系统遗传学发展纲要

 

邦哲研究所(常州)系统遗传学实验室
Systems Genetics Lab., Benjoe Institute, Changzhou, China

 

 

06、系统遗传学原理与方法

 

   系统遗传学是21世纪生命科学的发展趋势,1991-1997年,中国曾[]邦哲发表《结构论-泛进化理论》系列论文,阐述系统医药学、系统生物工程与系统遗传学的概念,提出经典、分子与系统遗传学发展观,以及2003年、2008年于国际遗传学大会、国际生物技术大会等,采用结构(structure)、系统(system)、图式(pattern)遗传学的词汇来描述系统科学方法、计算机与基因技术等研究生物系统的遗传结构、生物系统的形态图式之间的基因型-表达型复杂系统研究领域,以细胞信号传导、基因调控网路为核心研究细胞进化、细胞发育、细胞病理、细胞药理的非线性系统动力学,分析基因组的非平衡系统自组化与基因相互作用的程序化表达过程。

  2005年,国际上Cambien F. Laurence T.发表动脉硬化研究的系统遗传学观,Morahan G., Williams RW.等于2007论述系统遗传学将成为下一代遗传学。2005-2008年,国际系统遗传学飞速发展,欧美国家建立了许多系统遗传学研究中心和实验室。2008年,美国NIH建立肿瘤的系统遗传学研究专项资金。200910月,荷兰举办系统遗传学学术研讨会。系统遗传学,采用计算机建模、系统数学方程、纳米高通量生物技术、微流控芯片实验等方法,研究基因组的结构逻辑、基因组精细结构进化、基因组稳定性、生物形态图式发生的细胞发生非线性系统动力学。

 

07、应用系统遗传学与合成生物学

 

合成生物学,也可翻译成综合生物学,即,综合集成,英文(synthetic)在不同地方翻译成不同的中文,比如综合哲学(synthetic philosophy)、综合进化,归属于研究人工生物系统的系统生物工程范畴。21世纪是系统生物科学与工程 - 也就是生物系统分析学与人工生物系统的时代,将带来未来的科技与产业革命。系统(system)、整合(integrative)、综合或合成(synthetic)生物学各有偏重点,系统(system)、结构(structure)、图式(patten)遗传学也存在偏重点,但整体属于系统生物科学与工程领域,系统科学原理与方法源自坎农的生理学稳态机理和图灵的计算机模型,以及图式发生的研究中诞生,又应用于生物科学与工程。计算机科学中的图形识别被翻译成模式,生物学中将“model animal”翻译成模式动物,认知心理学和发育生物学中也有的翻译成图式,综合将“patten”翻译成图式。

2003年美国贝克莱大学J.Keasling成立了世界上第一家合成生物学系,基于系统生物学的基因工程,采用酵母细胞表达天然植物药箐篙素分子,实现工程微生物代谢工程制药,并开展植物光合作用代谢路径的研发。同时许多计算机、微电子技术、纳米化学、医学工程的科学家与工程师转入生物工程的研发,采用计算机软件辅助设计技术、人工合成全基因乃至基因组技术,将细胞作为计算机来进行重新设计,因而发展了合成生物技术。

1994年,中科院曾[]邦哲提出系统生物工程与系统遗传学的概念与原理,探讨细胞仿生工程,并于德国2002年提出细胞通讯的生物计算机(Automatic Cell and Bionic Computer)模型。仿生学与遗传学的整合是系统生物工程的理念,也就是发展遗传工程的仿生学。人工基因重组、转基因技术是自然重组、基因转移的模仿,还天然药物分子、生物高分子的人工合成是分子水平的仿生,人工神经元、神经网络、细胞自动机是细胞系统水平的仿生,随着单基因遗传学的单基因转移发展到多基因系统调控研究的系统遗传学、多基因转基因的合成生物学,以及纳米生物技术、生物计算、DNA计算机技术的系统生物工程发展,仿生学已经全面发展到一个从分子、细胞到器官的人工生物系统开发的时代。

 

08、系统医学与系统生物工程

  

   中医药炼丹实践、本草纲目分类学,对近代林耐生物分类学和罗吉尔.培根的医疗化学实验方法作出了贡献。罗吉尔.培根融合希腊哲学与中国实践经验两种传统,诞生了医疗化学的实验传统,经弗兰克林.培根的理论阐述发展成为归纳方法论和实证科学范式。近代医学革命来自血液循环的发现 - 其实是重新发现,中医学已经有血液循环的概念。

  从生态系统研究、坎农的体液稳态原理发展了最早的系统思维,维纳发展了控制论,还艾什比从大脑生理学创立的稳态模型类似于中医的五行相生相克模型。19924月在广州中医药大学,中国自然辩证法研究会和《医学与哲学》杂志社举办了首届中西医学比较研究学术研讨会,曾(杰)邦哲发表论中西结合全息医学人体结构模式,提出中西医学融合形成系统心理学,以及实验和系统医药学的范式。21世纪伊始,系统生物学的兴起,系统医学的研究机构纷纷建立,从而医学步入了系统医药学的时代,并将带来中医药现代化和产业规模化的巨大前景。

21世纪是系统生物科学与工程的时代,系统生物技术整合了生物纳米技术、生物计算技术,开始走向生物工程人工设计生命系统的生物医学应用,并将带来细胞制药厂和细胞生物分子计算机的产业化,将计算机科学与生命科学从理论到技术整合,将基因工程与细胞仿生工程结合。欧美国家的权威科技机构称基因工程、转基因动物与分子生物技术时代已经转向了合成生物学、系统生物工程时代,2008年开始,国际、国内的系统生物工程研究机构也纷纷建立了起来。

人类改造自然界的生物种群,开始于人工筛选育种,继而人工杂交、人工诱变。动物克隆无性生殖技术,开始于1938年德国科学家施佩曼的蝾螈受精卵结扎实验。1961年我国科学家朱洗采用人工刺激蟾蜍成熟卵,成功研究了两栖类人工单性生殖。1962年,英国科学家J. B. Gurdon,采用核移植法成功培育了非洲爪蟾成体。1980年,美国生物学家P. C. Hoppe和日内瓦超微型外科专家K. I. Illmense,用胚泡细胞核移植方法成功繁育了小鼠。1997年英国I. Wilmut等,用绵羊乳腺细胞的细胞核移植到去细胞核的卵细胞中,成功得到了“多莉”克隆羊。

转基因禽类生物反应器,包括肝脏和输卵管表达系统。1993Ruslin 研究所的Sang博士成功在禽蛋卵黄表达外源蛋白。1993年英国罗斯林研究所Sang博士研究禽类蛋黄表达系统,在鸡蛋的蛋黄里表达了外源蛋白质,由于蛋黄蛋白质是在肝脏细胞表达的蛋白质,而且含量不高;因此,1994年曾(杰)邦哲提出了禽类转基因输卵管生物反应器(oviduct bioreactor)的概念转基因禽类金蛋计划(Goldegg Plan),在国际上最早开展采用蛋清蛋白质基因侧翼序列表达外源药用蛋白质的研究(Glodegg Plan)。

  1995-1996年,筹办第1届国际转基因学术研讨会期间,大会秘书长曾邦哲与美国Avigenics公司和Georgia大学R.Ivarie教授探讨了输卵管生物反应器的合作研究。1998年,美国Avigenics公司开展了规模化投资与研发输卵管生物反应器。2002年后,国际、国内掀起了输卵管生物反应器的研发热潮,2003Science发表了Gloden Egg的评述文章。目前,国际上已有十多家前景看好的公司以输卵管生物反应器作为拳头开发产品,约2003年英国罗斯林研究所也创建了公司,并由Sang博士主持研究课题,从禽类蛋黄表达系统转向了输卵管生物反应器,继哺乳动物乳腺生物反应器后成为最具开发前景的动物生物反应器。

采用系统遗传学原理、合成生物技术,人工设计与合成基因、基因链、信号传导网络等,对细胞进行系统生物工程改造与重编程序,可以做复杂的计算与信息处理,细胞计算机又称为湿计算机(wet computer),目前的计算机是干计算机(dry computer)。中国曾(杰)邦哲1999年提出把遗传信息系统看作基因组智能(genomic intelligence)可以人工编程,重新设计细胞内复杂生物分子相互作用网络,从而使细胞成为人工生命系统,2002年在德国提出分子模块、细胞器、基因群设计细胞并设计细胞信号通讯的生物计算机模型(cell automatics, the bio-computer),从而拓展了多元细胞计算机与层次的概念。

 

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Structurity Bulletin, April 23, 2009 结构论通报》,20094月23日)

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