?

對(duì)比人類(lèi)基因探秘材料基因——人類(lèi)基因組計(jì)劃對(duì)材料基因組計(jì)劃的啟發(fā)

李楠楠，沈一筍，臧亮，閆宗楷，向勇*

(寧波國(guó)際材料基因工程研究院，浙江 寧波315000)

“材料基因組計(jì)劃”中的基因一詞引用了“人類(lèi)基因組計(jì)劃”(Human Genome Project，HGP)中基因的概念。在人類(lèi)基因組中，基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA或RNA片段，支持著生命的基本構(gòu)造和性能，是決定生命健康的內(nèi)在因素。DNA由腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶4種堿基通過(guò)兩兩配對(duì)形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，堿基對(duì)不同的組成序列決定了基因中所攜帶的不同的遺傳信息，從而決定生命體的不同機(jī)能。因此人類(lèi)基因組計(jì)劃的核心是利用第一代基因測(cè)序技術(shù)，檢測(cè)人體約2.5萬(wàn)個(gè)基因中30億個(gè)堿基對(duì)組成的核苷酸序列，明確所有基因的結(jié)構(gòu)和功能。從而探尋堿基對(duì)組成-堿基對(duì)序列-人類(lèi)生命現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律，為疾病的預(yù)防和診治提供科學(xué)依據(jù)，更好地認(rèn)識(shí)和保護(hù)生命體。

人類(lèi)基因組計(jì)劃最早也是由美國(guó)能源部于1985年提出草案，于1990年10月正式啟動(dòng)。該計(jì)劃由美國(guó)、德國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)和中國(guó)6個(gè)國(guó)家的多個(gè)科學(xué)研究機(jī)構(gòu)共同參與實(shí)施，融合了分子生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，打破了研究學(xué)者獨(dú)自探索并解決科學(xué)問(wèn)題的傳統(tǒng)格局，開(kāi)啟了協(xié)同創(chuàng)新科學(xué)探索的新途徑。歷經(jīng)多年的努力，于2003年以99.99%的精度提前兩年完成人類(lèi)基因組測(cè)序工作。人類(lèi)基因組計(jì)劃一反“假說(shuō)推動(dòng)研究”的傳統(tǒng)規(guī)則，搜集人類(lèi)基因數(shù)據(jù)，成功建立起一個(gè)全球共享的人類(lèi)基因組數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)共享數(shù)據(jù)促進(jìn)生命科學(xué)的快速發(fā)展，揭秘生命起源奧秘。

人類(lèi)基因組計(jì)劃的成功實(shí)施為材料基因組計(jì)劃提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)：①人類(lèi)基因組計(jì)劃所使用的基因測(cè)序工具是第一代基因測(cè)序技術(shù)，效率低，此后發(fā)展出的高通量測(cè)序技術(shù)可加快基因測(cè)序效率，并大大降低成本；②六國(guó)科學(xué)家通過(guò)多學(xué)科、多領(lǐng)域及多部門(mén)的積極合作，實(shí)現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新；③人類(lèi)基因組計(jì)劃中的數(shù)據(jù)分析效率低下，為獲得每條染色體的連續(xù)序列，第一個(gè)人類(lèi)基因組序列是將零碎產(chǎn)生的上千個(gè)單獨(dú)序列片段(每個(gè)約100~300個(gè)堿基)通過(guò)計(jì)算拼接而成，這嚴(yán)重阻礙了人類(lèi)基因組計(jì)劃的推進(jìn)。

借鑒人類(lèi)基因組計(jì)劃，認(rèn)為材料基因組計(jì)劃的發(fā)展應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)方面做出努力：①開(kāi)發(fā)高通量制備及表征技術(shù)，利用高通量的實(shí)驗(yàn)手段，加速材料研發(fā)進(jìn)程；②整合全球力量，覆蓋適用于不同材料類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)裝備和數(shù)據(jù)平臺(tái)，建立材料科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)“云研發(fā)、云集成、云創(chuàng)新”的先進(jìn)理念；③構(gòu)建材料基因大數(shù)據(jù)庫(kù)，并形成計(jì)算仿真、定制實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)靶向性，從而促進(jìn)新材料研發(fā)與應(yīng)用的進(jìn)程。

此外，我們還應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識(shí)到材料基因組與人類(lèi)基因組的區(qū)別，人與人之間基因相似度為99.9%，基因的結(jié)構(gòu)是明確的雙螺旋結(jié)構(gòu)，只是基因序列上存在堿基對(duì)的排列差異，從而導(dǎo)致人與人之間的不同。而材料的微觀結(jié)構(gòu)更加多樣化，不但成分組成可以不同，微觀形貌等結(jié)構(gòu)也可能千差萬(wàn)別，其組成-結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系更加復(fù)雜。為此應(yīng)當(dāng)將先進(jìn)的材料研發(fā)技術(shù)與更多元的高通量制備和表征裝備相結(jié)合，打破傳統(tǒng)研發(fā)模式，為材料基因組計(jì)劃的實(shí)施提供強(qiáng)大的技術(shù)支持與裝備保障。

在中國(guó)材料基因組計(jì)劃大力發(fā)展的趨勢(shì)下，寧波國(guó)際材料基因工程研究院于2015年8月成立。研究院匯聚國(guó)際材料基因芯片技術(shù)發(fā)明人與多名國(guó)家材料基因組計(jì)劃重大咨詢項(xiàng)目專(zhuān)家組成員，完美結(jié)合材料基因芯片技術(shù)與高通量制備和表征裝備，通過(guò)技術(shù)、機(jī)制、模式的創(chuàng)新，為中國(guó)材料基因組計(jì)劃的實(shí)施不懈努力。

(通訊作者：向勇，男，1977年生，教授，寧波國(guó)際材料基因工程研究院院長(zhǎng)，Email: jinl@mgi.org.cn)