上個世紀分子生物學的突破成為生命科學的生長點，使生命科學在自然科學中的地位發生了革命性的變化。蛋白質、酶、核酸等生物大分子的結構、功能和相互關系的揭示，為研究生命現象的本質和活動規律奠定了理論基礎。進入21世紀後，美國能源部啟動了壹項新的戰略計劃——GTL(Genomes to Life)計劃，為生命科學在能源和環境領域的應用奠定了基礎。
1 GTL項目背景
Post genome project五年資助強度為65，438+0億美元的“生命基因組”(Genomes to Life)於2002年7月由美國能源部正式啟動，以人類基因組計劃和美國微生物學計劃為基礎，於65，438+0，994年實施。
10年6月3日，美國能源部公布了壹項新的生物研究綜合計劃——GTL計劃路線圖。GTL路線圖是在原有的GTL研究項目的基礎上進行擴展的。截至目前，已有800多名科學家和技術專家參與了該項目。
2 GTL計劃的目標
GTL計劃的核心目標是了解成千上萬的微生物基因組和微生物系統如何在未來十到二十年內調節生命活動，為用生物手段解決環境問題鋪平道路。GTL路線圖將擴大對基因組項目的投資，幫助國家解決能源和環境問題。這項研究需要填補知識空白，發展生物技術，將生物信息學應用於數據挖掘、計算和存儲。
GTL計劃的基礎是精確描繪生命系統的所有“分子機器”，並理解“分子機器”如何在生命中和諧工作。需要收集大量的基因組數據和相關數據，尤其是基因組表達的數據，以及蛋白質在不同細胞和不同條件下的組裝和作用的數據。
GTL計劃的具體目標包括:(1)識別“分子機器”，主要是蛋白質的化合物，執行生命系統的基本功能；(2)找出控制分子機器行為的基因調控網絡；(3)了解自然環境中的微生物群落；(4)發展建立和實現生物系統模型所需的計算機技術。
3 GTL計劃的意義
21世紀，人類面臨著健康、能源、環境等壹系列迫切的問題。生物學的發展可能是解決這些問題的關鍵，而基因組信息的研究是理解生命系統分子組成和調控機制的基礎。需要了解整個生物系統與環境相互作用的方式和機制，並利用這些信息來指導後續的生物學研究。
基因組中的基因按照壹定的時空規律表現為蛋白質，蛋白質需要與其他蛋白質或核酸相互作用，形成壹個有機的“分子機器”。GTL計劃的實施將促進生物學、物理學和計算科學的交叉和進步，推動實驗設備、軟件工具、分析方法和科學思想的重大突破，為多角度全面認識生物奠定基礎，並將其應用於生物與環境相互作用和影響的討論。這些是應用生物技術解決能源和環境問題的基礎。
這壹基於人類基因組計劃的新計劃的實施，將著眼於對人體、微生物等生物系統的整體認識和預測，為解決環境和能源問題提供生物技術手段。
(2): GTL路線圖
2002年，美國能源部啟動了“生命基因組計劃”( Genomes to Life ),為人類利用生物技術解決能源和環境問題提供了壹種手段。10年6月3日，美國能源部公布了新的GTL計劃路線圖，為GTL的具體實施提供了指導方向。
實施1 GTL計劃的關鍵
GTL路線圖闡述了GTL計劃的實施要點。在此之前，人類基因組計劃側重於基因組表達的研究，而對不同條件下蛋白質在細胞中的表達和組裝的研究很少。了解和理解這些研究內容是實現GTL計劃的關鍵環節。GTL計劃的另壹個關鍵環節是高性能計算。利用先進的計算工具對研究所得數據進行管理和整合，建立細胞的系統模型，進行計算機仿真。在此基礎上進行深入分析，進而了解“分子機器”的工作機理。
在高性能計算的研究中，GTL的主要目標是建立基本的生物信息學算法和方法來模擬過程，確定數據標準和開發可視化工具。GTL計劃中的許多計算任務都是計算密集型的，需要壹臺每秒鐘進行數萬億次浮點計算的超大型計算機。
2路線圖的實施組織
美國能源部致力於為GTL計劃的實施提供必要的科學平臺，以支持科學研究和技術成果的應用。GTL計劃建立四個尖端生物機構，以支持相關技術的發展、方法的研究和計算能力的提高，並建立壹個公共科研平臺。平臺不僅服務於科研群體，也服務於產業，從而加速科研成果轉化或技術轉移。GTL計劃成功的核心是發展計算和信息技術，克服基於基因組序列研究生物功能的障礙。美國能源部將建立壹個集成計算環境，將各種實驗數據、理論、模型和新思想整合到基礎生物學機制的發現和系統生物學理論與實驗的發展中。
美國能源部科學辦公室是GTL路線圖實施的主要協調機構，致力於提供非凡的科學發現和研究工具，改變人們對能源和材料的認識，提高美國經濟和能源安全水平。辦公室的主要任務包括:(1)為國家面臨的能源安全提供解決方案，為國家能源和經濟安全提供必要的科學依據；(2)在國家物理科學的主要支持下，在280多所大學、15國家實驗室和眾多國際研究機構進行科研投入；(三)為國家科學事業提供最重要的科研工具，從享受科學出發，建設和運營公共科研設備；(4)在科學領域最大限度地支持核心能力建設、理論建設、實驗和模擬，以保持美國在世界知識創新領域的領先地位。
GTL計劃成功實施的關鍵要素是整合計算和技術平臺，為科學研究和生物技術計劃的發展提供及時、便捷的平臺。在生物學的新發展中，計算技術和生物學本身變得同等重要；因此，GTL由美國能源部科學辦公室的兩個部門共同完成——生物與環境研究辦公室和前沿科學計算研究辦公室。
3 GTL路線圖戰略
GTL的戰略目標是了解生物系統，開發計算模型來研究生物機制，並使用這些模型來預測生命系統的行為。最終目標是利用微生物的生化過程為壹系列創新應用服務。這需要通過有效的研究、生產、成本和質量控制以及效率提高來實現。
正如人類基因組計劃可以刺激生物醫學和生物技術產業的增長壹樣，GTL路線圖中列出的研究也將加速新生物技術的增長。與能源和環境相關的系統生物學是探索未知微生物世界的計劃，從DNA序列的編碼信息出發，目的是尋找更清潔、更安全的生物資源，修復有毒廢物，解讀微生物在全球氣候變化中的作用，發展相關的新興科學。微生物可以作為技術和新產品，帶動21世紀綜合經濟實力的發展。
該路線圖描述了其具體的發展路徑，包括新興技術的使用、集成計算技術的發展以及新研究設施的開發和使用。這些目標的實現有賴於新微生物的發現、生命的起源和局限以及生命科學研究的新認識。微生物具有廣泛的遺傳性和多樣性，因此它們的發展意味著地球環境的繁榮，包括極端溫度、化學和壓力下的環境。大多數時候，微生物生活在廣泛的自然環境中，形成各種生物群落。這些生物群落進化成了綜合性的生化系統，比任何工業領域的化學過程系統都具有更高的選擇性、能效和更少的汙染。GTL路線圖將利用這些微生物，為化學工藝系統的全面改進鋪平道路。
㈢:GTL執行階段
2002年，美國能源部啟動了“生命基因組計劃”( Genomes to Life ),為人類利用生物技術解決能源和環境問題提供了壹種手段。10年6月3日，美國能源部公布了新壹代綜合性生物研究計劃——GTL計劃路線圖，為GTL的具體實現提供了指導方向。
1 GTL計劃的實施階段
GTL計劃的實施分為三個階段:
第壹階段:開展與能源和環境相關的復雜系統測試關鍵問題研究，發展新技術和新計算技術，完善研究設施；
第二階段:利用先進工具和新技術開展研究，快速了解生物過程，提出解決能源和環境問題的新思路，收集全球氣候與生物過程相互作用的信息；
第三階段:將前期獲得的知識和能力迅速轉化為革命性的新工藝和產品，以滿足國家能源和環境的需求。
2 GTL計劃第壹階段的目標
GTL第壹階段的主要目標是通過啟動科學、技術和應用技術為GTL計劃的實施奠定基礎。
科學基礎:系統生物學中基因組學的基礎研究，分子、細胞和群落水平的研究，研究的關鍵目標和戰略設置。
技術、計算和設施:先進技術開發和測試、前沿研究、計算和技術升級、研究、開發、設計和建立機構/設施。
目標應用:目標定向的關鍵系統選擇，對細胞與社群之間的過程和相互作用的理解，系統數據和策略分析。
3 GTL計劃第壹階段的目標
GTL第二階段的主要目標是通過科學、技術和應用過程工程化科研成果。
科學基礎:關鍵系統和過程的高通量研究、對比分析、系統模型開發、系統集成實驗和計算。
技術、計算和設施:設施的運營，整合數據和計算能力的運營，以及快速收集和應用完整生物系統數據的能力。
目標應用:開始目標模式的系統分析，了解項目的戰略目標，設定具體的應用策略。
4 . GTL計劃第壹階段的目標
第三期GTL將在科學、技術和應用技術方面得到進壹步發展，並將應用於各個領域。
科學基礎:目標方案設計的知識整合、科學技術的開發應用、科學創新和下壹代概念的開發。
技術、計算和設施:工程系統的設施應用、測試、評估、監測和識別，以及新功能和新概念的工程設計。
目標應用:完整工程系統的設計與開發，工程系統的測試與評估，下壹代工程的開發。
(D): GTL應用目標
美國於2002年提出的Genomes to Life (GTL)計劃旨在研究生命的分子機制和調控網絡，在分子水平上了解自然環境中微生物群落的功能特征，建立計算機模型以理解復雜的生物系統並預測其行為。在此基礎上，2005年提出的GTL路線圖闡述了如何利用生物技術解決能源和環境問題。
1 GTL路線圖的內容
GTL路線圖是基於美國能源部的目標。路線圖戰略整合了基因組、系統生物學、微生物學、計算科學和重大機構目標，為三個階段中各部分的計劃做出了具體的時間表和邏輯框架。在能源輸出、環境恢復和二氧化碳回收與吸收的具體目標中，路線圖給出了生物技術可以支持的具體領域，以及實現這些目標應該面臨的挑戰。為了實現這些目標，路線圖給出了具體的研究計劃和目標技術平臺，以及相關的管理、培訓、倫理和社會考慮。
GTL路線圖的中心是集成生物計算平臺。系統生物學的發展需要增加約束來縮小問題的解空間，這對分析、解釋甚至預測來自實驗的結果有很大幫助。GTL路線圖描述了模型、數據和數據分析、理論等相關內容，並指出如何實現面向公眾的應用和計算平臺的建立，從而形成GTL研究項目的“中樞神經系統”並加以實施。
此外，GTL路線圖還指出了如何有效地管理不同的機構，使它們能夠以高水平、高通容量、高效率、高質量和低成本運作。
2.生物燃料的應用目標
GTL的科學計劃與美國能源部的目標壹致，美國能源部研究生物燃料的目標包括:
(1)纖維素轉化為燃料，包括對纖維素酶活性、糖利用和酒精發酵的認識和提高，以及過程的整合。
(2)太陽能到氫能燃料的微生物轉化過程，包括光解循環生產和光合生物燃料系統的設計。
3環境修復的應用目標
美國能源部環境恢復研究的目標包括:
(1)通過微生物過程降低有毒金屬的含量，包括了解微生物與金屬的相互作用，設計修復工藝。
(2)表面微生物群落在汙染物轉移中的作用，包括了解汙染物轉移的結果和影響，支持修復過程。
4二氧化碳的循環和吸收
美國能源部關於二氧化碳循環和吸收的研究目標包括:
(1)海洋微生物群落在生物二氧化碳泵中的地位和作用，包括對C、N、P、O、S循環的認識，氣候變化的預測和二氧化碳吸收的影響評估；
(2)陸地微生物群落在全球碳循環中的地位和作用，包括對C、N、P、O、S循環的認識，對碳變化和氣候變化的預測，對二氧化碳吸收的評估。
㈤GTL科學路線圖和系統生物學
上個世紀分子生物學的突破成為生命科學的生長點，使生命科學在自然科學中的地位發生了革命性的變化。蛋白質、酶、核酸等生物大分子的結構、功能和相互關系的揭示，為研究生命現象的本質和活動規律奠定了理論基礎。2005年，美國能源部宣布了生命基因組(GTL)項目的路線圖，指出了系統生物學在解決能源和環境問題中的應用。
1 GTL科學路線圖
GTL的科學路線圖包括:
(1)對基因、蛋白質、生物分子、生物通路和系統的描述，包括基因組研究和比較，具有新功能的自然系統的基礎研究，蛋白質的產生和定位，生命過程中相互作用和復合物的分析。
(2)了解功能和調節，包括分子反應的測量和功能測試的實現。
(3)機理預測模型的開發，包括實驗設計、分子設計和操作以及細胞系統的利用。
(4)群體及其潛在功能分析，包括基因組測序和比較，過程的自然系統篩選，以及蛋白質生產和定位。
(5)了解群落響應和調節，包括二氧化碳、營養和生物地球化學循環的比較，細胞和種群分子調查，以及群體功能測試。
(6)預測反應和影響，包括建立相互作用和預測模型，應用自然和人工過程。
這些計劃的目標產出是:
(1)系統工程，包括系統設計與開發的策略、生命系統與細胞外系統、識別與分析。
(2)強大的政策和工程科學基礎，包括自然事件的模型生態系統響應和幹預策略的效率和影響分析。
2從基因組到有機體，系統生物學研究
傳統生物學主要是基於還原論的研究，通過實驗解決問題。然而，生物體是壹個復雜的系統，它不僅僅是基因和蛋白質的集合，僅僅勾畫它們的相互關系並不能完全理解系統的特征。系統生物學是在大量數據收集和分析的基礎上，利用軟件工具、分析方法和新的科學思想來研究生物系統的動態行為，充分認識其穩定性和魯棒性背後的機制。
從基因組到生命(GTL)項目，跨越分子、細胞、組織器官、系統到生命，是壹個真實反映生命科學從分析到綜合、從還原論到整體研究變化的研究項目。GTL計劃是以人類基因組計劃為基礎的壹個新的研究項目，體現了這壹特點。系統生物學在分子、細胞、組織、器官和生物的整體水平上研究各種不同結構和功能的分子及其相互作用，在基因組序列的基礎上完成從生命密碼到生命全過程的研究；從生物體內各種分子的識別和相互作用，到生物通路、分子網絡和功能模塊的研究，最終完成整個生命活動的路線圖。GTL路線圖的介紹指出了將這些具體計劃應用於解決能源和環境問題的具體方式，是將生物技術應用於解決人類面臨的資源、能源和環境瓶頸的範例。
復雜生命系統最重要的特征不在於其非常復雜的單個組成部分，而在於組成部分之間的關系以及形成這種關系的動力學。系統功能的綜合高於各個子組件的分析。發展生命科學和生物技術是解決人類發展面臨的資源、能源、環境和健康問題的有效途徑。從GTL路線圖的實施可以看出，通過發展系統生物學和相關技術來實現這壹目標是生命科學和生物技術的發展方向。