新時(shí)期計(jì)算機(jī)技術(shù)在生物技術(shù)中的應(yīng)用研究

姜立

【摘要】隨著生物技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，兩者之間的聯(lián)系也越來越緊密。生物技術(shù)的發(fā)展越來越離不開計(jì)算機(jī)的輔助和支持。同時(shí)計(jì)算機(jī)也在生物技術(shù)的發(fā)展下，不斷拓展自己的研究領(lǐng)域和范圍。這更讓計(jì)算機(jī)可以為生物技術(shù)做更多人無法完成的工作，使得兩者越來越更緊密結(jié)合在一起。

【關(guān)鍵詞】生物技術(shù)；計(jì)算機(jī)；應(yīng)用

【中圖分類號】Q50 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）01—0046-01

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，由于研究的深入，對知識的進(jìn)一步認(rèn)識和了解，許多學(xué)科之間都有了一些交叉，尤其是一些新興學(xué)科之間的相互交叉，廣泛滲透更是對科學(xué)的發(fā)展起了很大的促進(jìn)作用，人們進(jìn)一步提升對自然界的認(rèn)識，對人類本身也有了進(jìn)一步的了解。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在其中的應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大，計(jì)算機(jī)和藥學(xué)兩者互相影響、互相滲透、互相結(jié)合，密不可分。

1、生物技術(shù)與信息技術(shù)的關(guān)系

信息技術(shù)和生物技術(shù)都是高新技術(shù)，二者在新經(jīng)濟(jì)中并非此消彼長的關(guān)系，而是相輔相成，共同推進(jìn)21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。信息技術(shù)為生物技術(shù)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的計(jì)算工具。在現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展過程中，計(jì)算機(jī)與高性能的計(jì)算技術(shù)發(fā)揮了巨大的推動(dòng)作用。如今，人們越來越清醒地認(rèn)識到，超級計(jì)算機(jī)在創(chuàng)造新品種的藥物、治愈疾病以及最終使我們能夠修復(fù)人類基因缺陷等方面是至關(guān)重要的，高性能計(jì)算可以為人類作出更大的貢獻(xiàn)。生物技術(shù)推動(dòng)超級計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著人類基因組計(jì)劃各項(xiàng)任務(wù)的完成，有關(guān)核酸、蛋白質(zhì)的序列和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長。面對如此巨大而復(fù)雜的數(shù)據(jù)，只有運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)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，并非一般的計(jì)算機(jī)力所能及，而需要具有超級計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)。因此，生物技術(shù)的發(fā)展將對信息技術(shù)提出更高的需求，從而推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。生物技術(shù)將從根本上突破計(jì)算機(jī)的物理極限。運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)的各種工具，來闡明和理解大量基因組研究獲得數(shù)據(jù)中所包含的生物學(xué)意義，生物學(xué)和信息學(xué)交叉、結(jié)合，從而形成了一個(gè)新的學(xué)科。生物信息學(xué)或信息生物學(xué)，它的進(jìn)步所帶來的效益是不可估量的。

2、計(jì)算機(jī)在生物技術(shù)中的應(yīng)用分析

生物醫(yī)學(xué)工程運(yùn)用現(xiàn)代自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的原理和方法，從工程學(xué)的角度研究人體的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系以及其他生命現(xiàn)象。其目的是解決醫(yī)學(xué)問題，即研究和開發(fā)為防病、治病以及人體功能輔助等醫(yī)學(xué)應(yīng)用的裝置和系統(tǒng)。用技術(shù)科學(xué)的概念和方法來解釋和描述人體各層次的成份、結(jié)構(gòu)和功能，以及人體各種正常生理功能和病理狀態(tài)之問的差異，這些內(nèi)容形成了這個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)部分。而防病、診斷、治療及功能輔助的具體技術(shù)和設(shè)備則形成這個(gè)學(xué)科的應(yīng)用部分。

2.1 計(jì)算機(jī)技術(shù)在生物信息學(xué)中的應(yīng)用

生物信息學(xué)在今后的無論是生物醫(yī)藥科研還是開發(fā)中都具有廣泛而關(guān)鍵的應(yīng)用價(jià)值；而且，由于生物信息學(xué)是生物科學(xué)與計(jì)算科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等密切結(jié)合的交叉性學(xué)科，使其具有非常強(qiáng)的專業(yè)性，這就使得專業(yè)的生物醫(yī)藥科研或開發(fā)機(jī)構(gòu)自身難以勝任它們所必需的生物信息學(xué)業(yè)務(wù)，殘酷的市場競爭及其所帶來的市場高度專業(yè)化分工的趨勢，使得專業(yè)的生物醫(yī)藥開發(fā)機(jī)構(gòu)不可能在自身內(nèi)部解決對生物信息學(xué)服務(wù)的迫切需求，學(xué)術(shù)界內(nèi)的生物醫(yī)藥科研機(jī)構(gòu)也是如此，而這種需求，僅靠那些高度分支化和學(xué)術(shù)化的分散的生物信息學(xué)科研機(jī)構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足的?？梢姡谏茖W(xué)的新世紀(jì)，生物信息學(xué)綜合服務(wù)將是一個(gè)非常重要的也是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。

2.2 計(jì)算機(jī)在微生物學(xué)中細(xì)菌生化反應(yīng)上的應(yīng)用

細(xì)菌學(xué)的計(jì)量檢驗(yàn)是醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)現(xiàn)代化的種重要手段。此檢驗(yàn)技術(shù)是通過收集已確證的統(tǒng)計(jì)資料，并將系列生化反應(yīng)試驗(yàn)的反應(yīng)結(jié)果數(shù)值化，按照一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多元分析，利計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和記憶能力，檢驗(yàn)標(biāo)本作出規(guī)范化的定量鑒定。實(shí)現(xiàn)這一計(jì)量鑒定，我采用了計(jì)算機(jī)輔助編碼撿索系統(tǒng)（CAIS）菌科細(xì)菌系列生化反應(yīng)機(jī)輔檢索程序（CAE-15）、（eAE-I）輸入微機(jī)。通過各項(xiàng)生化反應(yīng)結(jié)果及增補(bǔ)試驗(yàn)結(jié)果所得的編碼數(shù)經(jīng)過人工查詢，從計(jì)算機(jī)編程的“縮碼檢索手冊”中直接查找指定編碼的細(xì)菌概率分布和相應(yīng)的補(bǔ)充試驗(yàn)。計(jì)算機(jī)在微生物中的應(yīng)用，不僅節(jié)約了時(shí)間和人力，而且鑒定結(jié)果準(zhǔn)確可靠，避免主觀誤。

2.3 計(jì)算機(jī)在破譯遺傳密碼和管理基因數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)在破譯遺傳密碼和管理基因數(shù)據(jù)方面的潛力，在加利福尼亞大學(xué)圣迭分校的生物化學(xué)教授杜利特爾及其同事的工作中得以體現(xiàn)。他們在年進(jìn)行的工作中只通過分析計(jì)算機(jī)打印輸出的數(shù)據(jù)就獲得了一個(gè)重要的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)。杜利特爾教授的研究小組比較了兩個(gè)由計(jì)算機(jī)打印輸出的蛋白質(zhì)序列，發(fā)現(xiàn)一種與癌癥發(fā)生有關(guān)的序列和一種與細(xì)胞生長有關(guān)的序列完全一樣，揭示出癌基因引起了細(xì)胞的不正常生長。這一發(fā)現(xiàn)在沒有進(jìn)行過任何一實(shí)驗(yàn)的情況下就獲得了。

2.4 計(jì)算機(jī)在創(chuàng)造生物的虛擬環(huán)境方面的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)還正被用于創(chuàng)造一個(gè)虛擬的生物環(huán)境，以便對復(fù)雜的生物網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行模擬。這種虛擬環(huán)境創(chuàng)造不同的情境，幫助研究人員產(chǎn)生新的假說，并在實(shí)驗(yàn)室里被用于檢測新的農(nóng)業(yè)和制藥產(chǎn)品以及醫(yī)學(xué)活體實(shí)驗(yàn)。在虛擬世界里，生物學(xué)家敲敲鍵盤就可以產(chǎn)生新的合成分，而在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常需要幾年時(shí)間才可能合成一個(gè)真正的分子。有了三維的計(jì)算機(jī)模型，研究人員可以在屏幕上將各種基因和分子進(jìn)行組合，然后觀察它們的相互作用情況。年，賓夕法尼亞州立大學(xué)和位于加利福尼亞拉霍亞的斯克里普斯臨床研究所的研究人員，通過使用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)首次設(shè)計(jì)了一種極有價(jià)值的合成分子。這種被命名為的化合物是在計(jì)算機(jī)屏幕上構(gòu)想出來的，幾家生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行該化合物的批量生產(chǎn)?？茖W(xué)家們打算通過使用新的信息時(shí)代的計(jì)算技術(shù)造出多種多樣的新分子。

2.5 計(jì)算機(jī)在生物醫(yī)學(xué)工程中的具體應(yīng)用

生物醫(yī)學(xué)工程運(yùn)用現(xiàn)代自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的原理和方法，從工程學(xué)的角度研究人體的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系以及其他生命現(xiàn)象。其目的是解決醫(yī)學(xué)問題，即研究和開發(fā)為防病、治病以及人體功能輔助等醫(yī)學(xué)應(yīng)用的裝置和系統(tǒng)。用技術(shù)科學(xué)的概念和方法來解釋和描述人體各層次的成份、結(jié)構(gòu)和功能，以及人體各種正常生理功能和病理狀態(tài)之間的差異，這些內(nèi)容形成了這個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)部分。而防病、診斷、治療及功能輔助的具體技術(shù)和設(shè)備則形成這個(gè)學(xué)科的應(yīng)用部分。

3、發(fā)展前景

計(jì)算機(jī)在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用的例子還很多，并且發(fā)揮著越來越重要的作用，同時(shí)對計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的要求也越來越高。比如在生物醫(yī)學(xué)信號處理方面，普通的計(jì)算機(jī)已經(jīng)很難勝任實(shí)時(shí)處理的能力，使人們轉(zhuǎn)向研究處理速度更快的專門處理器件DSP芯片。在人工智能方面，往往還需要功耗更低、存儲更大的微計(jì)算機(jī)。因此，生物醫(yī)學(xué)工程在利用計(jì)算機(jī)的同時(shí)也促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的發(fā)展。二十一世紀(jì)是生物技術(shù)的世紀(jì)，信息生物學(xué)是自然科學(xué)中發(fā)展最迅速、最具活力和生氣的領(lǐng)域，并且為人類帶來了很大的便利與貢獻(xiàn)。不難看出，生物計(jì)算機(jī)研制成功以后，又會帶來一次革命，它將會給人類帶來更多的福祉，世人將以期盼的心情等待它的出現(xiàn)。隨著科技的發(fā)展，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，它將越來越離不開計(jì)算機(jī)。不但如此，計(jì)算機(jī)和生物技術(shù)更越來越緊密結(jié)合。將更快地促進(jìn)兩者的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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