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《生命世界》

开博时间:2016-11-21 21:27:00

《生命世界》杂志由中国科学院主管,中国科学院植物研究所、中国植物学会和高等教育出版社联合主办,于2004年4月创刊。《生命世界》杂志依托中国科学院和高等教育出版社的雄厚资源,集中高等院校及科研院所的专家作者队伍,以认真严谨的编辑态度确保稿件的质量及科学性,并以生动准确的语言、精心的版式设计及精美的印刷品质确保阅读的舒适与愉快,希望为关注生命、热爱自然的读者构建一个精神家园。

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破解大熊猫密码

2009-11-25 23:28:56

  大熊猫是中国的国宝,其憨态可掬的形象为世界各地人们所熟知和喜爱,在一些特定场合甚至成了中国元素的标志。大熊猫至今已经在地球上生活了几百万年,是名副其实的“活化石”。近年来,我国虽然为保护这种珍稀物种投入了大量人力、物力,也取得了举世瞩目的成就,但在大熊猫基因组学上的研究却进展缓慢。2008年,深圳华大基因在深圳宣布,成功完成了大熊猫基因组序列图谱绘制工作,填补了大熊猫基因测序方面的空白,为大熊猫的保护开启了一扇崭新的大门。

  在2008年年初的“国际大熊猫基因组研讨会”上,来自中国、加拿大、英国、美国、丹麦等国的科学家提出了旨在保护大熊猫的“国际大熊猫基因组计划”。该计划的研究对象为大熊猫基因组信息,目的是为人们深入了解大熊猫这一特殊物种提供重要的遗传学和生物学基础,有助于科学家研究其特殊的环境适应能力及其进化的分子机制。

  2008年3月,深圳华大基因研究院正式宣布“国际大熊猫基因组计划”启动,并计划用大约半年的时间完成大熊猫基因组的序列框架图。经过专家的研究,确定2005年8月30日出生于成都大熊猫繁育基地的一只名叫“晶晶”的雌性大熊猫为研究对象。

  经过一番周折,研究人员成功取得晶晶的外周血,并一刻不停地从成都送到了坐落在深圳盐田区的华大基因研究院。从这一刻起,大熊猫基因组测序工作正式拉开帷幕。

  大熊猫基因组测序实际上涉及两方面工作,一个是DNA序列的获取,另一个是生物信息的处理,需要分别在基因技术平台和生物信息学平台上完成。

 
用于熊猫基因组拼接的超级计算机,由1 192个计算单元组成,2.3 TB内存,1 458 TB存储能力,“每秒所执行的浮点运算次数”为10 T,为基因组学研究提供强大计算支持。

  基因技术平台是一套完整的基因组实验技术平台。

  在基因组测序工作中首先要完成的是DNA文库的制备。所谓DNA文库的制备简单地说就是将生物体的全部基因组DNA用限制性内切酶或机械力量切割成一定长度范围的DNA片段。之所以这样做是因为基因组的长度太大,根本无法有效地读取和分析,所以必须将其“打碎”为无数小片段,再通过相应技术读取这些小片段,最终绘制出完整的基因组序列图谱。

  DNA文库建立起来后,就需要进行测序工作了,这项工作主要由CS组和GA组研究人员承担。基因组测序,实际上就是识别DNA文库的DNA片段原有顺序,理清它们之间的位置关系。就好比有一堆书,要将它们分门别类,按一定顺序摆进书柜。

  现在我们知道,大熊猫共有21对染色体,约为30亿个碱基对,包含2万~3万个基因,所以,测序工作的工作量是很大的。此外,虽然大熊猫跟人类一样,同为哺乳动物,基因组大小相当,但作为基因组研究上全新的物种,大熊猫的基因组测序,需要重新的组装,这就需要构建不同插入长度片段的DNA文库,并提供更多的位置信息,所以国际大熊猫基因组计划的实验工作量远远大于20世纪华大基因承担的1%人类基因组计划任务时的工作量,也远大于2007年华大完成的“炎黄一号”第一个亚洲人的基因组测序。


基因组技术平台实验人员正在进行用于高通量测序的前的DNA文库制备

  为了如期完成复杂的测序工作,华大的研究人员采用了一种高通量的测序技术。虽然也有专家指出这种全新的测序技术由于读长短(读碱基对的长度较短),“不可能用于新物种的测序”,但研究人员还是凭借多年从事基因组研究的经验和超级计算的支持,成功攻克了难关。

  测序阶段的工作完成以后,国际大熊猫基因组计划的工作中心就从基因技术平台转向了生物信息平台。

  自从1990年美国启动人类基因组计划以来,人与模式生物基因组的测序工作进展极为迅速。而随之而来的海量基因组数据的分析和处理问题摆在了生物学家面前,成为迫切需要解决的科学问题。“生物信息学”正是在这种需求中应运而生。

  广义的生物信息学是指应用信息科学的方法和技术,研究生物体系和生物过程中信息的存贮、信息的内涵和信息的传递,研究和分析生物体细胞、组织、器官的生理、病理、药理过程中的各种生物信息。生物学是生物信息学的核心和灵魂,数学与计算机技术则是它的基本工具。

  如果国际大熊猫基因组计划只是简单将工作停留在大熊猫基因组序列图谱的绘制上其实是毫无意义的,最关键的还是要从已有的基因组序列中获取有价值的信息。在生物信息平台上要解决的问题正是运用生物信息学相关技术和知识对已有大熊猫基因信息的分析和解读。

  目前,国际大熊猫基因组计划已经正式进入了基因数据的挖掘阶段。大熊猫基因组草图的宣布完成,意味着大熊猫基因组研究将更加深入。随着基因组序列的一一解读,我们相信,大熊猫基因组的信息,必将丰富人们对多姿多彩的生命世界的认识,并将为人类认识基因,利用基因改造生命,保护基因多样性提供更多的知识。

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