--談數學與計算機在現代生命科學研究中的作用
20世紀是物理科學的世紀，21世紀是生命科學的世紀。生命科學特別是生物技術的迅猛發展，不僅與人類健康、農業發展和生存環境密切相關，而且對其他學科的發展也起到推動作用，正所謂 "今天的科學，明天的技術，後天的生產"。生命科學的基礎研究是現代生物技術
--談數學與計算機在現代生命科學研究中的作用
20世紀是物理科學的世紀，21世紀是生命科學的世紀。生命科學特別是生物技術的迅猛發展，不僅與人類健康、農業發展和生存環境密切相關，而且對其他學科的發展也起到推動作用，正所謂 "今天的科學，明天的技術，後天的生產"。生命科學的基礎研究是現代生物技術的源泉，也是科技創新的關鍵。
現代生物技術，是壹門引領科技前沿的學科，正因為如此，我很想知道它是怎樣和數學--我所要專攻的學科、計算機等理論或技術有機地聯系在壹起的。基於此，我利用業余時間查閱了很多網站和書籍，有了小小的收獲。現就 "基因芯片 "技術介紹如下。
壹、基因芯片簡介
基因芯片又叫DNA芯片，是20世紀90年代中期發展出來的高科技產品。基因芯片只有指甲蓋那麽大，其基片壹般是經過處理的玻璃片。每個芯片的基底面可以分成幾萬到幾百萬個細胞。在特定的細胞內，可以固定大量具有特定功能的核酸分子（也稱為分子探針），其序列長約20個堿基。
由於固定的分子探針在基底上形成不同的探針陣列，利用分子雜交和並行處理的原理，基因芯片可以對遺傳物質進行分子檢測，因此可用於基因研究、法醫鑒定、疾病檢測和藥物篩選。基因芯片技術具有無與倫比的高效、快速和多參數特性，是對傳統生物技術如檢測、雜交、分型和DNA測序技術的重大創新和飛躍。
二、基因芯片技術
生物芯片技術是20世紀90年代初隨著人類基因組計劃的順利推進而誕生的，它是通過半導體光刻工藝像集成電路生產工藝壹樣的微小型化技術，將生命科學研究中許多不連續、不連續的分析過程，如樣品制備、化學反應以及定性定量檢測等手段集成在壹個指甲蓋大小的矽芯片上。集成在指甲蓋大小的矽芯片或玻璃芯片上，使這些分析過程連續化、微型化。也就是說，把目前需要多個實驗室、化驗室才能完成的技術，生產成具有不同用途的便攜式生化分析儀，使生物分析過程完全自動化，分析速度成千上萬倍地提高，需要的樣品和化學試劑成千上萬倍地減少。可以預見，在不久的將來，用它制成的微型分析儀將廣泛應用於分子生物學、基礎醫學研究、臨床診療、新藥開發、法醫鑒定、食品衛生監督、生物武器戰爭等領域。
生物芯片技術是目前應用前景最好的DNA分析技術之壹，分析對象可以是核酸、蛋白質、細胞、組織等。目前，世界上用生物芯片進行疾病診斷尚處於研究階段，國外已用於觀察癌基因和重癥肌無力等壹些遺傳性疾病的基因表達和突變情況。
生物芯片技術還可用於治療，例如，目前已研制出在4平方毫米的芯片上布滿400種藥物的有藥針，定期為患者定量註射藥物。此外，科學家們還在考慮制作定時釋放胰島素治療糖尿病的生物芯片微泵和可置於心臟的芯片起搏器。生物芯片技術與組合化學的結合將開辟另壹個有價值的應用方向，那就是為新藥研發提供超高通量篩選平臺技術，這必將在新藥研發和中藥成分評價方面帶來重大突破。
基因芯片應用的三個實例
1、基因破譯
目前，由多國科學家參與的人類基因組計劃正試圖在21世紀初繪制出完整的人類染色體圖譜。眾所周知，染色體是 DNA 的載體，基因是 DNA 中具有遺傳效應的片段，而 DNA 的基本單位是四個堿基。由於每個人擁有 30 億個堿基對，破譯所有 DNA 的堿基排列順序無疑是壹項艱巨的工程。與傳統的基因測序技術相比，基因芯片破譯人類基因組和檢測基因突變的速度要快數千倍。
基因芯片之所以這麽快，主要是因為基因芯片上有成千上萬個微凝膠，可以並行檢測；同時，由於微凝膠是三維的，相當於提供了壹個三維檢測平臺，可以固定蛋白質和DNA並進行分析。
美國正在進行基因芯片的研究，目前已研制出能快速解讀基因密碼的 "基因芯片"，使解讀人類基因的速度比現在快1000倍。圖 1 展示了嵌入基因芯片的基因檢測設備。
2.基因診斷
通過基因芯片分析人類基因組，可以找出致病基因。癌癥和糖尿病等都是由基因缺陷引起的疾病。醫學和生物學研究人員將能夠在幾秒鐘內找出最終導致癌癥等疾病的變異基因。在壹小滴試液的幫助下，醫生將能夠預測藥物對病人的療效，診斷治療過程中藥物的不良反應，並當場確定病人受到哪種細菌、病毒或其他微生物感染。使用基因芯片分析基因將在10年內使糖尿病的診斷率提高50%以上。
未來，人們在接受體檢時，裝有基因芯片的診斷機器人將為受檢者抽血，體檢結果將立即顯示在電腦屏幕上。利用基因診斷，醫療將從 "大眾醫療 "時代進入基於個體基因的 "定制醫療 "時代。
3、基因環保
基因芯片在環保方面也大有可為。基因芯片可以有效檢測微生物或有機物造成的汙染，還可以幫助研究人員找到並合成具有解毒和消化汙染物功能的天然酶基因。壹旦發現了這些環保基因，研究人員就會將它們轉移到普通細菌中，然後利用它們來清理受汙染的河流或土壤。
4.基因計算
DNA分子類似於 "電腦磁盤"，具有保存、復制和改寫信息等功能。螺旋狀的 DNA 分子如果拉直，其長度將超過壹個人的身高，但如果折疊起來，它可以縮小成壹個直徑只有幾微米的小球。因此，DNA分子被認為是壹種超高密度、大容量的分子存儲器。
基因芯片經過改良後，還可以用來制造生物計算機，利用不同的生物狀態表達不同的數字。在基因芯片和遺傳算法的基礎上，未來的生物信息學領域將有望出現能與當今計算機行業硬件巨頭--英特爾公司和軟件巨頭--微軟公司相媲美的生物信息學公司。
第四，基因芯片的實際應用
基因芯片在生命科學、醫藥研究、環境保護和農業等領域具有極其重要的應用價值。在基因芯片的推動下，人類正在進入壹個全新的生物信息時代。
1、在美國科學家首次把他們稱為生物芯片的計算機芯片植入人體細胞，使人體細胞與計算機連接起來。這是美國科學家鮑裏斯-盧賓斯基（Boris Lubinsky）和他的同事黃勇（音譯）在3月號的美國《生物醫學微器件》雜誌上發表的文章披露的。
2.人體細胞表面覆蓋著壹層細胞膜，其功能是允許特定物質單向通過。多年來，科學家們壹直在尋找利用電擊使所需物質進入細胞膜的方法，但到目前為止，所使用的方法有時成功，有時失敗。在魯賓斯基和黃勇開發的新方法中，細胞膜由計算機發出信號，允許某些物質進入細胞。根據具體情況，這些物質可以是用於改變基因的遺傳物質，也可以是藥物或蛋白質。通過這種方式，物質可以變得更加有效。
魯賓斯基等科學家打算開發能夠向神經細胞和肌肉等人體組織發送指令的生物芯片，這樣至少可以使人們服用的藥物更加有效。俄亥俄州立大學生物醫學工程中心主任莫裏羅-弗拉裏稱魯賓斯基的發明是壹種處於早期開發階段的潛在有用的實驗室工具。
美國科學家說，他們已經找到了壹種生物工程芯片，可以讓人體細胞和電路配對，從而在醫學和基因工程領域發揮關鍵作用。
這個比頭發絲還要細小的微型裝置可以讓健康的人體細胞與電子芯片結合，通過計算機控制芯片，科學家們相信他們能夠控制細胞的活動。
計算機向細胞芯片發送電脈沖，激發細胞膜孔打開，激活細胞。科學家們希望能大量生產這種細胞芯片，並能將它們植入人體，以替代或矯正病變組織。
領導這項研究的加利福尼亞大學機械工程學教授博裏斯-魯賓斯基說："細胞芯片還能讓科學家更精確地控制復雜的基因治療過程，因為他們可以更準確地打開細胞膜孔。
魯賓斯基補充說："我們在生物學領域引入了工程學的精髓，我們完全可以在不影響周圍其他細胞的情況下輸入DNA、提取蛋白質和註射藥物。"
細胞芯片與壹個長期存在的理論有關，即壹定量的電壓可以穿透細胞膜。
多年來，科學家們壹直在進行基因研究，實驗用電流轟擊細胞，希望引入新的療法和遺傳物質。研究人員希望最終能制造出細胞芯片，根據激活不同人體組織（從肌肉、骨骼到大腦）所需的確切電壓量進行調整。這樣，成千上萬的細胞芯片就可以用於治療各類疾病。
3.中國首款應用基因芯片日前在第壹軍醫大學正式誕生，該芯片由中國自主研發。
據第壹軍醫大學有關負責人介紹，軍醫大學成功研制的基因芯片，在國內首次應用了創新的基因片擴增技術，率先攻克了內地同行在基因芯片研究中首次面臨的快速、經濟地采集數萬個基因探針的難題，並巧妙地運用新技術手段大幅降低了成本。
目前，該芯片已完成實驗室工作，即將進入臨床驗證階段。如果進展順利，用於臨床診斷的基因芯片有望很快投入批量生產。不過，到目前為止，世界上還沒有生產出用於臨床的基因芯片。
在實驗室裏，這些比拇指指甲稍大的基因芯片碎片被放在檢測器上，檢測器與電腦屏幕相連，屏幕上立刻縱橫交錯地出現紅紅綠綠的熒光點，每壹個出現的熒光點就是壹個基因片段的點陣。只要病人取壹滴血滴在芯片檢測卡上，經過分子雜交，連接到電腦上就能立即顯示出基因的變化，並通過電腦把基因語言翻譯成醫生能讀懂的信息，從而對疾病做出準確的診斷。
這種芯片的成功誕生標誌著疾病診斷從細胞和組織層面向基因層面邁進。它的開發和應用將在環境汙染控制、動植物檢疫、器官移植、產前診斷、藥物篩選、藥物開發等方面展現出廣闊的前景。
五、生命科學漸成IT企業關註焦點
人類基因組工作草圖繪制的消息猶如打開了阿裏巴巴的寶藏之門，以基因技術為核心的生命科學市場正吸引著越來越多的掘金者。近來，為這些掘金者生產 "鏟子 "的信息技術（IT）公司也是聲勢浩大。
1、揭開基因的神秘面紗必須破譯大量數據
人類基因組的草圖只是讀出了 "生命之書"，而要真正讀懂它，揭示遺傳密碼所代表的全部信息，還得破譯浩如煙海的數據。
在英國著名的桑格中心，有關人類基因組的數據已達22萬億字節，是世界上首屈壹指的美國國會圖書館館藏內容的兩倍多。該中心估計，在未來兩三年內，與人類基因組有關的數據量還將增加到 50 萬億至 100 萬億字節。
2、生命科學公司10%的投資用於信息技術開發
為了解決處理數據所需的巨大計算能力問題，全球最大的12家生命科學公司目前將近10%的研究預算用於信息技術投資，而且這壹比例還有可能增長。
據國際商業機器公司（IBM）估計，與生命科學相關的信息技術市場今年將達到 35 億美元，到 2003 年將達到 90 億美元。
3.巨大的市場潛力
壹些著名的 IT 公司已經把目光投向了這個潛力巨大的市場。例如，IBM公司已決定投資1億美元，用5年時間開發壹種被稱為 "藍色基因 "的超級計算機。
"藍色基因 "的計算能力將是美國現有40臺最快超級計算機總計算能力的40倍，它主要用於模擬人類蛋白質折疊成特殊形狀的過程。全球最大的個人電腦制造商康柏公司也對這塊 "肥肉 "垂涎三尺。
4、康柏提前下手培育未來客戶群
已成為生命科學領域電腦服務器主要供應商的康柏公司近日宣布，將繼續投資1億美元支持新興生物技術公司，以培育未來客戶群。
事實上，IT 公司關註的遠不止這些近期利益。以基因研究為基礎的生物經濟可能會成為新世紀新經濟的重要組成部分，這壹點已在 **** 上達成共識。
5.行業標準制定者享有巨大的經濟效益
根據以往的經驗，大多數先進入市場的公司都能成為行業標準的制定者，而這些行業標準往往意味著巨大的經濟效益。
今年 8 月，德國公司 Lion Life Sciences 的股票上市。由於投資者將該公司的基因序列檢索系統（SRS）視為潛在的新行業標準，其股價在短時間內迅速上漲了50%。
6、政府對基因研究的支持
IT 企業進軍生命科學領域，與政府對基因研究的支持密不可分。為了在下壹階段的基因組研究--分析蛋白質結構的國際競爭中占得先機，許多國家都在積極采取措施，促進信息產業與生物產業的結合。
比如，日本最近就組織了壹個 "官產學 "大型聯合 "生物產業信息技術研究**** 同體"，參加這個**** 同體的除了制藥、食品、生物、化學等與基因有關的企業外，還有壹些計算機公司。
小結：科學界認識到，生物芯片技術將給下個世紀的生命科學和醫學研究帶來壹場革命。目前，我國科學家正在加快研制這種可能快速、方便地提取DNA、發現遺傳特征的新技術。我相信，這項現代生物學與高科技聯姻的成果將為二十壹世紀的發展做出巨大貢獻！