面向合成生物学的机器学习方法及应用

机器学习的目标是设计可以根据先验知识和观测数据不断改进其性能的算法.该算法可以帮助机器从大量的数据中提取知识,从而提升其在特定任务上的性能.作为数据驱动的方法,机器学习可以有效利用高通量实验技术产生的大批量生物数据,实现合成生物体的功能预测与智能化设计,改变合成生物学的研究范式.本文首先介绍机器学习在合成生物学领域广泛应用的几个模型及方法,如支持向量机、神经网络、生成式对抗网络、深度强化学习等.然后介绍机器学习方法在合成生物学领域的典型应用,如启动子预测、酶催化设计、代谢途径构建、基因线路设计等.本文综述面向合成生物学的机器学习方法及应用,并试图启发读者如何选择和设计机器学习方法用于合成生物学的研究.     

与进化论的一次对话

在科学史上,很少有一个科学理论曾像进化论那样激起＂公愤＂,因为它声称万种生物皆是进化的产物,人类只不过是猿猴的后裔;也很少有一个科学理论像进化论那样得到广泛的拥护,它已经成了真理的代名词,成了科学唯物主义世界观的基石。今天,进化论仍然是科学家和百姓们关注的话题。     

先秦生态认识举隅

生态学(Ecology)是研究生物与其生活环境之间相互关系的科学,它是生物科学的基础学科之一。如果说,生态学作为一个独立的生物学分支被大家所接受,已经是迟至上世纪末、本世纪初;如果说,生态学发展为一门具有明确的理论基础和特殊方法论的成熟学科、它之崛起于现代科学丛林而     

生物的数学

正探索物理学规律和生物学规律的交叉地带。牛津英语词典是大家都认可的知名权威工具书,但它对物理学的定义——"研究非生命物质和能量性质的科学分支"——显然并不全面,因为物理学同样研究生命。早在1900年,物理学家召开第一次国际大会时就报告过生物学方面的研究。如今,物理学和数学仍旧在帮助生物学家认识生物。     

医学成像

<正>自从一个多世纪前拍下首幅X光照片开始,窥探身体内部的技术就成为医学发展的中心任务之一。精确医学成像技术日益进步,给生物医学研究以全新的视野,有望促成更精准的诊断与治疗观测工具的改进推动了科学的发展。伴随着望远镜的出现,天文学家们能够在收集到的天文数据基础上提出行星运动和引力理论。与此同时,我们正在见证医学成像领域令人震惊的进步,它解开了生物学与疾病之间的许多未解之谜。本栏目从两个方面聚焦医学成像技术:技术本身的发展以及成像在医学上的应用。     

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.     

系统生物学:一个工程和医学的新视角——来自英国医学科学院和皇家工程院的报告

英国皇家工程院和英国医学科学院2007年2月共同发布了题为《系统生物学：一个工程和医学的新视角》的研究报告。 系统生物学是一个科学和工程研究上的创新性发展，是对一个生物系统的各组成部分之间的相互联系进行定量分析的新兴的方法学。系统生物学运用系统工程的概念，并通过建立数学模型和试验的方法来研究复杂的生物系统，它通过工程科学中的系统分析以及控制和信号理论，在生物学和工程研究之间架起了桥梁，并将对生物医学、健康护理等很多领域产生着广泛的影响。 为使读者及时了解这方面的最新动态，我们特约上海交大医学院顾敏鸣教授等选译了该报告的总论部分，希望引起关注。[编者按]     

十年来的中国海洋生物学

海洋生物学是研究生长在海洋里的动、植物的科学,因此,它不但属于生物学的范围,而且也是綜合性很强的海洋学的一个組成部分。这門科学在临海的科学先进国家都很发达,但在我国解放前的反动統治下,它也和其它科学一样,沒有得到应有的重視和发展。解放以后,在短短十年内,在党的正确領导和支持下,海洋生物学跟其他科学一样,有了很大的发展。研究范围已經从分类学扩大到密切联系实际的生态学和资源調查研究;在形态学和生理学方面也进行了一些工作。几年来,海洋生物学的主要工作是沿岸和近海的动植物分类、区系和生态調查研究,經济动植物     

黑洞之光和有噪中度量子时代的晨曦

正文章千古事,得失寸心知。对于大大小小的每一个科学领域来说,对于每一位科学工作者来说,2019年自有得失。科学上真正的重要性亦不在于一时的吸引眼球。总的来说,我感觉,目前物理学的重要进展比较多地在于实验、观测和技术的进步,而较少有重大的理论突破。但是随着实验进步的积累,理论突破可以期待。例如,天文观测确定了暗物质和暗能量的存在,虽然有各种理论,但还是猜测性较强;很多迹象早已表明粒子物理理论需要超越标准模型,然而怎     

评江幼农先生编“关于植物无性杂交的科学资料”

科学出版社出版的江幼农先生所编写的“关于植物无性杂交的科学资料”一书,收集了国内所能见到的有关文献达180种之多;对于植物嫁接和无性杂交方面,提供了一定数量的参考资料。这一工作,诚如该书作者在共自序中所说的:“为了更好地学习和研究植物无性杂交的理论,应用并改进植物无性杂交的方法,把国人的有关文献整理一下,并将已介绍过来的苏联的先进理论和经验,以及其它国家的有关文献,一并整理一下,以供参考,显然是具有一定意义的”。我们完全赞同这样的一件工作,因为它对于各方面学习米丘林生物学和无性杂交是很需要的参考资料。而现在已由江幼农先生把它完成(或已完成了一部分),这是不能不使大家感谢的。     

川西甲基卡锂矿3211 m科学深钻多物理量分布式光纤观测

川西甲基卡锂矿3211 m科学深钻位于青藏高原东缘鲜水河断裂及川藏铁路附近,是目前青藏高原上最深的科学钻孔.利用此深钻观测深部物理场和浅部环境的变化过程,对于研究青藏高原地壳活动、川藏铁路场地稳定性和生态环境保护等均具有重要意义.采用分布式光纤传感(distributed fiber optic sensing, DFOS)技术,我们研发了高强度、耐高温的特种传感光缆,成功植入甲基卡锂矿深钻中,建成了世界上海拔最高和深度最大的光纤观测孔,实现了应变、温度、振动、水分等多物理量的分布式原位观测.本文是甲基卡光纤观测孔第一阶段的成果,包括岩体热导率的原位测定、钻孔回填过程的分布式声波振动(distributed acoustic sensing, DAS)观测、地震监测与地震成像等方面的初步进展.研究表明:DFOS应用于深钻全断面多物理量观测是可行的,它完全能适应深钻高温和高压的观测环境,并具有长距离、实时、连续分布式观测的优势;将分布式温度传感光纤、应变传感光纤和声波传感光纤集于一根传感光缆的设计思路保障了深钻传感光缆的安装质量,并为DFOS技术应用于地球物理和地质工程的多物理场观测开辟...     

干细胞处于所有癌症的中心吗?

干细胞和癌细胞是细胞众多状态中的一部分,这个事实说明干细胞不会处于所有癌症的中心,但会是癌症发生发展的一个重要因素.近年来更多的生物实验研究和医学临床观察也充分支持这个结论.干细胞与癌症的关系是关于细胞形态维持与转化——生物的中心问题之一.通过分析干细胞和癌症在3种层次-现象、分子生物标志、系统生物机理-中的关系,21世纪内发展起来的内源性网络理论可以作为一个全新的、综合性的思考平台.它能定量地刻画细胞状态的稳定性和相互转化的动态路径,把遗传和表观遗传现象的描述统一在同一个理论中,能更好地理解目前对这个问题研究的热潮下的生物学意义并能在理论和计算上帮助它向前推进.所有这些进展都指向一个可能:革命性的突破就在我们眼前.     

生物电子学

二十世纪三十年代,有人用示波器观察到生物体的神经动作电位,使生物学、电子学这两个“互不相关”的学科有了科学上的联系,随着电生理研究的迅速发展,从事这方面工作的人员逐渐增多,各国相继成立了生物电子学会,专业刊物不断扩充,文献数目急剧增加,大大促进了这门学科的发展. 生物体经过亿万年的进化,有它不可估量的优点,包括生物体对周围环境信息的获取、传送、处理以至于自身防护、环境适应等等.它的完整性、系统性、可靠性和灵活性远远超过了技术科学的总体设计概念.从生物中得到启示,仿照生物体的这些优点,应用到工程技术或国防军事方面,很可能有飞跃的发展.另一方面,人们看到,工程学是人类设法控制周围环境的,而生物医学是人类设法控制人体内部环境的,用工程技术上的理论与方法为生物医学服务,将大大促进生物、医学的研究、诊断与治疗.生物与工程两者相辅相成,互为因果,组成了生物电子学.     

中国实验动物学科发展的关键问题与对策的思考

<正>实验动物学是一门新兴交叉学科,它集成生物学、兽医学、生物工程、医学、药学、生物医学工程等学科的理论和方法,以实验动物和动物实验技术为研究对象,为相关学科发展提供系统性生物学材料和相关技术.实验动物学科产生的实验动物、动物模型、生物信息、动物实验技术、动物实验设备等,是     

单层组织培养法的改进

组织培养是将组成生物体的细胞从生物体内取出,在一定的人工条件下培养的方法,并且把它们作为有生命和有功能的个体来研究。这样,我们可以进一步地了解它们如何在生物体内相互作用,而能使生物生长及产生健康或疾病的状态。因此,组织培养现在已成为研究生物学上一些基本问题的重要技术。近年来,组织培养已广泛地被应用到病毒的研究上,特别显著的是Dulbecco的所谓单层组织培养法。关     

中国古生态学研究的历史和现状

古生态学是一门较为年轻的科学,是古生物学、沉积学(沉积岩石学、沉积相学)及生态学等等学科远缘杂交的高级理论综合产物。它研究古代生物(化石生物)与古代环境之间的相互关系。从这门科学当前从事研究的人员,以及它直接的服务对象、应用目的来看,它属于地质科学范畴。然而,也可以认为它是广义生态学(研究整个古今生物与古今环境的相互关系的学科)的一部分,因而也是属于生物科学范畴的。正由于它所具有的这种边缘科学的性质,是现代科学的重要生长点,所以,在它诞生以来大约百年的历程里,发展十分迅速。这门科学在中国,则是起步较晚而后来居上的新兴学科,有着无限广阔的前景。回顾起来,中国古生态学的发展大致经历了以下三个阶段:     

定量工程生物学的化学蛋白质组学支撑性技术

定量工程生物学是一门前沿交叉学科,通过设计-合成-测试-学习-再设计路线将不同的生物元器件组合,形成可以执行特定功能的基因线路,再经过不断优化获得稳定的、可控的基因线路,最后将设计优化后的线路引入不同的生命体,以达到预设的目的.这种变革性的方法可以创建一些能够灵敏感知和响应各种环境的工程系统,但在其中的功能检测环节,化学蛋白质组学技术则成为了测试工程改造生物功能和探究其作用机制的重要工具.随着以非天然氨基酸嵌入、生物正交化学、高分辨率质谱等技术为手段的化学蛋白质组学方法的发展,在复杂环境中解析工程生物的蛋白质组时空动力学变化成为可能,为探究工程改造菌或工程改造细胞的工作原理及其在生物体内的作用机制提供了必要的技术支撑,也为定量工程生物学研究中所需的深度功能测试提供了有效方法.本文主要是概述化学蛋白质组学技术在定量工程生物学研究中的潜在应用.     

重新安排进化的时间表——斯蒂文·史坦利教授访问记

斯蒂文·史坦利(Steven Stanley)是霍普金斯大学古生物学、地球和行星科学系教授,早就开始他研究生物的科学生涯并继续应用他的研究来解释化石的记录。史坦利对化石的甲壳研究把他推入到关于进化速度的进化生物学暴风雨般讨论的中心。经典的理论强调了逐渐性—微小的经过十分漫长的积累的变异产生在较大范围上的进化。这一观点暗示了化石记录应该     

科学的价值观和科学精神

科学的价值在于求真,在于它的真理性。而认识客观世界的社会价值更在于改造世界,在于为人类带来福利。科学之所以发展成如此宏大的事业,之所以受到社会的如此关注和重视,正是由于它不仅为人们提供了自然规律的系统知识,还在于它为生产力的发展和人类文明进步注入了不竭的动力。 科学的价值是通过科学活动的内部结构实现的。当代科学已经形成了特定的内部结构──基础研究、战略研究和应用与发展,其发展趋势是相互联系更加紧密、转移更为迅速。基础研究的目的旨在增加新科学知识和开辟新的科学领域,而往往并不直接考虑特定的应用目的;战略研究是近年来出现的概念,系指重大战略意义的研究与发展工作,包括重大定向基础研究、重大战略高技术研究与发展和重要公益性研究。基础和战略研究主要依靠国家支持和组织。应用与发展旨在研究发展科学知识的应用,以及用所获得的知识指导产生新的设计,建立新的工艺,生产新的材料、产品或提供新的服务,并从本质上去改善和创新已经在应用的那些材料、产品的设计和工艺。应用与开发的主体是企业。从而科学作为整体体现了其双重的社会价值—一真理价值和应用价值,表现了不同的行为主体和运行机制。 科学活动的行为规范和科学糟神的形成是与科学的本质相联系...     

生物多样性和生态系统功能对全球变化的响应与适应：协同方法

生物多样性与生态系统功能对全球变化的响应与适应是极其复杂的,为了更深入了解和认知,需要融合多学科技术、应用协同方法对其进行研究：其中长期定位观测有助于认识有长时间滞后效应的生态过程或具有重要生态功能的缓慢过程;全球变化实验在自然环境条件下可定量区分各环境因子及其相互作用对生态系统动态的影响;梯度研究可以完善不同时空尺度分析之间的耦合;过程研究则是对野外调查、长期观测或控制实验进行有益补充;这四种研究方法可以镶嵌使用,互补互惠,共同为模型结构的建立和完善提供理论认知,并为模型运行提供参数估算和独立验证数据。模型一方面通过集成各种调查、观测、实验等信息,可以提供强大的模拟分析与预测能力;另一方面它又可以反馈信息来指导各种观测、实验和研究的设计与数据收集,是全球变化研究中必不可少的集成分析工具。