技術支撐;3) 加強生物安全管理與生物信息安全管理也離不開軟體及其技術發展的支持。

  2.生物技術為信息技術發展開闢了新的道路

  (1)生物技術推動超級計算機產業的發展。隨著人類基因組計劃各項任務的完成,有關核酸、蛋白質的序列和結構數據呈指數增長。面對如此巨大而複雜的數據,只有運用計算機進行數據管理、控制誤差、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,並非一般的計算機力所能及,而需要具有超級計算能力的計算機。因此,生物技術的發展將對信息技術提出更高的需求,從而推動信息產業的發展。比較有說服力的例子是,2002年11月22日出版的《自然》雜誌上,以色列科學家宣布研製出一種由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,準確率為99.8%。當然像所有的新技術一樣,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一定的隨機性,這種運算的結果可能不完全精確;而且,參與運算的dna分子之間的不能像傳統計算機一樣通信,只能「各自為戰」,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據中心,美國有國家生物技術信息中心(ncbi)、英國有歐洲生物信息研究所(ebi)、日本有70餘家製藥、生物及高技術公司組成的「生物產業信息化共同體」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與生物技術公司和調研公司達成12項合作意向,共有140多項合作協議,合作內容涉及到各種技術領域,包括基因晶元,用計算機模擬藥效等。

  (2)生物技術將從根本上突破計算機的物理極限。目前使用的計算機是以硅晶元為基礎,由於受到物理空間的限制、面臨耗能和散熱等問題,將不可避免地遭遇發展極限,要取得大的突破,需要依賴於新材料的革新。2000年美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的科學家根據生物大分子在不同狀態下可產生有和無信息的特性,研製出分子開關(molecular switches)。2001年世界首台可自動運行的DNA計算機問世,並被評為當年世界十大科技進展。2002年,DNA計算機研究領域的先驅阿德勒曼教授利用簡單的DNA計算機,在實驗中為一個有24個變數、100萬種可能結果的數學難題找到了答案,DNA計算機的研製邁出了重要一步。

  信息產業和生物產業無疑都是高科技的產物,在生命科學的研究中,始終不能缺少計算機的工作,如果到基因組測序的研究所去看一看,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。生物產業因計算機的加盟而提速,信息技術產業也因生命科學的需要而得以發展、獲利。運用數學、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研究獲得數據中所包含的生物學意義,生物學和信息學交叉、結合,從而形成了一個新的學科。生物信息學或信息生物學,它的進步所帶來的效益是不可估量的。美國已經出現了大批基於生物信息學的公司,希冀在基因工程藥物、生物晶元、代謝工程等領域掘出財富,生物信息學工業潛力巨大。可以說,生物科技(生物技術)與信息科技(信息技術)的融合,才是世界經濟市場的未來。在深圳舉行的第三屆中國國際高新技術成果交易會高新技術論壇上,中國工程院副院長侯雲德院士指出,應該把生物技術產業定位為僅次於信息產業的重點產業。他說,信息和生物技術是關係到中國新世紀經濟發展和國家命運的關鍵技術,並將成為中國創新產業的經濟增長點。
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