结构蛋白质组学（结构基因组学）：本世纪的重大科学工程

大规模的全基因组测序计划正产生越来越多的序列信息,而理解这些信息的关键是理解基因产物--蛋白质的功能.在后基因组时代,蛋白质的三维结构解析是揭示生命密码的重要部分.随着技术进步和大量来自公共机构和私人企业的资金投入,结构蛋白质组学研究开始启动,它的目标是采用工业化生产的方式在基因组规模去大量测定蛋白质的结构.这将会改变结构生物学家的研究方式.蛋白质结构测定的流程,从cDNA的克隆到数据收集,大部分将实现自动化.结构蛋白质组学是实验和理论计算相结合的多学科交叉的领域.目前,结构蛋白质组学仍然面临着许多技术上的挑战,这些挑战也带来了很多机遇.结构蛋白质组学产生的大量结构信息将是一笔巨大的财富,它将给制药行业带来重大变化.近年来,基于蛋白结构的合理药物设计在制药行业非常流行.同时,它也必将给生物学领域带来一场革命.     

具有复杂阻尼结构的超临界及超超临界大功率汽轮机末级长叶片寿命评估技术及优化方法研究

本课题基于先进的计算机辅助工程（CAE）研究成果，采用三维有限元分析手段和计算流体动力学方法建立了阻尼叶片强度振动特性及汽轮机级三维粘性非定常流动的数值模型及计算方法；同时，建立了阻尼结构长叶片动态响应及动态应力计算模型及方法，应用该方法对叶片阻尼件进行了结构优化，减少了叶片动态响应，降低了叶片动态应力，有助于延长叶片使用寿命；建立了水滴与叶片表面高速撞击的三维非线性耦合模型，并应用到具体的高速水滴与汽轮机叶片钢撞击分析中。     

在科学前沿拼搏攀登科技高峰

最近几年,随着我国改革开放的不断深入,教育、科研环境与条件都有了巨大改善,科教兴国战略和灵活的人才政策,促成了众多的海外留学人中积极回国工作的大环境;与此同时,人类基因组测序工作的顺利进展,开启了揭示全部的人类基因表达产物——蛋白质的三维精细结构,进而阐明其生物学功能的大门,这对于从事蛋白质结构与功能研究的科学工作者提供了发挥作用的重要的历史机遇。     

飞秒激光3D打印蛋白质光子器件

蛋白质是生命活动得以进行的重要物质基础。经过长期的自然进化,多种多样的蛋白质分子结构、性质、功能独特而又千差万别,且很多都难以被人工材料所仿制和替代。近年来,人们将各种蛋白质(及衍生物)基生物材料与先进微纳加工和集成技术有机结合,以蛋白质为重要、关键乃至核心材料,实现了各种新型功能化微纳结构、器件与集成系统——这已成为蛋白质基生物材料的一个重要的前沿研究方向、应用领域和发展趋势。尤其是蛋白质(及衍生物)在微纳光/电(子)相关的多学科领域交叉性应用方兴未艾。但是,大部分微纳加工成型技术在亚微米乃至纳米精度真三维等能力上的不足或缺失,限制了蛋白质基生物材料在微纳尺度应用的进一步发展(尤其是三维光子器件与系统)。而另一方面,利用飞秒激光直写技术,人们已经成功地制备了各种器件构型的高质量二维和三维微纳光子器件。本文着重介绍利用蛋白质材基的飞秒激光直写技术。首先,以蛋白质基材料作为人工合成聚合物的环境、生物兼容理想替代材料,获得亚微米乃至纳米级精度的各种高质量二维和三维蛋白质基微纳光/电器件,较好地实现其原型功能;其次充分挖掘、利用蛋白质本征性质,赋予所制备器件新颖多样的特性与功能。最终实现在材料功能特性和器件几何构型上"双重"任意设计和可控的飞秒激光直写定制,而有助于推动其多样化的应用拓展。     

禽流感相关的科技术语

一、禽流感病毒(Avian Influenza Virus，AIV)。(1)流感病毒。流感病毒属于正黏病毒科(Orthomyxoviridae family)，病毒的基因组由8个单股RNA构成，分别编码10个与病毒结构和功能有关的蛋白质，片段1和2分别编码PB2和PB1蛋白，片段3编码PA蛋白，这三个蛋白与病毒的RNA聚合酶活性有关。片段4编码血凝素(HA)糖蛋白，片段5和6分别     

基于辐射传输模型的多源星载遥感数据定量反演森林参数

1 课题简介 星载多角度/多谱段成像光谱仪影像、多极化与相干合成孔径雷达影像和激光雷达回波波形这些各具特点的遥感数据正越来越广泛地被应用于地表植被的研究中.利用这些数据可以反演与不同电磁波频段相对应的、与植被生物物理和结构参数有关的信息.联合使用这些传感器将明显提高遥感估测森林参数的潜力和精度.国际上主要空间研究机构(美国宇航局、欧空局)都计划投入大量资源发射测量植被参数的专业遥感平台,新一代平台将以测量一定参数(如生物量)为目标来选择传感器.传感器的理想组合以及基于辐射传输模型的多传感器数据的联合使用是目前利用遥感技术获取森林生物物理和结构参数的研究前沿.     

生物能量在生命体中传递的新理论及应用

从Davydov理论的短处和蛋白质分子的结构与构象变化及功能的特点出发,提出了一个新的生物能量传递的理论.在这个理论中,我们用包含有两个量子的准相干态代替了Davydov的单粒子激发态,并且把由偶极-偶极相互作用所引起的相邻氨基酸残基的相对位移加进了原来的D氏哈氏量中,从而使由蛋白质中的相互作用所形成的集体激发具有高度对应性和对称性,并能表现出体系中集体激发的相干性和强相关性,能反映出蛋白质分子具体特征.由这一理论得出的传递ATP水解作用释放的生物能量的孤子的寿命达到10-10s.在这段时间内和生理温度情况下,孤子能传递通过500到1 000个氨基酸残基,并且它能对抗热扰动、量子涨落、结构无序和杂质干扰等影响而保持稳定,从而使它具有传递生物能量的功能,能在生物学过程中扮演重要角色.我们运用这个理论解释或解决了肌肉收缩、电子传递、红外光的非热效应机理及生物光子发射等重要生物学问题.     

计算变异学的创立、发展及其应用

该项目根据随机性原理,创立了3种定量化研究蛋白质的新方法:(1)用氨基酸对的可预测性为指标分析蛋白质中相邻氨基酸对的构成;(2)用氨基酸的分布概率为指标分析氨基酸在蛋白质中分布的复杂程度;(3)用氨基酸的变异概率为指标分析蛋白质中氨基酸的未来组成和将要变出的氨基酸.3种方法均可将整个蛋白质及其氨基酸序列数值化,而且这些数值是动态的,适用于分析蛋白质变异,开辟了独特的研究领域--计算变异学.     

巴尔的摩案及思考

巴尔的摩案是美国科学界发生的与科学不端行为有关的一个著名案例。在长达十年之久的审查及定案中不仅涉及面广,而且还惊动了政府部门和经济情报局,由此也引发了科学界对政府参与的种种看法。本文对这一案件的经过作了描述,并就其中有关的争论和思考提出了看法。     

三维激光扫描技术在水利水电测绘中的应用

本文通过对机载LiDAR系统和三维激光扫描仪基本原理的介绍及其精度指标的分析，并结合具体实际应用案例，为水利水电测绘提供了新的技术解决方案。     

正畸治疗过程中尖牙——矫治器的三维有限元模型构建

三维有限元分析可以准确地表达复杂的几何形状,可以进行复杂载荷条件下的应力分析,高精度地测量模型的内部应力。因此,在进行生物力学分析时,三维有限元方法是大多数学者首选的分析方法。本研究选用目前先进的DJCOM数据直接建模法创建了包括矫治器在内的尖牙-牙槽骨-矫治器三维有限元模型,包括牙齿、密质骨、松质骨、牙周膜和矫治器,是目前国内最完备的尖牙-矫治器三维模型,并有效解决了矫治器在有限元分析中的连接问题,为进一步尖牙力学分析和临床治疗设计提供了客观有效的力学基础。     

生物信息学

生物信息学(Bioinformatics)是一门生物学与信息学交叉而成的年轻学科,旨在研究生物系统与生物过程的信息量与信息流,以便支持人口与健康、农业生产、创新材料和资源环境等领域的研发计划。其中基因组信息学(genome informatics)、结构生物信息学(Structural Bioinformatics)和神经信息学(Neuroinformatics)是较热门的分支。生物信息学由数据库、应用软件和因特网三大要素组成。20世纪60年代,蛋白质氨基酸序列和蛋白质三维晶体结构测定成功后,出现存储与研究蛋白质序列信息与结构信息的工作,像美国女科学家Dayhoff建立了第一个分子生物学数据库“Atlas of protein sequence and structure”,亦即现今数据库PIR的前身;Zuckerkandl与Pauling提出运用蛋白质序列推断生物种族的进化历史以及Anfinsen根据核酸酶再折叠试验提出“氨基酸序列决定它的三维结构”原理。到70年代核酸序列测定已获成功,特别是Sanger等人开始病毒基因组的测序工作,吸引了众多计算机科学家、数学家和物理学家加盟,去实现数据在线采集与建立数据库以及数据检索、处理、分析、显示和流通等目的。经过近十年的努力,取得一批崭新成果,分别收录于1982年、1984年和1986年的《核酸研究》(Nucleic Acid Research)的特刊中。随后蛋白质序列库PIR与SwissProt,核酸序列库GenBank与EMBL以及蛋白质结构库相继出台服务。以上计算分子生物学工作和数据库建设为90年代诞生生物信息学准备了科技条件。1986年美国科学家Dulbecco在《科学》(Science)上发表题为《癌症研究的转折点——测定人类基因组序列》的文章,在科技界引起了强烈反应。经过激烈的辩论,终于在1990年公布了美国的人类基因组计划,随后形成国际人类基因组计划。在它的第一个五年计划中,第三项目标是基因组信息学,要求研发有效的数据库、应用软件和网络传输等信息技术,来支撑大规模图谱与测序以及诠释基因组信息。同年,召开了第一届国际生物信息学会议。在第二届国际会议上正式使用Bioinformatics一词。到2001年已是第10届会议,会议内容涉及序列和结构数据库、基因识别、基因组比较、基因组功能分析、DNA芯片信息学、分子进化和蛋白质组学等方面。还有每年一次的计算分子生物学会议,像国际计算分子生物学会议(RECOMB),生物计算太平洋会议和分子生物学智能系统国际会议(ISMB)等,是国际生物信息学界的盛会。我国的生物信息学工作是逐步地发展起来的。20世纪80年代初仅在中国科学院生物化学研究所与生物物理研究所和内蒙古大学物理系艰难地开展一些计算分子生物学的工作,像RNA二级结构预测、分子动力学、核酸序列的统计分析和蛋白质二级结构预测以及精神分裂症的脑复杂度分析等。至1986年,国家“863计划”支持几个单位用计算生物学实施蛋白质工程,如中国科学院的生物化学所、生物物理所和药物所,以及北京大学化学系和中国科大生物系。1990年这些单位率先开展生物信息学研究工作和实施相应的博士和博士后培养计划。1992年中国生物物理学会召开以“蛋白质工程、基因组分析与非线性生物学”为题的全国首届生物信息学会议,比首届国际生物信息学会议仅晚2年,但没有引起管理层和科技界注意。随后,北京大学化学系与生物系也分别开放蛋白质结构库(PDB)和欧洲生物信息学研究所(EBI)映象数据库服务。几年后,国际“基因组计划”变得十分火热。国内随即成立中国科学院国家基因研究中心和中国人类基因组南、北研究中心,分别负责“水稻基因组计划”和“人类基因组计划”。其中,中国科学院遗传所的人类基因组中心异军突起,克服重重困难于1999年9月代表中国承担国际人类基因组计划中1%的任务,即3号染色体短臂上的一个约30MB区域的测序。它成为中国各个基因组项目中最具影响和实际产出最明确的主要部分。由此,生物信息学顿时成为公众宠儿,科技界角逐的领域。除此之外,1993年美国国立健康研究院(NIH)宣布实施“人脑计划”。在头五年中主要发展神经信息学(Nuroinformatics),并于2000年6月在《自然》(Nature)杂志发文提议建立国际神经信息网络。国内与此差距甚大,但仍有积极响应。人类基因组计划的工作方式在生物领域中是前所未有的,采用了工业化模式的大科学工程。生物信息学解决了由此产生的海量信息的采集、存储、处理、共享、流通、服务和开发等挑战性问题。至今即将完成或已经完成测序的有人、褐鼠、黑腹果蝇、秀丽线虫、拟南芥菜、水稻、啤酒酵母等真核生物以及近百种微生物。其中重大的成就有：1.整基因组的测序原理和集装方案的提出和实行。从20世纪70年代简单病毒基因组测序开始到如今实施整基因组测序和集装,历经了整整20年的努力。2.从集装成的基因组序列预测基因,提示蛋白质功能,结构与功能分类,最后构成面向对象的数据库(ACEDB),无不依赖于生物信息学的支撑。3.后基因组的发展,如结构基因组学,功能基因组学,蛋白质组学、疾病基因组学,药物基因组学和环境基因组学等,更离不开高效、灵敏和准确的生物信息学。其中阵列信号检测(如DNA/Protein chip)的统计分析和众多基因组间的平行比较是典型的例子。与国际上生物信息学的重大成就相比,我国的研究呈现三种状况：一是序列基因组学(图谱与测序)中所用的生物信息科技(软硬件)多半从国外移植和拷贝;二是依靠国外生物信息中心(例如EBI和NCBI等)建立北京大学生物数据映象中心;三是中国生物信息学的本土基础力量较薄弱。尽管如此,仍取得了一些好的成果。这些成果包括：1.中国科技大学施蕴渝院士的研究组成功地发展了分子动力学,且用于蛋白质工程。尤其她将分子动力学和量子化学程序结合用来模拟酶促反应,是国际上少数成功事例之一。2.应用序列同源性搜索和基因电子克隆技术大大加快了新基因的发现。例如夏家辉院士的研究组发现了遗传性高频耳聋的疾病基因以及克隆了新的蛋白质激酶基因DyRk3和识别了人的auxilin基因。3.中国科学院生物化学研究所丁达夫研究组根据分子生物学的序列、结构和功能的基础关系在三个方面得到了好结果：① 从序列模建蛋白质三维结构。其中关键一步是序列—结构联配,在国际上是较早实行者之一。② 蛋白质分子设计。其中创新之处是氨基酸序列选择、侧链构象安装和主链骨架柔性的平行组合筛选,以及在小分子骨架上嫁接功能活性区。③ 基因组功能预测。其特点是发展了进化踪迹法,比通常的同源搜索方法有较高的正确率,且可延拓到细胞生化功能(代谢途径与调控网络)的预测。4.另外,中国科学院生物物理研究所陈润生研究组发现基因组的Junk DNA序列(即不编码基因的DNA序列)可能存在特异的编码方法,且与基因组调控网络关联。还有,中国科学院昆明动物所刘次全研究组,北京大学来鲁华研究组,以及内蒙古大学罗辽复研究组在结构生物信息学和基因组统计分析方面都有显著的成就。今年二月份《自然》和《科学》分别公布了国际人类基因组联合体和Celera基因组公司的人基因组测序结果。他们都认为这只是破解生命奥秘的良好开端,而不是完满的结束,基因组功能是永恒的主题。而且提出了一些实质性的问题,例如：1.基因组复杂性。虽然人和大猩猩的基因组仅差1%～2%,但是他们的基因组表达及其调控乃至整体行为却有很大差异。基因组复杂性同基因数、神经元数和细胞类型数没有直接关联。有人提出生化网络(代谢和调控)的复杂性才是基因组复杂性的表现。2.基因表达图谱(像DNA chip)可揭示整体细胞基因表达信息,是基因组功能分析方面的主要进展。然而细胞或组织中的mRNA丰度与蛋白质丰度的统计关联是不显著的(在人肝中0.48,在酶中小于0.4),因此基因组的后翻译修饰及其与环境的相互作用(epigenetics)对于理解生命的活动是不可缺少的,从而必须开展蛋白质组学和环境基因组学的研究计划,药物基因组学才能有较大的发展。毫无疑问,面对这些巨大系统工程,生物信息学看到的既有挑战又有机遇。     

科学哲学与科技政策之间的桥梁——访美国麻省理工学院STS

联合国教科文组织曾对一个国家科技政策所应包括的研究范围,罗列了如下十二个领域:1.科技哲学;2.科技史;3.科技社会学和伦理学;4.科研人员创造力和心理社会学;5.科技经济学(包括科技规划、管理及资助方法与手段);6.科技的潜力评价;7.国家科技政策制订及国家的科技立法、条例;8.科技预测及评价;9.技术转移、扩散;10.科技执行单位对科研工作的管理与组织;11.科技国际合作及其政策与立法;12.案例调查,对具体科研规划及项目的结果的社会分析与评     

YP1680型液压自动压砖机

一、主要技术内容 陶瓷液压自动压砖机由主机(机械系统)、液压传动(液压系统)、自动控制(电气系统)三大部分组成.具有工作频率高、全自动、安全可靠、工艺参数调整方便等特点.属于典型的机、电、液一体化新型陶瓷机械技术装备.主机结构采用优化设计,在同行业中首先应用先进的三维CAD软件对主体结构及关键部件建立模型和计算机模拟装配,再采用有限元法分析、计算,使主机具有足够的强度、刚度、抗疲劳性能,外形美观.     

从同构到偏同态——结构论对结构间形式关系理解的扩展

作为结构论的先驱,苏佩斯首先将模型概念用于了对科学理论的理解,同时使用数学同构来表示模型间的关系。后来,范弗拉森在其建构经验论中应用了苏佩斯的框架及同构概念。不过,在面对超导电性的伦敦模型提出这样的科学实践案例时,同构概念遇到了问题。对此,布埃诺等结构论者在偏结构进路下,将表示科学模型间的关系扩展为了偏同构与偏同态,进一步发展了关于科学理论及科学模型的结构论观点。     

调控染色质高级结构的蛋白质机器的系统鉴定与机制研究

染色质高级结构及功能研究是当前生命科学领域的国际前沿热点。染色质高级结构决定了基因的正确表达,其异常通常伴随着发育畸形和癌症发生。迄今为止,染色质高级结构如何建立和维持、如何行使功能、其动态变化及其与基因、细胞功能的关系尚不清楚。本项目整合团队在染色质高级结构蛋白质机器的功能基因组学、染色质高级结构蛋白质机器的功能动态调控以及染色质高级结构蛋白质机器的结构与组装方面的优势,围绕"染色质高级结构的调控及功能"这一关键科学问题,从3个角度深入研究拓扑相关结构域的形成与功能相关的蛋白质机器,包括调控染色质高级结构蛋白质机器的系统鉴定、单细胞和全基因组水平上染色质高级结构动态调控的机理研究、染色质高级结构对基因和细胞功能调控的结构基础和分子机制。     

神经营养因子NT-3与其受体p75^（NTR）对称复合物的晶体结构

神经营养因子（NTs）是一类对神经元发育、存活以及凋亡起重要作用的蛋白质,包括神经生长因子（NGF）和神经营养因子-3（NT-3）等。神经营养因子可结合两类不同的糖基化膜受体——p75神经营养受体（p75NTR）和酪氨酸激酶受体（Trk）,其中p75NTR可与所有NTs结合,而Trk则通过不同亚型与不同NTs特异性结合。神经营养因子能否通过诱导p75NTR形成同源二聚体来激活受体一直存在争议。本研究利用X-射线晶体学方法获得了NT-3与p75NTR胞外区复合物的2.6分辨率的三维精细结构。结果发现,与以往报道的NGF与p75NTR形成非对称结构不同,NT-3以2：2的比例同两个糖基化p75NTR分子发生对称结合形成同源二聚体。对称性和不对称结构的对比分析显示,二者在配体-受体作用和p75NTR构象上有显著不同。生化实验研究显示,溶液中NT-3和NGF都是以2：2的比例与p75NTR结合,而2：1的结合是人为去糖基化的非天然结果。这显示,2：2对称结合是神经营养因子在细胞表面激活p75NTR的本来状态。这些研究结果为神经营养因子与p75NTR信号转导的分子机制提供了更加深入与全面的认识。同时,为治疗人类神经系统退行性疾病的药物设计与开发提供了精确可靠的三维结构数据。     

科学与美丽共生科研圈的青年"女明星"

颜宁 成为结构生物学家是命中注定 小时候,颜宁读过一本16世纪的中国经典小说,小说的主角是一只可以变身成为其它动物的猴子.颜宁很想知道如果自己也能变身会是什么感觉:"如果你能把自己缩小到分子或蛋白质大小,那一定是个截然不同的世界."她还记得自己曾这样想.现在,作为一名顶尖的结构生物学家,颜宁每天都生活在那个世界里,研究蛋白质在原子层面如何工作.她说:"我成为结构生物学家几乎是命中注定的."     

发现DNA双螺旋结构的方法论问题

DNA双螺旋结构的发现,是二十世纪自然科学的伟大成就之一。本文拟从方法论角度分析取得这一成就的经验。模型方法本世纪四十年代末,生物学的中心问题是研究基因及其对细胞代谢的控制,而焦点又在于理解基因复制和基因支配蛋白质合成的方式。当然,只有了解了基因的结构,才能来解决这些问题,这就首先要弄清DNA的结构。     

系统生物学研究中跨层级解释进路探析

在系统生物学的众多研究方法中,与传统生物学区别最大的就是"自下而上和自上而下进路的综合",即跨层级解释。自下而上的进路基于低层级各组分的相互作用对高层级的上向因果作用构建模型,依赖高通量技术产生的数据修正模型;自上而下的进路基于高层级对低层级的下向因果作用收集数据并建模。但有些案例数据匮乏,有些数据充足却无法构建模型,因此将两者进行结合研究。通过几个案例对系统生物学跨层级的解释进路进行了探讨分析。