生物信息学与计算机科学

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1、万方数据环／球／IT生物信息学与计算机科学密苏里大学哥伦比亚分校许东／文生物信息学(Bioinformatics)是在20世纪90年代才出现的一个新名词，虽然作为一门新兴学科，但是对许多计算机工作者来说并不陌生。事实上，生物信息学已经成为计算机科学的一个重要分支，或者说计算机科学是生物信息学的主要支柱之一。另外两个重要支柱则是生物学和统计学，数学、物理学、化学、医学，以及工程都与之有密切的关系。这里笔者主要就生物信息学与计算机科学的关系作一点介绍，本文主要是针对计算机科学的研究者及学生，特别是对生物信息学研究有兴趣的人士。生物信息学的定义及兴起对于生物信息学的定义，

2、一直以来都有不同的看法。目前援引最多的定义是美国卫生部给出的(http：／八^，、^n玑bisti．nih．gov／l生物信息学是一门针对生物、医学、行为和健康方面数据的发掘，而为相关的计算工具及方法进行研究、开发及应用的学科，其研究范畴包括对这些数据的采集、表达、描述、储存、分析和图形显示(“research，development，orappUcafionofcom—putationaltoolsandapproachesforexpandingtheuseofbiological，medical，behavioralorhealthdata，including

3、thosetoacquire，represent，describe，store，analyze，orvisllaizesuchdata”)。这一定义很具有概括性，并能长期使用。目前生物信息学主要研究的对象还是在生物和医学的数据方面，特另Ⅱ是在分子水平上，包括蛋白质和核酸的分析。生物信息学的兴起是与人类基因组的测序计划分不开的，人类基因组又被称为是我们生命的蓝图，因为它作为遗传的载体，标志着人类与其他物种的不同，另外，我们每个人的基因组的差异在很大程度上决定了个体的容貌和健康状况(例如容易得什么病)。从计算机科学的角度，我们可以把人类基因组想象成由三十亿个字符串(序列

4、)组成，代表了人体所有约三万个基因。可以想见，分析这样复杂的序列没有计算机是不可能的，再加上世界上万千变化的无数动物、植物、微生物，其中数以百计的物种人们已经完成了它们的测序工作，数万物种的测序任务将在今后十年内完成。不过序列只是一个开端，基因组给出的只不过是一个类似“元素周期表”的基本单元，正如少数几十种化学元素可以组成丰富多彩的化学世界，基因的表达、修饰及其相互作用，成为生命现象多彩多姿，奇妙深奥的一个基础。由于有了基因组这样一个“周期表”，人们可以用系统的方法，例如基因芯片(Microarray)、蛋白组学(Proteomics)、代谢组学(Metabolom

5、ics)等手段来跟踪一个物种内所有基因与其产物的活动及作用，这些数据比序列来说又不知要大多少。正是这一“数据爆炸”使得生物学成为一门高度量化的科学，并带来了生物信息学的繁荣。计算机科学与生命科学的相互作用生物学的“数据爆炸”为计算机科学带来了巨大的挑战和机遇，传统的计算机科学一般处理的数据要远远小于这一规模，如何处理、储存、检索、查询这些庞大的数据并非易事。另外，许多生物数据中的误差较大，信噪比甚低，为分析数据带来了很大的困难。更为主要的是，生物系统比一般的物理，工程系统要复杂得多，如何从各类数据中发现复杂的生物规律和机制，建立有效的计算模型，并以这些模型来进行快速

6、的模拟和预测，指导生物学的实验，辅助药物设计，改良物种用于造福人类可以说是计算生物学中最赋有挑战性并最具有影响力的任务。正是这些挑战给计算机科学带来了新的机遇，带动了计算机科学大部分领域在生物信息学中的研究，包括数据库、数据发掘、人工智能、算法、图形计算、软件工程、平行计算、网络技术等都被用于生物计算的研计算机教育2006．4l41万方数据环／球／IT究。特别是对一些发展趋于瓶颈的合分析各种数据，把生物体当成一科学的概念。随着对生命科学的不领域，例如模式识别和机器学习，带个系统来进行研究，这其中一个重断深入发展，这类方法还将不断涌来了全新的生命和生长点，使得这要的课

7、题是如何从已有的广泛数据现。比如蚁群算法(AntCOlony些领域更有用武之地。因此，美国大里面，特别是基因表达、蛋白相互algorithm)利用蚂蚁群觅食的规律多数研究型的计算机系都招聘了以作用、基因组序列等数据中，建立来解优化问题就是一个新的发展。生物信息学为主的师资，并且开设信息传导路径及基因调控网络的模更为有趣的是人们正在研究蚂蚁通这方面的课程及专业。型。另外，如何模拟生物化学分子过身体接触及气味来传递信息的机计算机科学通过生物信息学对的代谢过程，预测在一个物种中基制，并试图运用这些机制来有效地生命科学的影响日益受到重视，特因改变对其代谢过程的影响也是计