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1、,,彭 群 生,浙江大學CAD&CG國家重點實驗室,2003年12月,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,生物分子幾何及圖形學研究,,背景基因及蛋白質簡介蛋白質結構的圖形描述研究目標主要研究內(nèi)容研究特色總結,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,內(nèi) 容 提 要

2、,,隨著信息技術的高速發(fā)展，數(shù)字化浪潮席卷全球。,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,背 景,目前對宏觀世界的建模已經(jīng)得到了廣泛研究。,21世紀是生命科學的世紀，人們的視野逐漸轉入構成生命的微觀結構以及它們之間的相互作用。,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State

3、 Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質：人類健康長壽的希望,人體基因數(shù)目僅比低等生物線蟲多兩倍。如此少的基因是如何創(chuàng)造出人體如此復雜的生命活動的？,人體基因的主要功能是通過蛋白質來實現(xiàn)的，蛋白質扮演著構筑生命大廈的主要角色。人體中大約有10萬種蛋白質。,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Z

4、hejiang University,蛋白質：人類健康長壽的希望,蛋白質是生命活動的物質基礎，具有防御、調(diào)節(jié)、催化、收縮、儲存、運輸、運動、緩沖等多種生命功能。,如果蛋白質不足、結構有誤或缺損，其功能就會失調(diào)，人體就會生病。,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質：藥物設計的鑰匙,近年來新型功能蛋白的不

5、斷發(fā)現(xiàn)，為人類征服癌癥、艾滋病、帕金森氏癥、老年癡呆癥、糖尿病等開辟了光明前景。 － 日本國立癌癥中心：乳鐵蛋白具有預防大腸癌發(fā)生與 擴散的作用，計劃從牛奶中提取它并制成抗癌藥物。 － 上海藥物所等單位：完成SARS病毒的3個關鍵蛋白的表 達，并進行了初步的驗證。其中一種蛋白已開始用于 抗SARS病毒藥物的體外篩選。 － ……,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 20

6、03年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,基 因,基因是一段DNA（脫氧核糖核酸分子）雙鏈。 － 堿基成對出現(xiàn): ---ATCGGCC--- ---TAGCCGG---,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG,

7、 Zhejiang University,基因表達中的信息流,中心法則（The Central Dogma）,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質翻譯,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang Un

8、iversity,蛋白質的組成,氨基酸是蛋白質的單體。天然存在于蛋白質中的氨基酸共有20種。氨基酸由肽鍵相連形成多肽鏈。,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質折疊,折疊漏斗折疊時間極短,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&a

9、mp;CG, Zhejiang University,蛋白質結構的層次,一級結構 - 氨基酸序列二級結構 - 主要由氫鍵穩(wěn)固的局部構象， 如?-helix, ?-sheet等三級結構 - 三維構象四級結構 - 多個多肽鏈的組合,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋

10、白質功能與結構的關系,功能=運動著的結構！,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質的相互作用,生命由蛋白復合物納米機器運轉著…,Examples - 癌癥形成的重要機制之一 - 細菌的排藥性,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab

11、 of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質的相互作用,癌癥形成的重要機制之一 - 轉錄因子的持續(xù)激活（P53）,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質的相互作用,細菌的排藥性 - AcrA AcrB Tol C - 乙酰螺

12、 旋霉素 抗性,,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,計算機輔助藥物設計,充分認識和徹底了解人和生物體內(nèi)活分子(living molecules)的運動規(guī)律，無疑是21世紀化學亟待解決的重大難題之一。 －徐光憲院士,,現(xiàn)有藥物 篩選模式

13、 - HTS: High Throughput Screening - 困難：無體內(nèi)活性,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,計算機輔助藥物設計,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&

14、amp;CG, Zhejiang University,蛋白質結構的圖形描述,線框表示,棍狀表示,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質結構的圖形描述,球棍表示,CPK表示,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Z

15、hejiang University,蛋白質結構的圖形描述,帶狀表示,管片表示,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質結構的圖形描述,分子表面 - 分子可視化 - 分子對接 - 基于結構的藥物設計 - …,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會

16、 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,圖形描述的困難性,單分子描述 - 折疊運動過程高度復雜且在瞬間完成，很 難由實驗捕獲。 - 雖然有很多工作集中在預測蛋白質折疊最 終結果，但預測準確度并不高。,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CA

17、D&CG, Zhejiang University,圖形描述的困難性,多分子描述 - 對多分子的結構信息缺乏有效描述。 - 蛋白質相互作用過程異常復雜，目前的研 究仍建立在實驗和猜測的基礎上，缺乏有 效的計算機模型及預測機制。,,克服Docking計算的不足之處體內(nèi)活性的預測發(fā)現(xiàn)新的藥物作用機理,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key La

18、b of CAD&CG, Zhejiang University,計算機輔助藥物的新挑戰(zhàn),,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,現(xiàn) 狀,隨著分子生物學的深入發(fā)展，有關蛋白質結構功能的信息數(shù)據(jù)大量積累。,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key La

19、b of CAD&CG, Zhejiang University,研究目標,將現(xiàn)有的計算機建模理論和方法拓展到微觀世界。從微觀結構上對復雜生命功能進行剖析，揭示生命的奧秘。,,自然狀態(tài)下單蛋白質分子結構表征 多蛋白質分子相互作用的計算機仿真 面向生物大分子的交互可視環(huán)境,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang Unive

20、rsity,主要研究內(nèi)容,,自然狀態(tài)下單蛋白質分子結構表征 - 基于實驗捕獲數(shù)據(jù)的蛋白質分子結構的三維重建 - 蛋白質分子空間結構的幾何學、物理學模型 - 蛋白質分子結構的多級幾何分解、重構及分析 - 蛋白質分子三維結構內(nèi)在特征的識別和抽取 - 蛋白質分子三維幾何和拓撲結構的快速預測 - 蛋白質分子的亞結構單元之間的物理、電磁及化學作用 的模擬 - 蛋白質分子折疊過程

21、的動態(tài)仿真,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,主要研究內(nèi)容,,蛋白質分子間相互作用的計算機仿真 - 蛋白質相互作用的建模、求解與仿真 - 針對多蛋白質分子相互作用仿真的并行算法 - 蛋白質復合結構的CAD設計及定制 - 蛋白質分子與小分子的對接算法 - 生物傳輸途徑

22、（Biology pathway）的建模、求解及仿真 - 計算機輔助藥物分子設計,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,主要研究內(nèi)容,,面向生物大分子的交互可視環(huán)境 - 生物大分子復雜三維結構的實時顯示 - 生物大分子結構及屬性的實時分析和交互可視化 - 適合生物學家深入探索的用

23、戶交互界面 - 具自主知識產(chǎn)權的、面向生物大分子的交互可視、 分析軟件,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,主要研究內(nèi)容,,普通生物學強調(diào)蛋白質相互作用的現(xiàn)象及功能信息，對作用方式、作用部位不能清晰揭示。,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Ke

24、y Lab of CAD&CG, Zhejiang University,研 究 特 色,結構生物學強調(diào)能量信息（化學鍵和電子云），目前僅限于單分子或雙分子。,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,研 究 特 色,基因組學的研究偏重于基因組 序列的比對、分析和解釋，一般采用基于統(tǒng)計的方法。,,計算機科

25、學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,研 究 特 色,以計算機為輔助工具，通過對蛋白質分子靜態(tài)和動態(tài)的幾何及拓撲信息的表征，使對微觀結構的探測、分析過程達到可視化、精確化、可預測化。,,20世紀生物學最宏偉的計劃“人類基因組作圖與測序”已近于完成。生命科學的研究正步入嶄新的蛋白質組學時代。,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研

26、討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,總 結,,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,總 結,生物分子幾何及圖形學研究對進一步揭示生物分子結構與功能之間的關系，加深對生命本質的認識，從而發(fā)現(xiàn)疾病診斷和治療的

27、“鑰匙”具有重要的意義。,,從科學重大需求來講，是利用計算機探測微觀世界所必需。,計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,總 結,從現(xiàn)實世界實際需求來講，與人類健康及疾病預防、治療密不可分。,,NSFC研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhej