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系统生物工程与产业化
Industrialization of System Biological Engineering

   
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遗传学进步与人口健康高峰论坛论文集, 2007年11月云南

细胞发生的信号传导、基因表达与基因克隆

曾邦哲 吴超
中科院微生物研究所;系统生物工程研究所(筹)

    复杂生物系统的图式演化是细胞的物种进化与细胞的形态发育的非线性细胞发生动力学过程。细胞的基因组结构自组织化形成生物的系统发生,生物体结构的基因组复制与表达的细胞自组织化构成生物的个体发生。自然与人工选择,细胞的基因突变与重组,基因组结构内等位基因替代构成物种内基因多样性调控,基因组的结构变化形成物种的适应变异,还导致基因组结构层次的自组织化才形成物种间的进化。采用转基因细胞系、突变细胞系研究细胞发生的信号传导路径、多基因相互作用与生物系统的结构图式形成,发展了系统生物学新技术进行基因克隆、药物筛选和生物反应器的方法。

Signal TransductionGene Isolation and Gene Expression Involved in Cytogenesis

B. J. Zeng

The pattern formation of complex biosystem is the nonlinear cell dynamic process of cell species evolution and cell types development. Genomic self-organization constructs systematic evolution of species. Cellular self-organization shapes morphogenesis of individual organisms. In natural and artifical selection, gene replace within genomic structure forms the organism multiple adaptation, but self-organization of genomic structures changed species evolution. By using of transgenesis, cell mutagenesis, analysis of signal pathways and genes interaction, we developed novel methods of system biotechnology for drug discovery, transgenic bioreactor and isolation of differential expression genes involved in cytogenesis.

系统结构自组织化

    我国科学家谈家桢对瓢星虫的嵌合体共显性遗传、国际遗传学届对动物色斑和蝴蝶花纹(1998[1]的研究,开创了生物体形态、花纹或图式(pattern)的孟德尔遗传学研究。线虫形态发生的信号传导、细胞系谱定位(cell mapping)的研究,分子遗传学从基因组学到蛋白质组学的发展,形成了系统、图式遗传学的方法论。21世纪系统生物科学的发展,一方面,应用系统科学方法、计算机数学研究生物系统理论、技术的改造(genetic)工程;另一方面,应用生物系统方法、生物技术发展系统科学理论、计算机技术的仿造(bionic)工程,从基因组到大脑的生物系统工程,将带来转基因生物、天然药物筛选、基因克隆、纳米生物技术的一场科技变革。

    生态圈的物质循环、能量不可逆耗散,太阳能是生物量自组织化增长的原动力。申农信息论研究动物和机器的通讯行为,维纳控制论揭示了机器、动物的合目的性实质是反馈调节。贝塔朗菲系统论揭示了生物系统相互关系结构整体及其开放增长的自组织化。艾根从生命分子的机能与信息交互作用循环耦合发展出代谢超循环进化理论。普利高津耗散结构论是对非线性系统的能量耗散而有序结构形式的稳态间涨落热力学研究。从而,从生物体液稳态到物质物态稳定,从生物进化到自组织系统研究,发展了系统科学。

    生物体是结构分层次进化的多层次复杂系统,从构成生物分子的基本元件到生物个体的系统整体,形成不同的系统层次和相同层次不同的系统。系统不等于整体,还是元件与整体之中介,很难研究整个生物系统或细胞内所有分子整体,对生物系统分层次和系统分界的逻辑与方法,对系统进行元件间相互关系的结构与图式研究,从而使复杂系统多层次系统的研究成为可操纵。生物分子与细胞、器官与个体、种群与群落是不同层次的系统,不同层次系统的异质互作是以同层次系统的同质互作为中介而相互转换[2];因此,系统生物科学的关键概念是对生物系统的结构层次及组成元件的界定。

    细胞是生命活动的基本单元、基本生物系统,细胞基因组的自组织化是生物的系统进化,生物体的细胞自组织化是生物的个体发育。生物自组织化是生命活动 - 代谢、应激、繁衍的功能同构(数学方程迭代构成)过程,也是细胞内在细胞器分工、细胞组织分化、器官之间系统协作,从而形成生命功能活动的高层次化和精细化。器官中的组织细胞有特定的功能,同时每个细胞又有完整生命的功能活动;但组织细胞失去单细胞生物的独立生存状况,被禁闭在个体内成为一群细胞中分工化的细胞,即,细胞系定位图谱(cells map)。结构、图式遗传学[3-4]采用系统科学理论与方法,探讨基因组的自组织化与程序化表达(蛋白质组学)调控细胞内、外生理生化和细胞谱系的形态发生、细胞系的定位图谱,以及细胞信号传导网络与基因表达调控的研究,从生物分子、细胞到个体、群落等各层次研究生物系统的结构、图式的形成(structurepattern formation)过程。

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