专题: 生物信息学

随着高通量高分辨率组学技术的发展, 以基因组学、蛋白组学、代谢组学等为代表的海量生命组学数据随之大量产生, 相关的信息挖掘算法和系统生物学研究成了生物信息学发展的新热点. 一方面, 现代生命科学的发展已经越来越离不开信息科学的支撑, 需要信息科学领域的学者参与；另一方面, 现代生物科学, 特别是生命组学, 正在以前所未有的速度发展, 这能够给从事复杂系统的研究人员提供各种高维非结构化高噪声背景的海量数据, 为复杂系统的建模和分析提供了十分难得的研究平台. 《科学通报》“生物信息学”专题在这个时候出版, 具有十分重要的意义......     

生物医学大数据的现状与展望

生物医学是一门新兴的前沿交叉学科,它综合了医学、生命科学和生物学的理论和方法而发展起来.近年来随着先进仪器装备与信息技术等越来越广泛和深入的整合到生物技术中来,生物医学研究中越来越频繁的涉及到大数据存储和分析等信息技术.大数据时代的来临对生物医学研究产生了重大影响.其中,一个重要发展趋势就是由假设驱动向数据驱动的转变.数十年来分子生物学水平上的实验目的是获得结论或者是提出一种新的假设,而现在基于海量生物医学大数据,可以对海量数据的研究来探索其中的规律,直接提出假设或得出可靠的结论.随着先进的生物分析技术的不断推出和更新,生物医学数据迅速积累.基于此类大数据一些以往不能解决的问题将有望解决,同时相关生物医学研究的新问题也层出不穷.生物医学相关的大数据技术和相关应用主要包括:基于高通量测序的个性化基因组、转录组和蛋白组研究,单细胞水平基因型和表型研究,人类健康相关微生物群落研究,生物医学图像研究等.相关生物医学大数据分析任务均具有着数据密集和计算密集的双密集性特点.要充分地利用这些大数据解决一系列生物医学问题,迫切需要高通量、高效率、高准确性的生物信息存储和分析策略.本文总结和回顾生物医学大数据的生成、管理和分析相关的一系列问题,其中重点讨论人体微生物群落、单细胞表型和基因型、生物医学图像等新近出现的生物医学大数据形式,以及相关数据分析和应用前景等.基于目前生物医学大数据的现状我们可以发现,生物医学大数据的研究正处于蓄势待发状态:适应于生物医学大数据的软硬件平台、大数据存储、大数据分析挖掘等方法等还不成熟,制约着生物大数据的研究.然而一旦相关研究获得突破并有所优化和应用,将会全方位地支撑生物医学大数据的深入解构;进而有助于对医学现象的趋势分析和预测,服务于相关的遗传疾病研究、公共卫生监控、医疗与医药开发等广泛生物医学应用.     

地球大数据缘起和进展

<正>进入信息时代以来,数据总量呈爆炸式增长,数据的类型、结构、维度也更加复杂多样,远远超出了传统数据库的管理和处理能力,逐渐向“大数据”方向转变.大数据是用于描述超出常规处理能力的数据集术语,其内涵不仅包含海量的数据本身,也包含对这些数据集的存储、处理与分析方法.当前,大数据已经成为国家信息主权的体现,并已在人类社会发展中发挥重要作用^[1,2].     

生物复杂环境下的核磁共振技术和应用:机遇与挑战并存

核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)技术是研究生物大分子结构、动力学和相互作用最理想的工具之一.近年来,高场NMR波谱仪的使用和NMR实验方法的不断创新,在很大程度上提高了NMR技术检测的灵敏度和分辨率,使NMR技术得到快速发展和广泛应用.目前,生命科学与物质科学的交叉融合使生命科学研究从观察、描述性科学转向定量、可预测性科学,多种学科交叉渗透发展已成为科学研究领域十分普遍的现象.在这种趋势下,生物复杂环境下的磁共振谱学研究体系日趋成熟,本文重点回顾和讨论了多学科交叉研究趋势下NMR技术在生物复杂体系中的应用和发展,主要包括复杂膜环境下的膜蛋白研究、复杂细胞环境下的细胞内NMR(in-cell NMR)研究以及骨组织的固体NMR研究等.     

从生物大数据到知识大发现:十年进展与未来展望

生物和医疗大数据的快速大量积累是当今生命科学领域的一个重要特征,但从这些大数据能否获得关于生命现象规律的重大知识发现,是人们更关心的关键问题,也是2005年Science杂志展望的125个最具挑战性问题之一.本文从新一代DNA测序技术发展以及医学遗传学、合成生物学、精准医学、微生物组学等几个方面,回顾了近十年来生物大数据的重要发展和已经由此带来的科学进步,并对未来的发展方向进行了展望.     

编者按

<正>大数据是海量、高增长率和多样化的信息资产,需要新的处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力.大数据在政府、公共事业、商业领域的价值日益凸显,成功案例层出不穷.真实、准确、及时的大数据样本也为心理学研究方法的变革带来了崭新的机遇,拓宽和加深了心理学研究的广度和深度,提升了心理学研究的预测力和控制力.我国已有不少学者投身大数据的洪流,如中国科学院心理研究所朱廷劭研究员创建了"计算网络心理实验室"并基于大数据开发了"国人心理地图"、蔡华俭研究员创建了"云端心理     

双光子技术及其在生物医药分析中的应用

作为近20 年来迅速发展的一门新技术, 双光子技术已被广泛应用于三维数 据存储材料、医药、军事、生物以及生命科学等领域, 并随学科交叉与融合, 在揭 示生命活动基本规律和起源的研究中发挥越来越重要的作用, 为生物医学提供了 更多、更为有效的手段. 本文从常用的双光子材料以及双光子激光扫描荧光显微镜 成像原理等方面, 结合双光子技术在生物医学研究中的应用, 探讨了这一新兴技 术在生物医药分析领域的前景.     

面向大社交数据的深度分析与挖掘

社交网络在线化是大数据时代的典型特点,也是大数据产生的重要原因之一.本文从大数据的特点着手,结合互联网络尤其是在线社交网络的发展趋势,介绍大数据在提升国家信息产业科学化水平、引领新型互联网经济发展、推动社会学与信息科学交叉发展等方面带来的重大机遇;分析在线社会网络中存在的关键问题,阐述网络大数据研究在语义理解与分析、多模态关联与融合、群体行为分析与挖掘、多维分析与可视化、系统的研发与集成等方面面临的巨大技术挑战,以及当前国内外在大数据分析和在线社交网络领域的主要研究工作;总结和展望网络大数据研究的未来方向和前景.     

量热技术在生命科学中的应用

量热学是一门古老而又新兴的高技术综合性学科.微量热技术和差示扫描量热技术(DSC)等在生命科学各领域的应用,为研究生命现象提供了定量的热化学信息,有助于从静态和动态的角度研究生命代谢过程,其研究的层次为:生态系统→生物群体→生物个体→生物组织→细胞→细胞器→生物大分子→生物小分子.量热学与生命科学的结合符合当代学科间相互交叉渗透的发展趋势,因此形成的生物量热学无论在学科的基础理论,还是在技术应用上都是很有生命力的方向.值得有关同行共同开拓.     

大数据安全与自主可控

继互联网、物联网、云计算之后,大数据已成为当今信息技术领域的发展热点.大数据在带来"大"价值的同时,也存在"大"安全问题.大数据的基本特征对计算设施、存储、网络、信息资源等提出了更高的安全要求,传统的信息安全手段和管理机制已经跟不上大数据时代的信息安全形势发展.本文在研究大数据安全新特点的基础上,分析了我国大数据发展面临的信息基础设施自主可控程度低、安全防护技术和手段不足等问题;阐述了自主可控对大数据安全的重要性和意义,明确了解决大数据安全的根本之道在于实现我国主要信息产品、设备和技术的自主设计制造,并总结了我国在大数据安全领域自主可控产品的发展现状.大数据安全事关国家安全,本文最后从加强大数据战略规划和安全体系建设、构建中国特色自主可控的发展路线、强化大数据技术在信息安全领域的创新应用等3个方面,探讨提出了解决我国大数据安全的策略和办法,以确保我国大数据时代的信息安全逐步朝着体系化、规范化和技术自主可控的方向发展.     

移动大数据时代:无线网络的挑战与机遇

随着移动互联网、云计算、物联网、机器类型通信等新兴信息通信技术的飞速发展,信息社会进入了网络化的大数据时代.快速普及的智能化移动终端应用助推了全球移动数据流量的大幅度增长.在移动大数据时代,海量数据、业务类型演进、数据多样化、数据空-时域分布不均匀等特征给无线网络带来了严峻的挑战.为了应对挑战,一方面,无线网络从新频谱拓展、传输技术、智能立体化组网等多维度进行演进以满足大数据传输与应用的需求;另一方面,移动大数据作为一种新的生产要素改变着人们认知网络的方法,无线网络可以充分借鉴互联网数据挖掘的理论与方法,实现网络的灵活部署、无线资源的优化配置和低能耗绿色通信.     

全球海洋预报与科学大数据

全球海洋预报是当前国内外海洋预报领域的前沿方向之一,与实施海洋强国战略、维护国家海洋权益,以及开发深远海资源等各类海洋活动日益走向深海大洋的迫切需求有着密切的关系.全球海洋预报的突出特点是使用并生成海量的数据,充分体现了大数据的基本特征.本文从论述大数据的起源、概念和本质开始,介绍了全球海洋预报的基本理论,进一步结合数据同化、模式数据和产品分发等3个方面具体阐述了全球海洋预报中使用的观测数据和生成的模式数据等大数据.最后展望了全球海洋预报以及海洋大数据未来发展中面临的挑战和亟需解决的关键科学问题.     

Internet与生命科学

Internet为生命科学研究提供了一条有效的信息交流途径,尤其在分子生物学研究中,Internet提供了大量的分子生物学数据库和应用软件.本文列举了一些在生命科学研究中常用的Internet服务器的服务内容和地址.     

基于互联网平台的大数据收集在社会认知研究中的应用

基于互联网的大数据收集是社会认知领域的新兴研究手段.本文主要介绍了基于以MTurk,Micro Turk等为代表的、具有交易功能的大型行为数据网络收集平台进行的社会认知领域的研究,从网络平台大数据采样的数据质量和大数据对社会认知领域新方向的启发两方面进行阐述,总结了网络大数据在样本范围和数量、分析方法和实验情境上相比传统实验室数据采集的优势和不足.虽然互联网平台的大数据收集还有无法完全控制被试完成任务、存在难以通过大量样本平衡的变量等一系列问题,但这一研究方式的社会性生态效度佳,且在纵向研究和社会行为的网络化分析等方面表现出独有优势,在社会认知领域的研究中具有广阔的应用前景.     

药用模式生物研究策略

模式生物是用于研究某种特定的生物学现象而被选定的物种.基于模式生物的研究策略已经在多个生物学领域取得巨大的成功,揭示了众多生命科学的机理,发展了一系列生命科学研究技术.近年来,现代生物学发展迅速,其相关的概念和技术正不断渗入并影响着药用生物的研究领域,包括基于模式生物的研究策略.丹参(Salvia miltiorrhiza)、灵芝(Ganoderma lucidum)等模式药用生物已经提出了多年,受到国内外的广泛关注.但是由于缺乏成熟的模式药用生物研究体系,使得当前药用生物的研究成果比较分散,难以在理论水平上汇总提高,极大地消耗了药用生物界的研究资源和研究力量,阻碍了药用生物学的发展.本文结合近期药用生物学的研究成果,从药用模式生物研究体系建立的必要性出发,提出了药用模式生物研究体系的基本概念和建立目的,分析了应用药用模式生物研究体系研究的可行性,提出了药用模式生物的选择原则并从遗传信息获得、遗传转化体系建立、突变体库构建和次生代谢物生产体系建立4个方面描述了药用模式生物研究体系的建立策略.本文还介绍了以药用模式生物为对象的次生代谢产物生源合成及调控研究策略,同时认为,药用模式生物体系在阐释药材道地性等中医药传统问题及发展合成生物学等现代科学前沿中发挥重要作用.     

高分辨数字人体三维结构数据集的构建与可视化

中国数字人研究是将人体解剖结构数字化和可视化, 建立具有组织形态、物理功能和生理功能的人体信息系统. 在获取的中国数字人体断层切削照片的基础上, 本研究对中国数字人体断层切削照片进行了预处理, 完成了中国男性数字人体生理系统主要器官和组织的分割、标识和命名; 用高性能计算集群, 对海量的分割数据进行并行快速三维结构重建, 构建了国际上分辨率最高的人体三维解剖结构数据集(体素0.1 mm × 0.1 mm × 0.2 mm); 在三维结构数据集的基础上, 开发了二维断层图像和三维结构可视化软件; 建立中国数字人体网站(www.vch.org.cn)进行数据集的共享、发布和推广. 该数据集是国家信息数据库和医学基础建设的重要组成部分.     

大数据在肿瘤预后预测中的应用现状和前景

技术进步催生了大数据时代,依靠先进的数据平台可将临床记录、医学影像、基因信息等不同形式的数据,以及来自不同地区的数据,迅速而有效地有机整合,并进行及时的计算和分析.这为肿瘤预后预测医学研究工作带来了前所未有的契机.本文简述了肿瘤预后预测的研究现状,回顾了大数据在医疗领域的相关研究成果,旨在为推进大数据技术在肿瘤预后预测研究中的应用提供参考和新思路.     

基于PC/Linux的分子生物信息数据库查询系统

随着人类基因组计划等大型国际项目的实施,分子生物信息的研究、开发和应用已经成为当前一个前沿领域和研究热点．ＤＮＡ序列测定技术的完善和应用,使核酸序列数据库迅速增长国际上著名的３大核酸序列数据库ＥＭＢＬ,ＧｅｎＢａｎｋ和ＤＤＢＪ的数据量以指数曲线增长．与此同时,国际上两大著名的蛋白质序列数据库ＳｗｉｓｓＰｒｏｔ和ＰＩＲ的数据量也随之增长．Ｘ射线衍射和核磁共振结构测定技术的改进,使蛋白质空间结构测定的速度加快．ＰＤＢ数据库中以蛋白质为主的生物大分子结构数据已达１万多套．此外,Ｍｅｄｌｉｎｅ等文献摘要…     

迎接生物数学时代的到来——著名数学家王梓坤院士谈"基因与数学"

迄今数学在天文、物理和工程等领域得到了非常成功的应用 ,但数学在生物学方面的应用远不及在物理学那样必不可少 ; 在当今方兴未艾的生命信息遗传研究中 ,数学应该有所作为 ; 科学上新的重大突破往往伴随着新数学分支的诞生 ,在生命科学领域的未来发展中 ,生命科学家与数学、物理学家的合作将有非常大的空间。     

冷等离子体在生物医用高分子材料中的应用

随着生命科学和材料学的飞速发展,作为这两大前沿领域的交叉学科——生物医用材料,也越来越引起人们的重视,它的科技成就在一定程度上反映了国家的科学水平、工业化水平和人民的生活水平.生物医用材料大致包括金属、陶瓷和有机高分子三个方面,在此我们着重讨论生物医用高分子材料.