高中组生物(生命科学)科第三名

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1、中華民國第四十五屆中小學科學展覽會作品說明書高中組生物(生命科學)科第三名040719大腸桿菌生長曲線之系統生物學研究臺北市立建國高級中學作者姓名：高三歐陽太閒高二戴辰宇指導老師：方信于李麗敏中華民國第四十五屆中小學科學展覽會作品說明書科別：生物科組別：高中組作品名稱：大腸桿菌生長曲線之系統生物學研究關鍵詞：大腸桿菌、生物資訊學、電腦模擬（最多三個）編號：製作說明：1.說明書封面僅寫科別、組別、作品名稱及關鍵詞。2.編號由國立臺灣科學教育館統一編列。3.封面編排由參展作者自行設計。大腸桿菌生長曲線之系統生物學研究壹、摘要系統生

2、物學是結合實驗生物和理論生物科學來探討複雜生物系統的新興科學，在後基因體時代中已慢慢地變成一種不可或缺的研究方法。本研究利用系統生物學來研究大腸桿菌之生長曲線。首先我們以電腦系統建立精準、快速的模擬平臺——Emu.coli，再以實際培養大腸桿菌生長曲線，藉以評估模擬Emu.coli平臺的準確性。此模擬平臺先以生長曲線的三次多項回歸分析及倍增時間為基礎建立常數資料庫，用陣列儲存每個個體的特性參數，經由電腦演算法模擬大腸桿菌二分法分裂增殖的生活史，並設定天擇淘汰條件以留下最適合品種，最後即時顯示陣列對應的生長曲線。本研究除能以我們

3、發展的Emu.coli平臺預測不同pH值培養液中大腸桿菌的生長曲線外，並能以實際培養所得之生長曲線來加以驗證。本研究未來可以應用於癌細胞之生長模擬，進而找到最適合殺死癌細胞之條件，以達到治療癌症的目的。貳、研究動機：在高一基礎生物學中，生態的單元談到族群生長曲線的意義，由文中可知一個族群在固有生長環境及與其他族群交互作用下，生長曲線會有其規律性的變化。一旦將這族群移至新環境，因為加入新的環境變因，生長曲線亦會隨之改變。在實際的狀況下，這種族群生長曲線的觀察，需要大量的觀察記錄及時間的投入，因此應用系統生物學概念以電腦模擬族群之

4、生長曲線，將可降低實驗成本及困難度。在物種的選擇上，我們選用實驗室中最常使用到的微生物－大腸桿菌(E.coli)，選用大腸桿菌有兩個考量點，首先其生殖方式是以二分法繁殖，在我們建立電腦模擬的演算法演化條件上較易控制。其次大腸桿菌是遺傳工程及產業界最常利用到的微生物，如大家熟知的胰島素生產；在傳統生技製藥領域中，反覆做著單調的基礎培養試驗，過程中的小錯誤往往導致實驗需全部重來，不僅花費許多時間精力，對研究人員更是痛苦的經驗，若在這些生技製藥領域中應用電腦模擬，建立精準、快速的模擬平臺，以進行所謂的DryExperiment，尋找

5、如「最適合殺死癌細胞之條件」，將得以有效縮短藥物開發上市的週期。參、文獻探討目前的DryExperiment普遍作法為「實際實DatabaseDry一ModelingExperiment驗→建立回歸模型→產生演算法」的循環，其中分析結果的步驟多為利用既定的回歸方程式，建立資料庫演算法模擬將實際實驗結果進行代值計算，進而推導出可能的生長演算法，無法實際觀測生物真實的生長和繁殖狀況。ResultExperiment本程式將改進此步驟，嘗試以陣列方式記錄AnalysisDesign每個生命體的詳細參數，演算過程中對每個個體分析結果設

6、計實驗的改變都能單獨反應，最後再進行數量的回歸方程式統計。WetExperiment實際實驗肆、研究目的探討以二分-隨機方式，建立一接近微生物每個個體真實生殖與成長情形、和環境變因影響成長實際情況之模擬平臺，命名Emu.coli（Emulatorcoli）。使用非傳統生長曲線回歸方程式的純數學計算，使程式系統呈現生物實驗的真實狀況，並且使Emu.coli模擬平臺能夠在已知範圍內預測多種環境，品系的生長和繁殖情形。伍、研究設備及器材Microsoft(C)VisualBasic(R)6.0EducationalEdition,N

7、otebook:HP(C)nc4000andAsus(C)M2400EwithWindowsXPProfessional陸、研究過程或方法建立資料庫及Emu.coli模擬程式基礎平臺建置首先以物件導向架構為基礎，以數值實際動態模擬E.coli個體之運動、生長、繁殖以及對於pH值等化學或物理因素導致的行為或現象之全面模擬平臺。建立陣列存放每個個體的特徵、位置、世代等資訊，另外預先定義環境影響、存活條件，亂數隨機抽取陣列中的個體並使之變異，或產生兩個新的個體存放到陣列中。E.coli有眾多品系，從文獻中我們找到K-12E.coli

8、、MG1655品系的完整生長曲線資料二及基因序列以此為Emu.coli模擬平臺的資料庫基礎。E.coli個體自主物件即Emu.coli程式的主體，E.coli為一物件化的自主性程式。而其中真實細胞具有之週期性，皆以數值化方式交由程式本身進行，可自由進行觀察與控制。一、運動我們