孟雙，徐沖，陳麗媛，陳杰

(1.遼寧省科技情報研究所，遼寧沈陽110016;2.遼寧省微生物科學(xué)研究院，遼寧朝陽122000)

生物信息學(xué)在生物學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用

孟雙1，徐沖2，陳麗媛2，陳杰2

(1.遼寧省科技情報研究所，遼寧沈陽110016;2.遼寧省微生物科學(xué)研究院，遼寧朝陽122000)

綜合敘述了生物信息學(xué)對生物學(xué)科研工作的影響，介紹了生物信息學(xué)在生物技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境、能源等研究領(lǐng)域的應(yīng)用概況，闡述了生物信息學(xué)為生物科研工作服務(wù)的意義。

生物信息學(xué);生物技術(shù);數(shù)據(jù)庫;應(yīng)用

由于計算機(jī)的普及應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了全球最大的分布式信息庫，為信息和資源共享提供了優(yōu)良平臺。隨著情報科學(xué)、信息技術(shù)特別是計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得生物信息學(xué)發(fā)展成為一門前沿交叉學(xué)科。張陽德［1］編著的《生物信息學(xué)》一書中，給出的生物信息學(xué)的定義:現(xiàn)代生物信息學(xué)是現(xiàn)代生命科學(xué)與信息科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等學(xué)科相互滲透而形成的交叉學(xué)科，是應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)和信息論方法研究蛋白質(zhì)及核酸序列等各種生物信息的采集、存儲、傳遞、檢索、分析和解讀，以幫助了解生物學(xué)和遺傳學(xué)信息的科學(xué)。生物信息學(xué)研究的材料是生物學(xué)的數(shù)據(jù)，它通過情報學(xué)的方法，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、情報信息等工具，通過對生物信息加工后得到相關(guān)信息。生物信息學(xué)是新興的學(xué)科，是當(dāng)今國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，在生物技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境、能源等研究領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

1 生物信息學(xué)在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

生物信息學(xué)在生物技術(shù)領(lǐng)域主要涉及微生物基因圖譜、文庫［2］的構(gòu)建、序列的分析、基因組的功能注釋、菌種目錄、病毒資源庫、病原微生物數(shù)據(jù)庫的建設(shè)及相關(guān)軟件的應(yīng)用以及生物技術(shù)平臺服務(wù)等。生物信息學(xué)主要的發(fā)展方向是基于數(shù)據(jù)庫與知識庫的知識與規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、新型基因的發(fā)現(xiàn)、功能預(yù)測方法及程序的開發(fā)等［3-4］。

1.2 生物技術(shù)領(lǐng)域常用數(shù)據(jù)庫

生物技術(shù)領(lǐng)域常用數(shù)據(jù)庫有美國國立生物技術(shù)信息中心數(shù)據(jù)庫、中科院微生物資源數(shù)據(jù)庫群、維普信息資源系統(tǒng)、萬方數(shù)據(jù)資源數(shù)據(jù)庫和中國期刊全期刊全文數(shù)據(jù)庫(CNKI)等，文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫有SCI、BA(生物學(xué)文摘)、CA(化學(xué)文摘)等。數(shù)據(jù)庫是生物信息學(xué)的基礎(chǔ)，通過與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對分析，可以預(yù)測生物的結(jié)構(gòu)和功能，使科研工作從繁雜的實(shí)驗(yàn)過程中解脫出來。

除了數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡(luò)上還可搜索到論壇、免費(fèi)軟件、會議消息、講義等其他信息資源。這些網(wǎng)絡(luò)資源為科研工作者提供了大量可用信息，使研究工作與國際接軌。

2 生物信息學(xué)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

生物信息學(xué)最早應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨著人類基因組計劃最初目標(biāo)的完成，醫(yī)學(xué)開始注重向研究改善人類健康、預(yù)見和避免基因組危害人類的方向轉(zhuǎn)移。通過計算機(jī)應(yīng)用及軟件開發(fā)，建立人工智能模型，研究生命系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及其他醫(yī)療信息技術(shù)在臨床環(huán)境上的應(yīng)用。通過管理和分析生物醫(yī)學(xué)圖像［5］(如放射性照片、CT掃描、電子顯微鏡或者手術(shù)模擬環(huán)境)，用于支持治療病人的決策過程。生物信息學(xué)也可用于破譯遺傳密碼、篩選免疫基因以及進(jìn)行新藥研發(fā)［6］等領(lǐng)域。

2.1 生物醫(yī)學(xué)常用數(shù)據(jù)庫

外文數(shù)據(jù)庫有EMBASE、Web of Knowledge、Derwent Drug File、IPA、CA等，中文數(shù)據(jù)庫有中國生物醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)光盤數(shù)據(jù)庫(CBMDisc)、中文生物醫(yī)學(xué)現(xiàn)刊目次數(shù)據(jù)庫(CMCC)、維普醫(yī)藥信息資源系統(tǒng)(VMIS)、萬方數(shù)據(jù)資源數(shù)據(jù)庫和清華CNKI全文期刊數(shù)據(jù)庫。專利則需要查找美國、歐洲專利數(shù)據(jù)庫、中國專利信息網(wǎng)和國家知識產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫等［7］。核酸數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在主要有GenBank、DDBJ、EMBL等，蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫有SWISS-PROT、PIR等，三位結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫有PDB、CSD等［8］。

2.2 軟件應(yīng)用

利用網(wǎng)絡(luò)上的免費(fèi)工具軟件，可使科研工作更得力。生物技術(shù)研究中常用的軟件為RasMol (生物分子三位結(jié)構(gòu)觀察與演示)、DNATool(DNA分析軟件)、RNAstructure(RNA分析軟件)、Clustal W(多序列比對軟件)、TreeView(進(jìn)化樹生成與分析軟件)、Blast(同源序列檢索軟件)等。

以上在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用到的各類信息數(shù)據(jù)庫和其他應(yīng)用軟件等，在農(nóng)業(yè)、化工、環(huán)境、食品等其他生物研究領(lǐng)域也都有所應(yīng)用。通過數(shù)據(jù)庫及軟件的大量應(yīng)用，產(chǎn)生了從原來單一的醫(yī)學(xué)和生物信息學(xué)逐漸轉(zhuǎn)換到為醫(yī)學(xué)提供服務(wù)的生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)的理念，是對現(xiàn)存醫(yī)療體系的重大革新，不僅可發(fā)展壯大現(xiàn)有醫(yī)療機(jī)構(gòu)，也將對改善人類的身體健康起到至關(guān)重要的作用。

3 生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著遺傳操作技術(shù)特別是動植物細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)移技術(shù)的不斷創(chuàng)新和完善，將農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)與常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)而提高育種效率，創(chuàng)新遺傳資源，加快育種進(jìn)程，已成為農(nóng)業(yè)育種的發(fā)展趨勢。生物信息學(xué)與農(nóng)業(yè)結(jié)合將推動農(nóng)業(yè)的發(fā)展，高質(zhì)量完善的農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫則成為農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究中必不可少的技術(shù)手段［9］。

3.1 農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫

國外主要有UK CropNet、GPI、GrainGenes、MaizeGDB、SGMDB、LIS、AGIS等［10］數(shù)據(jù)庫，從事研究的公司有美國孟山都(Monsanto)公司、先鋒(Pioneer)公司等。國內(nèi)有中科院基因組生物信息學(xué)中心建立的中國水稻(秈稻)基因組“工作框架圖”及數(shù)據(jù)庫以及中國農(nóng)業(yè)物種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫等。

3.2 農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

通過數(shù)據(jù)檢索、序列比對、同源性分析、結(jié)構(gòu)預(yù)測等工具軟件的運(yùn)用，可將分析數(shù)據(jù)應(yīng)用于農(nóng)作物模式植物研究、種質(zhì)資源保存、病蟲害防治、作物遺傳育種等［11］方面，從而為解決模式植物的基因組測序、保護(hù)瀕危種質(zhì)資源、控制動植物病蟲害和培育優(yōu)良高產(chǎn)的農(nóng)作物品種方面提供可靠保障。

4 生物信息學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 在食品安全檢測中的應(yīng)用

食品在加工制作和存儲過程中各種細(xì)菌數(shù)量發(fā)生變化，傳統(tǒng)檢測方法是進(jìn)行生化鑒定，但所需時間較長，不能滿足檢驗(yàn)檢疫部門的要求，運(yùn)用生物信息學(xué)方法獲得各種致病菌的核酸序列，并對這些序列進(jìn)行比對，篩選出用于檢測的引物和探針，進(jìn)而運(yùn)用PCR法［12-13］、RT-PCR法、熒光RTPCR法、多重PCR［14-16］和多重?zé)晒舛縋CR等技術(shù)，可快速準(zhǔn)確地檢測出細(xì)菌及病毒。此外，對電阻抗、放射測量、ELISA法、生物傳感器、基因芯片等［16-20］技術(shù)也是未來食品病毒檢測的發(fā)展方向。

4.2 在轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品檢測中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)基因食品檢測是通過設(shè)計特異性的引物對食品樣品的DNA提取物進(jìn)行擴(kuò)增，從而判斷樣品中是否含有外源性基因片段［21］。通過對轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫信息的及時更新，可準(zhǔn)確了解各國新出現(xiàn)和新批準(zhǔn)的轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品，便于查找其插入的外源基因片段，以便及時對檢驗(yàn)方法進(jìn)行修改。

目前由于某些通過食品傳播的病毒具有變異特性，以及檢測方法的不完善等因素影響，生物信息學(xué)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用還比較有限，但隨著食品安全檢測數(shù)據(jù)庫的不斷完善，相信相關(guān)的生物信息學(xué)技術(shù)將在食品領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

5 生物信息學(xué)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

5.1 在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

生物信息學(xué)在環(huán)境領(lǐng)域主要應(yīng)用在控制環(huán)境污染方面，主要通過數(shù)學(xué)與計算機(jī)的運(yùn)用構(gòu)建遺傳工程特效菌株，以降解目標(biāo)基因及其目標(biāo)污染物為切入點(diǎn)，通過降解污染物的分子遺傳物質(zhì)核酸DNA以及生物大分子蛋白質(zhì)酶，達(dá)到催化目標(biāo)污染物的降解，從而維護(hù)空氣［22］、水源、土地等生態(tài)環(huán)境的安全。

5.2 與環(huán)境有關(guān)的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫

美國農(nóng)業(yè)研究中心(ARS)的農(nóng)藥特性信息數(shù)據(jù)庫(PPD)提供334種正在廣泛使用的殺蟲劑信息，涉及它們在環(huán)境中轉(zhuǎn)運(yùn)和降解途徑的16種最重要的物化特性。日本豐橋技術(shù)大學(xué)(Toyohashi University of Technology)多環(huán)芳烴危險性有機(jī)污染物的物化特性、色譜、紫外光譜的譜線圖。美國環(huán)保局綜合風(fēng)險信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(IRIS)涉及600種化學(xué)污染物，列出了污染物的毒性與風(fēng)險評價參數(shù)以及分子遺傳毒性參數(shù)［23］。

除此之外，生物信息學(xué)在生物防治［24］中也起到了重要的作用。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，情報、信息等學(xué)科的資源共享，勢必會創(chuàng)造出一個環(huán)境微生物技術(shù)信息的高速發(fā)展趨勢。

6 生物信息學(xué)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用

6.1 在能源開采中的應(yīng)用

在石油增產(chǎn)措施中，綜合運(yùn)用GenBank、EMBL、SWISS-PROT等數(shù)據(jù)庫以及Clustal W、Tree-View、Blast等軟件將各類數(shù)據(jù)對比分析，人們已經(jīng)能夠使用商業(yè)性的酶來降解生物聚合物，通過篩選有益細(xì)菌來獲取高級的生物催化劑，從而提高石油的產(chǎn)量［25-26］。原核生物多樣性采礦技術(shù)得到了迅速發(fā)展。同樣，不同類型的煤也會發(fā)生類似的生物轉(zhuǎn)變，可以轉(zhuǎn)變成甲烷。人們通過生物信息學(xué)技術(shù)手段開采能源的新方法，可提高能源的采出率和降低開采難度。

6.2 生物信息學(xué)在綠色生物能源中的應(yīng)用

在確保糧食安全的前提下，通過生物學(xué)技術(shù)改良糧食基因，使之轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合作為石油等能源替代品的生物能源，這是解決能源短缺問題的途徑之一。這主要通過生物催化劑的基因轉(zhuǎn)變和代謝工程，利用酶和細(xì)菌對生物體的碳?xì)浠衔镞M(jìn)行新陳代謝優(yōu)化，從而用于開發(fā)生產(chǎn)生物乙醇等生物能源。

由于發(fā)展生物能源產(chǎn)業(yè)是緩解能源供求矛盾的有效手段，世界許多國家都先后不同程度地開發(fā)了生物能源產(chǎn)業(yè)［27］。但是必須在糧食安全的前提下關(guān)注能源安全，在協(xié)調(diào)糧食安全的同時尋求發(fā)展生物能源路徑。

生物信息學(xué)廣泛用于科學(xué)研究的各個領(lǐng)域，不僅可以為科研服務(wù)，還可以在教育、政府機(jī)構(gòu)和商業(yè)企業(yè)等領(lǐng)域中發(fā)揮獨(dú)到的作用。但是僅有信息資源是不夠的，選出符合自己需求的生物信息就需要情報部門以及信息中介服務(wù)機(jī)構(gòu)提供相關(guān)服務(wù)，通過出版物、信息共享平臺、數(shù)字圖書館、電子論壇等信息媒介的幫助，科研工作者可快速有效地找到符合需要的信息［28］。目前我國生物信息學(xué)發(fā)展還很不均衡，與國際前沿有一定差距，這需要從事信息和科研的工作者們不斷學(xué)習(xí)努力趕上。

［1］張陽德.生物信息學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［2］趙紅巖，李莉，桓明輝，等.不吸水鏈霉菌梧州新亞種基因組文庫的構(gòu)建［J］.微生物學(xué)雜志，2009，29(1):65-69.

［3］方平，胡德華.試論生物信息學(xué)及其對情報學(xué)的影響［J］.情報科學(xué)，2002，20(2):117-119.

［4］趙光輝，趙改名，劉蓉，等.預(yù)測微生物學(xué)的研究進(jìn)展［J］.微生物學(xué)雜志，2010，30(4):76-82.

［5］葉輝，詹秀菊，李學(xué)征.淺談生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)專業(yè)課程的發(fā)展特點(diǎn)［J］.醫(yī)學(xué)信息，2009，22(5):623-626.

［6］李松，王英.生物信息學(xué)在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用［J］.熱帶醫(yī)學(xué)雜志，2009，9(10):1218-1220.

［7］張立人.試論生物信息學(xué)在生命科學(xué)中的意義［J］.中國中醫(yī)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)雜志，2000，6(8):1-2.

［8］王朝霞.生物信息學(xué):一門前沿交叉學(xué)科［J］.安徽教育學(xué)院學(xué)報，2002，20(6):56-57.

［9］簡興，苗永美.生物信息數(shù)據(jù)庫簡介及在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2004，(4):29.

［10］晏瑾，肖浪濤.農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.生物技術(shù)通報，2006，(2):33-36.

［11］林世強(qiáng)，寧正元.生物信息學(xué)及其在農(nóng)業(yè)科學(xué)中的應(yīng)用［J］.亞熱帶農(nóng)業(yè)研究，2007，3(2):145-148.

［12］趙玉玲，張?zhí)焐?，張巧艷.PCR法快速檢測肉食品污染沙門菌的實(shí)驗(yàn)研究［J］.微生物學(xué)雜志，2010，30(3):103-105.

［13］程琳琳，王芳，金莉莉，等.環(huán)保微生物菌劑常用5種芽胞桿菌的PCR鑒定［J］.微生物學(xué)雜志，2009，29(4):36-40.

［14］徐義剛，崔麗春，李蘇龍，等.多重PCR方法快速檢測4種主要致腹瀉性大腸埃希菌［J］.微生物學(xué)雜志，2010，30(3): 25-29.

［15］肖勇，吳家林，凌霞，等.沙門菌、志賀菌、副溶血性弧菌多重PCR檢測方法的研究［J］.微生物學(xué)雜志，2009，29(2):101-105.

［16］索標(biāo)，汪月霞，艾志錄.食源性致病菌多重分子生物學(xué)檢測技術(shù)研究進(jìn)展［J］.微生物學(xué)雜志，2010，30(6):71-75.

［17］朱曉娥，袁耿彪.基因芯片技術(shù)在基因突變診斷中的應(yīng)用及其前景［J］.重慶醫(yī)學(xué)，2010，(22):3128-3131.

［18］陳彥闖，辛明秀.用于分析微生物種類組成的微生物生態(tài)學(xué)研究方法［J］.微生物學(xué)雜志，2009，29(4):79-83.

［19］王大勇，方振東，謝朝新，等.食源性致病菌快速檢測技術(shù)研究進(jìn)展［J］.微生物學(xué)雜志，2009，29(5):67-72.

［20］蘇晨曦，潘迎捷，趙勇，等.疏水網(wǎng)格濾膜技術(shù)檢測食源性致病菌的研究進(jìn)展［J］.微生物學(xué)雜志，2010，30(6):76-81.

［21］饒紅，馮騫，傅浦溥等.生物信息學(xué)與食品安全檢測［J］.中國衛(wèi)生檢驗(yàn)雜志，2006，16(6):767-768.

［22］王春華，謝小保，曾海燕，等.深圳市空氣微生物污染狀況監(jiān)測分析［J］.微生物學(xué)雜志，2008，28(4):93-97.

［23］程樹培，嚴(yán)峻，郝春博，等.環(huán)境生物技術(shù)信息學(xué)進(jìn)展［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2002，3(11):92-94.

［24］史應(yīng)武，婁愷，李春.植物內(nèi)生菌在生物防治中的應(yīng)用［J］.微生物學(xué)雜志，2009，29(6):61-64.

［25］趙進(jìn)，駱江濤.能源:未來生物技術(shù)的挑戰(zhàn)［J］.國外油田工程，2008，24(8):53-54.

［26］劉永軍，鄭昕，金鵬康.石油集輸系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)研究［J］.微生物學(xué)雜志，2009，29(3):25-31.

［27］李曉俐.基于糧食安全的生物能源發(fā)展路徑［J］.資源開發(fā)與市場，2010，26(11):1037-1039.

［28］楊詠梅，曲迅，曹玉美.生物信息學(xué)在醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.醫(yī)學(xué)綜述，2007，13(22):1681-1683.

Application of Bio-informatics in Biology Research

MENG Shuang1，XU Chong2，CHEN Li-yuan2，CHEN Jie2
(1.Liaoning Prov.Inst.of Sci.＆Technol.Inform.，Shenyang 110016;2.Liaoning Acad.of Microbiol.Sci.Chaoyang 122000)

The effects of bio-informatics on biological research were summarized in this article.The application survey of bio-informatics in bio-technology，bio-medicine，agriculture，food，environment，energy，and other research fields was also introduced.The significance of bio-informatics to serve the biological scientific research was elaborated as well.

bio-informatics;bio-technology;database;application

Q－3

A

1005－7021(2011)01－0078－04

孟雙女，助理研究員，碩士。研究方向?yàn)閿?shù)量經(jīng)濟(jì)學(xué)。Tel:024-23983533，E-mail:mengshuang@lninfo.gov.cn

2011-01-10;

2011-01-21