生物信息學在生物學研究領域的應用

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.遼寧省微生物科學研究院，遼寧朝陽122000)

生物信息學在生物學研究領域的應用

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.遼寧省微生物科學研究院，遼寧朝陽122000)

綜合敘述了生物信息學對生物學科研工作的影響，介紹了生物信息學在生物技術、生物醫學、農業、食品、環境、能源等研究領域的應用概況，闡述了生物信息學為生物科研工作服務的意義。

生物信息學;生物技術;數據庫;應用

由于計算機的普及應用，網絡已經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良平臺。隨著情報科學、信息技術特別是計算機技術和網絡技術的發展，使得生物信息學發展成為一門前沿交叉學科。張陽德［1］編著的《生物信息學》一書中，給出的生物信息學的定義:現代生物信息學是現代生命科學與信息科學、計算機科學、數學、統計學、物理學和化學等學科相互滲透而形成的交叉學科，是應用計算機技術和信息論方法研究蛋白質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，以幫助了解生物學和遺傳學信息的科學。生物信息學研究的材料是生物學的數據，它通過情報學的方法，綜合運用數學、計算機科學、情報信息等工具，通過對生物信息加工后得到相關信息。生物信息學是新興的學科，是當今國內外研究的熱點，在生物技術、生物醫學、農業、食品、環境、能源等研究領域發揮了重要作用。

1 生物信息學在生物技術領域的應用

1.1 生物技術領域的應用

生物信息學在生物技術領域主要涉及微生物基因圖譜、文庫［2］的構建、序列的分析、基因組的功能注釋、菌種目錄、病毒資源庫、病原微生物數據庫的建設及相關軟件的應用以及生物技術平臺服務等。生物信息學主要的發展方向是基于數據庫與知識庫的知識與規律的發現、新型基因的發現、功能預測方法及程序的開發等［3-4］。

1.2 生物技術領域常用數據庫

生物技術領域常用數據庫有美國國立生物技術信息中心數據庫、中科院微生物資源數據庫群、維普信息資源系統、萬方數據資源數據庫和中國期刊全期刊全文數據庫(CNKI)等，文獻數據庫有SCI、BA(生物學文摘)、CA(化學文摘)等。數據庫是生物信息學的基礎，通過與數據庫進行比對分析，可以預測生物的結構和功能，使科研工作從繁雜的實驗過程中解脫出來。

除了數據庫，網絡上還可搜索到論壇、免費軟件、會議消息、講義等其他信息資源。這些網絡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 生物信息學在生物醫學領域的應用

生物信息學最早應用于生物醫學領域，隨著人類基因組計劃最初目標的完成，醫學開始注重向研究改善人類健康、預見和避免基因組危害人類的方向轉移。通過計算機應用及軟件開發，建立人工智能模型，研究生命系統、數據庫及其他醫療信息技術在臨床環境上的應用。通過管理和分析生物醫學圖像［5］(如放射性照片、CT掃描、電子顯微鏡或者手術模擬環境)，用于支持治療病人的決策過程。生物信息學也可用于破譯遺傳密碼、篩選免疫基因以及進行新藥研發［6］等領域。

2.1 生物醫學常用數據庫

外文數據庫有EMBASE、Web of Knowledge、Derwent Drug File、IPA、CA等，中文數據庫有中國生物醫學文獻光盤數據庫(CBMDisc)、中文生物醫學現刊目次數據庫(CMCC)、維普醫藥信息資源系統(VMIS)、萬方數據資源數據庫和清華CNKI全文期刊數據庫。專利則需要查找美國、歐洲專利數據庫、中國專利信息網和國家知識產權局專利數據庫等［7］。核酸數據庫現在主要有GenBank、DDBJ、EMBL等，蛋白質序列數據庫有SWISS-PROT、PIR等，三位結構數據庫有PDB、CSD等［8］。

2.2 軟件應用

利用網絡上的免費工具軟件，可使科研工作更得力。生物技術研究中常用的軟件為RasMol (生物分子三位結構觀察與演示)、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。

以上在生物醫學領域常用到的各類信息數據庫和其他應用軟件等，在農業、化工、環境、食品等其他生物研究領域也都有所應用。通過數據庫及軟件的大量應用，產生了從原來單一的醫學和生物信息學逐漸轉換到為醫學提供服務的生物醫學信息學的理念，是對現存醫療體系的重大革新，不僅可發展壯大現有醫療機構，也將對改善人類的身體健康起到至關重要的作用。

3 生物信息學在農業領域的應用

隨著遺傳操作技術特別是動植物細胞的基因轉移技術的不斷創新和完善，將農業生物信息學與常規育種技術相結合，進而提高育種效率，創新遺傳資源，加快育種進程，已成為農業育種的發展趨勢。生物信息學與農業結合將推動農業的發展，高質量完善的農業生物信息數據庫則成為農業基礎與應用研究中必不可少的技術手段［9］。

3.1 農業生物信息數據庫

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

3.2 農業生物信息數據庫的應用

通過數據檢索、序列比對、同源性分析、結構預測等工具軟件的運用，可將分析數據應用于農作物模式植物研究、種質資源保存、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、保護瀕危種質資源、控制動植物病蟲害和培育優良高產的農作物品種方面提供可靠保障。

4 生物信息學在食品領域的應用

4.1 在食品安全檢測中的應用

食品在加工制作和存儲過程中各種細菌數量發生變化，傳統檢測方法是進行生化鑒定，但所需時間較長，不能滿足檢驗檢疫部門的要求，運用生物信息學方法獲得各種致病菌的核酸序列，并對這些序列進行比對，篩選出用于檢測的引物和探針，進而運用PCR法［12-13］、RT-PCR法、熒光RTPCR法、多重PCR［14-16］和多重熒光定量PCR等技術，可快速準確地檢測出細菌及病毒。此外，對電阻抗、放射測量、ELISA法、生物傳感器、基因芯片等［16-20］技術也是未來食品病毒檢測的發展方向。

4.2 在轉基因產品檢測中的應用

轉基因食品檢測是通過設計特異性的引物對食品樣品的DNA提取物進行擴增，從而判斷樣品中是否含有外源性基因片段［21］。通過對轉基因農產品數據庫信息的及時更新，可準確了解各國新出現和新批準的轉基因農產品，便于查找其插入的外源基因片段，以便及時對檢驗方法進行修改。

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，生物信息學在食品領域的應用還比較有限，但隨著食品安全檢測數據庫的不斷完善，相信相關的生物信息學技術將在食品領域發揮越來越重要的作用。

5 生物信息學在環境領域的應用

5.1 在環境領域的應用

生物信息學在環境領域主要應用在控制環境污染方面，主要通過數學與計算機的運用構建遺傳工程特效菌株，以降解目標基因及其目標污染物為切入點，通過降解污染物的分子遺傳物質核酸DNA以及生物大分子蛋白質酶，達到催化目標污染物的降解，從而維護空氣［22］、水源、土地等生態環境的安全。

5.2 與環境有關的生物信息學數據庫

美國農業研究中心(ARS)的農藥特性信息數據庫(PPD)提供334種正在廣泛使用的殺蟲劑信息，涉及它們在環境中轉運和降解途徑的16種最重要的物化特性。日本豐橋技術大學(Toyohashi University of Technology)多環芳烴危險性有機污染物的物化特性、色譜、紫外光譜的譜線圖。美國環保局綜合風險信息系統數據庫(IRIS)涉及600種化學污染物，列出了污染物的毒性與風險評價參數以及分子遺傳毒性參數［23］。

除此之外，生物信息學在生物防治［24］中也起到了重要的作用。由于網絡的普及，情報、信息等學科的資源共享，勢必會創造出一個環境微生物技術信息的高速發展趨勢。

6 生物信息學在能源領域的應用

6.1 在能源開采中的應用

在石油增產措施中，綜合運用GenBank、EMBL、SWISS-PROT等數據庫以及Clustal W、Tree-View、Blast等軟件將各類數據對比分析，人們已經能夠使用商業性的酶來降解生物聚合物，通過篩選有益細菌來獲取高級的生物催化劑，從而提高石油的產量［25-26］。原核生物多樣性采礦技術得到了迅速發展。同樣，不同類型的煤也會發生類似的生物轉變，可以轉變成甲烷。人們通過生物信息學技術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 生物信息學在綠色生物能源中的應用

在確保糧食安全的前提下，通過生物學技術改良糧食基因，使之轉變為適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變和代謝工程，利用酶和細菌對生物體的碳氫化合物進行新陳代謝優化，從而用于開發生產生物乙醇等生物能源。

由于發展生物能源產業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了生物能源產業［27］。但是必須在糧食安全的前提下關注能源安全，在協調糧食安全的同時尋求發展生物能源路徑。

生物信息學廣泛用于科學研究的各個領域，不僅可以為科研服務，還可以在教育、政府機構和商業企業等領域中發揮獨到的作用。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機構提供相關服務，通過出版物、信息共享平臺、數字圖書館、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發展還很不均衡，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習努力趕上。

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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。研究方向為數量經濟學。Tel:024-23983533，E-mail:mengshuang@lninfo.gov.cn

2011-01-10;

2011-01-21