生物网络的产生研究及进展.doc

生物网络的产生、研究及进展 生物技术，最初由匈牙利工程师Karl Erehy于1917年提出，英文为“biotechnology”,来源于希腊语“bios”（生命、生命过程）和“technology”(技术)的合成，其名称即明确了利用生命有机体进行工业化生产、创造新产品、新功能的意义。进入21世纪以来，生物技术飞速发展，其应用几乎涉及到国民经济和社会生活的方方面面，而且还在不断创新和扩展，是一门将知识付诸产业化应用的新兴科学与前沿技术，因此，开设生物技术进展这门课程，邀请知名教授学者介绍当前的研究热点难点，使同学们了解生物领域的发展趋势，扩展同学们的视野，对大家以后的研究将是大有裨益。在所有的课程报告中有一个关于网络科学的，它讲述的是一个科学的网络的建立及网络间的共性。乍看之下似乎与我们的生物研究并无太大关联，殊不知我们研究生物研究的是生物质间的相互作用，这些相互作用就产生了一个网络——生物网络。最典型的生物网络是代谢网络，最广泛研究的生物网络是蛋白质相互作用网络和遗传调整网络[1]。还有很多的其他类型的生物网络在这里不胜列举。总之，生物网络已经成为生物学的研究热点。利用网络理论来研究系统生物学的优点如下： 1. 生物网络能系统地研究大量的生物集体行为及共同表达的特征。例如基因网络对于研究基因的共同表达及相互关联有很大的帮助。 2. 完整的生物网络图能使科学家洞察某些新的生物特征。因为它提供了清晰的综合的生物集体行为，这些是研究单个的或少量的几个生物个体无法看到的。生物网络则提供了一个浏览细胞全局或整个生物体的图形。 3. 用生物网络来模拟某些生物体的集体行为可以让科学家在单一的网络拓扑中得到更多的信息。 4. 网络可以在最短的时间内用最少的连接空间提供最多的生物信息。 生物网络的产生 1953年，J.D.Waston和F.Crick提出DNA双螺旋结构模型，这是生物学发展的一个里程碑，使得对生物学的认识进入到分子水平，开启了分子生物学的时代。其后分子生物学历经了半个世纪的发展，其诸多发现引人瞩目，帮助我们在分子水平上认识了生物体的结构、 行为和功能,大大促进了生物学和医学等相关学科领域的发展。然而,分子生物学的研究对象只是生物体内部的单个成分或组织,它的研究思想体现为一种还原论的思维方式,研究的手段也难免流于片面和单一。于是,在对生物个体的研究进展到一定深度之后,由于未考虑到生物体内部成分之间的作用和层次性关联,以及生物体与外部环境的相互影响,因此在进一步探讨生物系统的整体性质和功能时,分子生物学便显得力不从心。如今，随着人类基因组测序的完成，生物学已进入后基因组时代，其特点是生物学的研究从分解转向整合，从整体水平或系统水平上去认识生物体的结构和功能，并诞生了系统生物学。 国外学者Leory Hood曾定义：“系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分（基因，mRNA，蛋白质等）的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科。”我国学者杨胜利也曾指出“系统生物学是在细胞、组织、器官和生物体整体水平上研究结构和功能 各异的生物分子及其相互作用”[2]。由其尚不统一的定义我们可以看出系统生物学是一门多学科交叉的科学，其研究内容囊括了基因、转录、蛋白质、代谢、相互作用、表型等组学。 采用何种方法研究系统生物学，这成为当时系统生物学研究的重点。直到2004 年，Barabasi 和 Oltvai 在 Nature 上发表了一篇文章[3]，提出“网络生物学（Network Biology）”这个概念，这使得系统生物学研究有了突破性进展。随后的研究中，人们发现生物系统是一种复杂系统，复杂系统的一个显著特点是：多个参与者相互作用。复杂网络由点和连线（边）组成，“点”可代表系统中的参与者，“连线”（边）代表相互作用。因此，可用复杂网络描述复杂系统。网络，可以想象作复杂系统的一种X-光透视图像，显示出复杂系统的骨架，特别是能揭示复杂系统的拓扑结构。当前，复杂网络的研究正在蓬勃发展，并取得了许多重要成果。其中与生物学相交叉的生物网络已经是复杂网络研究的一个重要方面，如代谢网络、蛋白质-蛋白质相互作用网络、信号及转录调节网络、基因调控网络等等，都已有了研究。复杂网络与生物学交叉，为生物学的研究提供了一个新的视野、一种新的研究途径。 生物网络的研究方法 随着探索复杂网络理论热潮的兴起，关于生物网络研究的发展也相当迅速，特别集中于探索活细胞中所有分子的行为和它们之间的相互作用，以及从局部到整体，生物体如何形成了极其复杂的动力学机制。复杂网络理论揭示，细胞内分子相互作用网络的结构特性，与其它复杂系统网络(如Intenet网、社会网等等)在很大程度上是一致的，说明可能存在相似的法则控制着多数现实中的复杂网络系统。 在自然科学的研究中，一般探讨