生物信息学在生物学研究领域的应用

孟双，徐冲，陈丽媛，陈杰

(1.辽宁省科技情报研究所，辽宁沈阳110016;2.辽宁省微生物科学研究院，辽宁朝阳122000)

生物信息学在生物学研究领域的应用

孟双1，徐冲2，陈丽媛2，陈杰2

(1.辽宁省科技情报研究所，辽宁沈阳110016;2.辽宁省微生物科学研究院，辽宁朝阳122000)

综合叙述了生物信息学对生物学科研工作的影响，介绍了生物信息学在生物技术、生物医学、农业、食品、环境、能源等研究领域的应用概况，阐述了生物信息学为生物科研工作服务的意义。

生物信息学;生物技术;数据库;应用

由于计算机的普及应用，网络已经成为了全球最大的分布式信息库，为信息和资源共享提供了优良平台。随着情报科学、信息技术特别是计算机技术和网络技术的发展，使得生物信息学发展成为一门前沿交叉学科。张阳德［1］编著的《生物信息学》一书中，给出的生物信息学的定义:现代生物信息学是现代生命科学与信息科学、计算机科学、数学、统计学、物理学和化学等学科相互渗透而形成的交叉学科，是应用计算机技术和信息论方法研究蛋白质及核酸序列等各种生物信息的采集、存储、传递、检索、分析和解读，以帮助了解生物学和遗传学信息的科学。生物信息学研究的材料是生物学的数据，它通过情报学的方法，综合运用数学、计算机科学、情报信息等工具，通过对生物信息加工后得到相关信息。生物信息学是新兴的学科，是当今国内外研究的热点，在生物技术、生物医学、农业、食品、环境、能源等研究领域发挥了重要作用。

1 生物信息学在生物技术领域的应用

1.1 生物技术领域的应用

生物信息学在生物技术领域主要涉及微生物基因图谱、文库［2］的构建、序列的分析、基因组的功能注释、菌种目录、病毒资源库、病原微生物数据库的建设及相关软件的应用以及生物技术平台服务等。生物信息学主要的发展方向是基于数据库与知识库的知识与规律的发现、新型基因的发现、功能预测方法及程序的开发等［3-4］。

1.2 生物技术领域常用数据库

生物技术领域常用数据库有美国国立生物技术信息中心数据库、中科院微生物资源数据库群、维普信息资源系统、万方数据资源数据库和中国期刊全期刊全文数据库(CNKI)等，文献数据库有SCI、BA(生物学文摘)、CA(化学文摘)等。数据库是生物信息学的基础，通过与数据库进行比对分析，可以预测生物的结构和功能，使科研工作从繁杂的实验过程中解脱出来。

除了数据库，网络上还可搜索到论坛、免费软件、会议消息、讲义等其他信息资源。这些网络资源为科研工作者提供了大量可用信息，使研究工作与国际接轨。

2 生物信息学在生物医学领域的应用

生物信息学最早应用于生物医学领域，随着人类基因组计划最初目标的完成，医学开始注重向研究改善人类健康、预见和避免基因组危害人类的方向转移。通过计算机应用及软件开发，建立人工智能模型，研究生命系统、数据库及其他医疗信息技术在临床环境上的应用。通过管理和分析生物医学图像［5］(如放射性照片、CT扫描、电子显微镜或者手术模拟环境)，用于支持治疗病人的决策过程。生物信息学也可用于破译遗传密码、筛选免疫基因以及进行新药研发［6］等领域。

2.1 生物医学常用数据库

外文数据库有EMBASE、Web of Knowledge、Derwent Drug File、IPA、CA等，中文数据库有中国生物医学文献光盘数据库(CBMDisc)、中文生物医学现刊目次数据库(CMCC)、维普医药信息资源系统(VMIS)、万方数据资源数据库和清华CNKI全文期刊数据库。专利则需要查找美国、欧洲专利数据库、中国专利信息网和国家知识产权局专利数据库等［7］。核酸数据库现在主要有GenBank、DDBJ、EMBL等，蛋白质序列数据库有SWISS-PROT、PIR等，三位结构数据库有PDB、CSD等［8］。

2.2 软件应用

利用网络上的免费工具软件，可使科研工作更得力。生物技术研究中常用的软件为RasMol (生物分子三位结构观察与演示)、DNATool(DNA分析软件)、RNAstructure(RNA分析软件)、Clustal W(多序列比对软件)、TreeView(进化树生成与分析软件)、Blast(同源序列检索软件)等。

以上在生物医学领域常用到的各类信息数据库和其他应用软件等，在农业、化工、环境、食品等其他生物研究领域也都有所应用。通过数据库及软件的大量应用，产生了从原来单一的医学和生物信息学逐渐转换到为医学提供服务的生物医学信息学的理念，是对现存医疗体系的重大革新，不仅可发展壮大现有医疗机构，也将对改善人类的身体健康起到至关重要的作用。

3 生物信息学在农业领域的应用

随着遗传操作技术特别是动植物细胞的基因转移技术的不断创新和完善，将农业生物信息学与常规育种技术相结合，进而提高育种效率，创新遗传资源，加快育种进程，已成为农业育种的发展趋势。生物信息学与农业结合将推动农业的发展，高质量完善的农业生物信息数据库则成为农业基础与应用研究中必不可少的技术手段［9］。

3.1 农业生物信息数据库

国外主要有UK CropNet、GPI、GrainGenes、MaizeGDB、SGMDB、LIS、AGIS等［10］数据库，从事研究的公司有美国孟山都(Monsanto)公司、先锋(Pioneer)公司等。国内有中科院基因组生物信息学中心建立的中国水稻(籼稻)基因组“工作框架图”及数据库以及中国农业物种质资源数据库等。

3.2 农业生物信息数据库的应用

通过数据检索、序列比对、同源性分析、结构预测等工具软件的运用，可将分析数据应用于农作物模式植物研究、种质资源保存、病虫害防治、作物遗传育种等［11］方面，从而为解决模式植物的基因组测序、保护濒危种质资源、控制动植物病虫害和培育优良高产的农作物品种方面提供可靠保障。

4 生物信息学在食品领域的应用

4.1 在食品安全检测中的应用

食品在加工制作和存储过程中各种细菌数量发生变化，传统检测方法是进行生化鉴定，但所需时间较长，不能满足检验检疫部门的要求，运用生物信息学方法获得各种致病菌的核酸序列，并对这些序列进行比对，筛选出用于检测的引物和探针，进而运用PCR法［12-13］、RT-PCR法、荧光RTPCR法、多重PCR［14-16］和多重荧光定量PCR等技术，可快速准确地检测出细菌及病毒。此外，对电阻抗、放射测量、ELISA法、生物传感器、基因芯片等［16-20］技术也是未来食品病毒检测的发展方向。

4.2 在转基因产品检测中的应用

转基因食品检测是通过设计特异性的引物对食品样品的DNA提取物进行扩增，从而判断样品中是否含有外源性基因片段［21］。通过对转基因农产品数据库信息的及时更新，可准确了解各国新出现和新批准的转基因农产品，便于查找其插入的外源基因片段，以便及时对检验方法进行修改。

目前由于某些通过食品传播的病毒具有变异特性，以及检测方法的不完善等因素影响，生物信息学在食品领域的应用还比较有限，但随着食品安全检测数据库的不断完善，相信相关的生物信息学技术将在食品领域发挥越来越重要的作用。

5 生物信息学在环境领域的应用

5.1 在环境领域的应用

生物信息学在环境领域主要应用在控制环境污染方面，主要通过数学与计算机的运用构建遗传工程特效菌株，以降解目标基因及其目标污染物为切入点，通过降解污染物的分子遗传物质核酸DNA以及生物大分子蛋白质酶，达到催化目标污染物的降解，从而维护空气［22］、水源、土地等生态环境的安全。

5.2 与环境有关的生物信息学数据库

美国农业研究中心(ARS)的农药特性信息数据库(PPD)提供334种正在广泛使用的杀虫剂信息，涉及它们在环境中转运和降解途径的16种最重要的物化特性。日本丰桥技术大学(Toyohashi University of Technology)多环芳烃危险性有机污染物的物化特性、色谱、紫外光谱的谱线图。美国环保局综合风险信息系统数据库(IRIS)涉及600种化学污染物，列出了污染物的毒性与风险评价参数以及分子遗传毒性参数［23］。

除此之外，生物信息学在生物防治［24］中也起到了重要的作用。由于网络的普及，情报、信息等学科的资源共享，势必会创造出一个环境微生物技术信息的高速发展趋势。

6 生物信息学在能源领域的应用

6.1 在能源开采中的应用

在石油增产措施中，综合运用GenBank、EMBL、SWISS-PROT等数据库以及Clustal W、Tree-View、Blast等软件将各类数据对比分析，人们已经能够使用商业性的酶来降解生物聚合物，通过筛选有益细菌来获取高级的生物催化剂，从而提高石油的产量［25-26］。原核生物多样性采矿技术得到了迅速发展。同样，不同类型的煤也会发生类似的生物转变，可以转变成甲烷。人们通过生物信息学技术手段开采能源的新方法，可提高能源的采出率和降低开采难度。

6.2 生物信息学在绿色生物能源中的应用

在确保粮食安全的前提下，通过生物学技术改良粮食基因，使之转变为适合作为石油等能源替代品的生物能源，这是解决能源短缺问题的途径之一。这主要通过生物催化剂的基因转变和代谢工程，利用酶和细菌对生物体的碳氢化合物进行新陈代谢优化，从而用于开发生产生物乙醇等生物能源。

由于发展生物能源产业是缓解能源供求矛盾的有效手段，世界许多国家都先后不同程度地开发了生物能源产业［27］。但是必须在粮食安全的前提下关注能源安全，在协调粮食安全的同时寻求发展生物能源路径。

生物信息学广泛用于科学研究的各个领域，不仅可以为科研服务，还可以在教育、政府机构和商业企业等领域中发挥独到的作用。但是仅有信息资源是不够的，选出符合自己需求的生物信息就需要情报部门以及信息中介服务机构提供相关服务，通过出版物、信息共享平台、数字图书馆、电子论坛等信息媒介的帮助，科研工作者可快速有效地找到符合需要的信息［28］。目前我国生物信息学发展还很不均衡，与国际前沿有一定差距，这需要从事信息和科研的工作者们不断学习努力赶上。

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Application of Bio-informatics in Biology Research

MENG Shuang1，XU Chong2，CHEN Li-yuan2，CHEN Jie2
(1.Liaoning Prov.Inst.of Sci.＆Technol.Inform.，Shenyang 110016;2.Liaoning Acad.of Microbiol.Sci.Chaoyang 122000)

The effects of bio-informatics on biological research were summarized in this article.The application survey of bio-informatics in bio-technology，bio-medicine，agriculture，food，environment，energy，and other research fields was also introduced.The significance of bio-informatics to serve the biological scientific research was elaborated as well.

bio-informatics;bio-technology;database;application

Q－3

A

1005－7021(2011)01－0078－04

孟双女，助理研究员，硕士。研究方向为数量经济学。Tel:024-23983533，E-mail:mengshuang@lninfo.gov.cn

2011-01-10;

2011-01-21