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

   
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非线性细胞动力学

    生物界是细胞的不同基因组类型的自组织化(物种进化)和细胞同一基因组的不同细胞类型的自组织化(个体发育)。细胞物种的基因组演变、细胞类型的形态发育是遗传与环境相互作用的基因群(genes group)、基因链(genes chain)、基因族(genes family)自组织化、等位基因替代(适应变异)与基因程序化表达的调控过程。基因组的进化与功能调控,体现为天然的计算机模型或基因 大脑的生物信息控制系统。细胞信号传导与基因表达调控,细胞内外物质、能量和信号输入与输出,构成生物分子相互作用 -> 细胞动力学(Co干细胞->Cj性细胞+Ci体细胞)-> 细胞系时空图谱的生物发生系统。细胞基因组结构的基因重组、基因组功能的表达调控,细胞谱系[5-6]的非对称(asymmetry)分化、粘合(connection)、再生、凋亡、突变(mutation)、迁徙的信号传导与基因表达调控,形成生物系统演发的细胞进化、代谢与发育的非对称或非线性(系统)细胞发生动力学(non-linear cell dynamics)过程。

A)细胞进化:蓝藻、细菌和放射菌的起源,诞生了三极稳态生态系统,从原核细胞、经介核细胞(眼虫、双鞭甲藻)进化到真核细胞(真菌、植物和动物)和植物维管束、动物循环系统。多细胞生物,胚胎干细胞(Co)分裂、分化成性细胞(Cj)和体细胞(Ci),细胞一般分为基因组进化细胞(Co+1)、基因适应重组变异的性细胞(Cj+1)和组织分化细胞(Ci+1)。高等动物细胞的染色体、中心体等行使细胞分裂的功能,减数分裂、配子融合完成物种内等位基因、连锁群的排列组合对环境的适应。细胞核遗传和细胞质遗传(线粒体、叶绿体DNA)形成生物繁殖(物质、信息)和个体发育的基因调控,元细胞(合子)的核酸复制、变异(辐射和化学诱导)如导致遗传信息的自组织化可能形成物种进化。

B)细胞代谢:高等动物三胚层的起源,形成了神经 - 内分泌 - 免疫调控的个体应激(能量、信息)系统和消化、呼吸、泌尿和循环器官的五行图模型(等价于金刚石晶体结构)超稳态框架。细胞间期通过信号传导路径、基因特异性表达调控细胞的新陈代谢(物质、能量)过程;因此,在体(in vivo)细胞生命功能活动受到直接的细胞之间物质、能量和信息交流,也受到间接的神经、内分泌、免疫、循环网络的信息传递调控。从基因组(DNA)到蛋白质组(mRNA编码)、代谢组(酶),一是ATP能量代谢(线粒体、叶绿体等)和物质代谢(核苷酸衍生物-能量、电子、糖、脂、酰基载体),二是核糖体的基因信息(文本) -> 蛋白质(功能)的转换器作用和系统基因调控,形成细胞从内质网、高尔基体到溶酶体等代谢功能。

C)、细胞发育:高等动物细胞有丝分裂和干细胞命运的决定完成体细胞的再生、分化(上皮、结谛、神经、肌肉组织)、凋亡和迁徙的功能,体细胞遗传变异可能导致细胞癌变、细胞发育疾病。量子的波(运动)粒(形态)二象性(E=P*C)是时空(信息)、物质、能量相互转换的复杂系统。光量子携带信息作用于视觉神经元等感受器,通过信号传导调控基因的蛋白质表达和神经递质(氨基酸衍生物)的合成,神经反射弧的记忆功能(比如,海马结构)行使信息文本的储藏(memory storage),神经纤维电信号传递,神经调控内分泌细胞分泌激素,内分泌激素(脂类衍生物或蛋白质)又作用于神经元、性腺细胞、免疫细胞、肌肉细胞等靶细胞效应器。分析细胞谱系从基因组、蛋白质组到代谢组不同表达水平的同层次内生物分子之间互作关系的系统界定,成为图式遗传学分析生物系统的结构、图式理论基础,采用序列标志片断显示方法(STFD)可以进行细胞发生过程特异性表达基因的克隆。基因差异表达的图式、细胞命运发生的图式,形成的是生物个体细胞类型与数量图式、结构的形态发生过程。

    自然(物质)选择、人工选择和社会(性爱)、文化(信息)等选择,改变生物体或人类自身的物种内生物多样性的遗传适应变异。进化与适应是两个不同概念,环境适应性选择产生物种内基因变异、重组性的调控。动物回游、迁徙的发育阶段对应生存环境适应,先起源生物以后起源生物为适应环境,以及高等生物再发展防御系统,称为次生适应现象,反映了生物体基因的适应调节或变异。等位基因突变、非等位基因重组、单基因转移,只是同层次系统内结构的适应调控,导致的是物种内等位基因对生存环境的适应变异多样性。人类遗传疾病[7]、不同肤色人种,只是同一个物种内不同的等位基因组合。只有当基因组的结构性自组织化演变,达到系统结构层次级的增长,才能导致生物物种间的系统进化。

生物系统人工进化 

    20世纪发展了基因工程、转基因动物、动物克隆等和DNA纳米计算机、人工神经元等技术。从生物系统的中医药理论、计算机技术探讨,曾(杰)邦哲1994-1996年于《转基因动物通讯》阐述了系统生物(医药)科学与工程概念[89]1999年创建了生物系统科学与工程网(genbrain,神经核的名称),探讨了生物系统的改造与仿造工程,以及系统、结构遗传学(systemstructurity genetics)概念。仿造生物系统开创于人工器官的生物医学工程。改造和仿造生物系统,改变了天然客体的生物自然进化过程,开始了生物系统的人工客体演化,系统生物工程将带来人工生物体和智能机器人的时代。

    转基因禽类生物反应器,包括输卵管和肝脏表达系统,禽类卵黄蛋白质在肝脏细胞表达,还蛋清蛋白质在输卵管细胞表达。1993年英国Ruslin 研究所Sang博士成功在禽蛋卵黄表达外源蛋白。1994年我国科学家曾(杰)邦哲提出了输卵管生物反应器的概念(转基因禽蛋计划Goldegg Plan[10-11]1996年北京召开了第1届国际转基因动物学术研讨会(大会主席施履吉,副主席朱作言、陈永福、G.Bernardi等,秘书长曾邦哲)和筹建了国际转基因学协会。1998年后,美国、英国的生物医药公司,以及国际、国内大学的实验室相继开始了输卵管生物反应器的研发。动物克隆技术,从动、植物的单性繁殖到胚胎干细胞、干细胞到细胞程序化诱导分化,以及代谢网络的基因工程改造进行天然药物开发,采用计算机原理、系统科学方法、纳米技术等,提供了基因克隆、药物筛选与转基因系统生物技术。

    生物计算图形学、转基因生物学是图式(系统)遗传学的方法基础,还图式遗传学是系统生物工程的理论基础。转基因生物反应器、无性繁殖技术,人工合成或人工组装的基因链、基因群或基因族的系统转基因合成生物学技术,为药物制造、器官移植等提供了规模化生产的生物反应器。从基因组学、蛋白质组学到代谢组学,系统生物科学与医学研究系列基因的程序化表达的正常、病理及与药物、环境的相互关系。采用细胞信号传导网络筛选传统天然药物、克隆差异表达基因,以及基因程序化表达的人工神经元仿生计算,开辟了复方药物治疗、系统药物学(system pharmacy)和农业、中医药现代化的远景。 

参考文献:

1. Gordon IJ, Smith DA.Body size and colour-pattern genetics in the polymorphic mimetic butterfly hypolimnas misippus (L.), Heredity, 1998, 80 (1):62–69.
2. 曾邦哲.自组织系统结构理论, 转基因动物通讯, 1996, 3(8-10).
3.
曾邦哲.基因自组织结构及特异性表达调控的基础与应用研究, 转基因动物通讯
, 1996, 3(6-8).

4. B.J.Zeng. Self-organization and specific expression of genome, First International & Third National Conference   on Transgenic Animals, Beijing 1996, Nov.18-23.
5. Elsaesser F.,Petric N.,Zeng J.,Fetal ontogeny of the LH control system in the pig,Annual ESDAR Conference Sept.12-14, 2002,Parma, Italy.
6. Zeng J., P.Aldag, Elsaesser F., Signal transduction mediating gene activation of SP1, LHß-subunit and GH in response to GHRH or GnRH in the postnatal and fetal porcine anterior pituitary in vitro, Exp Clin Endocrinol Diabetes, 2005 Jan;113(1):21-30.
7. Mekel-Bobrov N, Gilbert SL,Evans PD,Vallender EJ, Anderson JR, Hudson RR, Tishkoff SA, Lahn BT. Science,2005 Sep 9;309(5741):1720-2.
8. 曾(杰)邦哲.论系统生物工程范畴, 转基因动物通讯
, 1994, 1(6).
9. 曾()邦哲.医药科学从实证到综合发展, 转基因动物通讯, 1995, 2(11).
10.曾()邦哲.转基因鸟类输卵管药物表达反应器, 转基因动物通讯, 1995, 2(3).
11.曾()邦哲.转基因禽类输卵管生物反应器, 首届国际生物技术和医药工业展览会暨研讨会, 上海, 19957.

(Structurity Bulletin 20071015日)

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