美国转化医学杂志ajtm

（一）：GTL计划分析 上个世纪分子生物学的突破性成果成为生命科学的生长点，使生命科学在自然科学中的位置起了革命性的变化；蛋白质、酶、核酸等生物大分子的结构、功能和相互关系的揭示为研究生命现象的本质和活动规律奠定了理论基础。进入21世纪以后，美国能源部启动了新的战略计划—“基因组到生命”（Genomes to Life，GTL）计划，为生命科学在能源和环境领域的应用奠定了基础。 1 GTL计划的背景 为期五年、资助强度为1亿美元的后基因组计划“从基因组到生命（Genomes to Life）”是由美国能源部于2002年7月正式推出，其基础是在人类基因组计划和1994年开始实施的美国微生物计划。 2005年10月3日，美国能源部公布了新一期的生物研究综合计划——GTL计划路线图。GTL路线图以原有的GTL研究项目为基础并将之扩展，至今已经有800多名科学家和技术专家参与该项目。 2 GTL计划的目标 GTL计划的核心目标就是在未来的十到二十年时间里，了解几千种微生物的基因组及微生物系统是如何调控生命活动的，为使用生物手段解决环境问题铺平道路。GTL路线图将扩大基因组项目的投入，帮助国家解决能源和环境难题。此项研究需要填补知识空白点，发展生物技术，并在数据挖掘、计算和存储中应用生信息学。 GTL计划的基础是准确地刻画出生命系统的所有“分子机器”，认识“分子机器”在生命体中是如何协调工作的。这需要收集大量的基因组数据及其相关数据，尤其是基因组表达的数据，以及不同细胞内、不同条件下蛋白质组装和作用的数据。 GTL计划的具体目标包括：（1）鉴别“分子机器”，这些分子机器主要是蛋白质的复合物，并且执行生命系统的基本功能；（2）弄清控制“分子机器”行为的基因调控网络；（3）认识自然环境中的微生物群体；（4）发展建立和实现生物系统模型所需的计算机技术。 3 GTL计划的意义 21世纪人类面临健康、能源、环境等一系列迫切需要解决的问题，生物学的发展也许是解决这些问题的关键，基因组信息的研究则是理解生命体系的分子组成、调控机制的基础。这需要了解整个生物体系与环境相互作用的方式与机制，并利用这些信息来指导后续的生物学研究。 基因组中的基因按照一定的时间和空间规律被表达成蛋白质，而蛋白质需要和其它蛋白质或者核酸相互作用，结合起来形成有机的“分子机器”。GTL计划的实施将促进生物、物理、计算科学多学科的交叉与进步，促进实验设备、软件工具、分析方法、以及科学思想上的重大突破，为多角度的全面理解生物体打下基础，并将其应用到生物与环境相互影响与作用的问题探讨中。这些都是将生物技术应用于能源和环境问题解决的基础。 这一基于人类基因组计划的新计划的实施，将以整体理解和预测人体和微生物等生物系统为内容，为环境、能源等问题的解决提供生物技术手段。 （二）：GTL路线图 美国能源部于2002年开始了基因组到生命计划（Genomes to Life，GTL），为人类利用生物技术手段解决能源和环境问题提供了手段。2005年10月3日，美国能源部公布了新的GTL计划路线图，为GTL的具体实施提供了指导方向。 1 GTL计划实施的关键 GTL路线图对GTL计划实施的关键进行了阐述。在此之前实施的人类基因组计划着重于基因组表达的研究，但对于细胞内、不同条件下蛋白质表达和组装的研究很少。对于这些研究内容的了解与认识是GTL计划实现一个关键环节。GTL计划实现的另一个关键环节是高性能计算，利用先进的计算工具管理和集成研究获得的数据，建立细胞的系统模型，并进行计算机模拟，在此基础上深入分析，进而认识“分子机器”的工作机理。 在高性能计算的研究方面，建立基本的生物信息学算法和模拟过程的方法，确定数据标准，开发可视化工具是GTL计划的主要目标。GTL计划中的许多计算任务的计算量非常大，需要每秒万亿次浮点计算能力的超大型计算机。 2 GTL路线图的实施机构 美国能源部致力于为GTL计划的实施提供必要的科学平台，以支持科研和技术成果的应用。GTL计划将建四个前沿生物学机构，以支持相关的技术的发展、方法的研究、计算能力的提高，并设立公共科研平台。该平台的服务对象不仅包括科研团体，也包括产业界，以加速科研成果的转化或技术转移。GTL计划成功的核心是发展计算和信息技术，以克服基于基因组序列的生物学功能研究上的障碍。美国能源部将构建整合的计算环境，把各种实验数据、理论、模型和新观点融入到基本的生物学机制发现和系统生物学理论和试验的发展。 美国能源部的科学办公室是GTL路线图实施的主要协调机构，致力于提供非凡的科学发现和科研工具，改变人们对能源和物质的理解，提高美国经济和能源安全水平。办公室的主要任务包括：（1）为国家面临的能源安全提供解决方案，为国家能源与经济安全提供必要的科学基础；（2）国家物理科学最主要的支持，在280多所大学、15个国家实验室和许多国际研究机构进行科研投资；（3）为国家科学事业提供最主要的科研工具，从科学共享出发，建造和运行公用的科研设备；（4）在科学领域内最大限度地支持核心能力建设、理论建设以及实验和模拟，使美国保持在世界知识创新的领先地位。 GTL计划成功实施的关键要素是整合计算和技术平台，为科研和生物技术方案发展提供及时、便捷的平台。在生物学的新发展中，计算技术和生物学本身已经同等重要；因此，GTL由美国能源部科学办公室的两个部门——生物与环境研究办公室和前沿科学计算研究办公室合作完成。 3 GTL路线图战略 GTL战略目标是理解生物学系统，发展研究生物学机制的计算模型，并且利用这些模型来预测生命系统的行为，最终的目标是利用微生物的生物化学过程来为一系列的创新应用服务。这需要通过有效的研究、生产、成本和质量控制、效率提高来实现。 正如人类基因组计划能够刺激生物医药及生物技术工业的增长一样，GTL路线图中列出的研究也将加速新的生物工艺学的增长。与能源和环境相关的系统生物学是一项探测未知微生物世界的计划，以DNA序列编码信息为起点，目的是找到更加清洁和更加安全的生物资源、修复有毒废料，诠释微生物在全球气候变化中的作用，并发展与之相关的新兴科学。微生物可以用作驱动21世纪的综合经济力发展的工艺和新产品。 该路线图描绘了其具体的发展路径，包括新兴技术的利用、综合计算技术的发展和新研究设施的开发使用等。这些目标的实现，依赖于科学家对新型微生物的发现，对生命的起源和局限性以及对生命科学研究的新认识。微生物具有广阔地遗传性和多样性，因而它们的发展意味着地球环境的繁荣，包括极端温度，化学和压力下的环境。大多数时间，微生物生活在广泛的自然环境中，形成了各种各样的生物群落。这些生物群落已经演变成综合生物化学体系，要比任何工业领域的化学工艺体系具有高地选择性，能源利用效率和更少地污染。GTL路线图将利用这些微生物，为化学工艺体系的全面提升铺平道路。 （三）：GTL实施阶段 美国能源部于2002年开始了基因组到生命计划（Genomes to Life，GTL），为人类利用生物技术手段解决能源和环境问题提供了手段。2005年10月3日，美国能源部公布了新一代生物研究综合计划——GTL计划路线图，为GTL的具体实现提供了指导方向。 1 GTL计划实施的阶段 GTL计划的实现分三个阶段： 第一阶段：开展对有关对能源和环境相关的复杂系统试验关键问题的研究，开发新技术和新的计算技术，改进研究设施； 第二阶段：利用先进工具和新技术开展研究，快速了解生物学过程，提出能源和环境问题解决的新思路，收集全球气候与生物过程相互作用的信息； 第三阶段：将前期获得的知识和能力快速转化成革命性的新工艺和新产品，满足国家能源和环境的需要。 2 GTL计划第一阶段的目标 GTL第一阶段的主要目标主要是通过科学、技术和应用工艺三方面的起步为GTL计划的实施奠定基础。 科学基础：系统生物学的基因组学基础研究，分子、细胞和群落水平的研究，以及研究的关键目标与战略设定。 技术，计算与设施：高级技术发展与测试，前沿研究、计算与技术升级，机构/设施研究、发展、设计与建立。 目标应用：目标导向的关键系统选择，细胞与群落过程及相互作用的认识，系统数据与战略分析。 3 GTL计划第一阶段的目标 GTL第二阶段的主要目标则在通过科学、技术和应用过程三方面将科研成果工程化。 科学基础：关键系统和关键过程的高通量研究，比较分析、系统模型发展，整合实验与计算的系统。 技术，计算与设施：设施运行，整合数据与计算能力的运行，快速收集并应用完整的生物学系统数据的能力。 目标应用：开始目标模式系统分析，工程战略目标的理解，特定应用战略设定。 4 GTL计划第一阶段的目标 GTL第三阶段的将在科学、技术和应用工艺三方面进一步深入发展，并将其具体应用到各个领域。 科学基础：目标方案设计的知识整合，科学与技术发展与应用，科学创新与下一代概念发展。 技术，计算与设施：工程系统的设施应用、测试、评价、监控和鉴定，新功能与新概念的工程化。 目标应用：完整工程系统的设计与发展，工程系统试验与评价，下一代工程的发展。 （四）：GTL应用目标 美国于2002年提出的基因组到生命（Genomes to Life，GTL）计划目标是开展生命的分子机制及调控网络研究，在分子水平理解自然环境下微生物群体的功能特征、建立计算机模型理解复杂生物系统并预测其行为。在此基础上，2005年提出的GTL路线图对如何开展利用生物技术手段解决能源和环境问题进行了具体阐述。 1 GTL路线图的内容 GTL路线图是依据美国能源部的目标制定的。路线图战略整合了基因组、系统生物学、微生物、计算科学和主要机构目标，并对三个阶段中各个部分的计划制定了具体的时间表和逻辑构架。在对能源产出、环境修复和二氧化碳循环与吸收的具体目标中，路线图给出了生物科技可以支持的具体领域，以及实现这些目标所应应对的挑战。为实现这些目标，路线图给出了具体的研究计划和目标技术平台，以及相关的管理、培训、伦理和社会等问题的考虑。 GTL路线图的中心是整合的生物学计算平台。系统生物学的发展要求不断增加约束条件来缩小问题的解空间，解空间的缩小极大地帮助了分析、解释、甚至预测来自实验的结果。GTL路线图描述了模型、数据与数据分析、理论等相关内容，同时指出如何实现面向公众的应用和计算平台的建立，以形成GTL研究项目和实施的“中枢神经系统”。 此外，GTL路线图还指出了如何将不同机构进行有效管理，使其高水平、高通量、高效率、高质量、低成本地运行。 2 生物燃料方面的应用目标 GTL的科学计划与美国能源部的目标相统一，美国能源部研究在生物燃料方面的目标包括： （1）纤维素向燃料的转化，具体包括纤维素酶活性的认识与提高，糖利用与酒精发酵，以及流程的整合。 （2）太阳能向氢能燃料的微生物转化过程，具体包括光解循环生产，光合生物燃料系统的设计。 3 环境修复方面的应用目标 美国能源部研究在环境修复方面的目标包括以下： （1）利用微生物过程降低有毒金属含量，具体包括理解微生物－金属的相互作用，设计修复过程。 （2）地表微生物群落在污染物转移中的作用，具体包括理解污染物转移的结果与效应，支持修复过程。 4 二氧化碳循环与吸收 美国能源部研究在二氧化碳循环与吸收方面的目标包括： （1）海洋微生物群落在生物二氧化碳泵中的地位与作用，具体包括对C、N、P、O和S循环的认识，气候变化预测，二氧化碳吸收的影响评估； （2）陆地微生物群落在全球碳循环中的地位与作用，具体包括对C、N、P、O和S循环的认识，碳变化与气候变化预测，以及二氧化碳吸收的评估。 （五）：GTL科学路线图与系统生物学 上个世纪分子生物学的突破性成果成为生命科学的生长点，使生命科学在自然科学中的地位起了革命性的变化；蛋白质、酶、核酸等生物大分子的结构、功能和相互关系的揭示为研究生命现象的本质和活动规律奠定了理论基础。2005年，美国能源部公布了基因组到生命（Genomes to Life，GTL）计划的路线图，指出了将系统生物学应用于能源和环境问题的解决。 1 GTL的科学路线图 GTL的科学路线图包括： （1） 基因、蛋白、生物分子、生物途径和系统的描述，具体包括基因组研究与比较、新功能的自然系统基础研究、蛋白的生产与定位，以及生命过程相互作用和复合体的分析。 （2）功能与调节的理解，具体包括分子反应的计量、功能试验的实现。 （3） 机制预测模型的发展，具体包括实验设计、分子设计和操纵、细胞系统的利用。 （4） 群体及其潜在功能分析，具体包括基因组测序和比较，过程的自然系统筛选，以及蛋白生产和定位。 （5） 理解群落反应和调节，具体包括二氧化碳、营养和生物地球化学循环的比较、细胞和群体分子调查以及群体功能试验。 （6） 预测反应及影响，具体包括建立相互作用和预测模型、自然和人工过程的应用。 这些计划的目标产出是： （1） 系统工程，包括系统设计展开的战略、生命系统和细胞外系统以及鉴定分析。 （2） 强大的政策和工程科学基础，包括自然事件的模式生态系统反应以及介入战略的效率和影响分析。 2从基因组到生物体的系统生物学研究 传统生物学主要基于还原论的研究，通过实验的方法解决问题。然而，生物体是一个复杂系统，它不仅仅是基因与蛋白质的集合，系统特性也不能仅仅通过勾画其相互联系而获得完全理解。系统生物学则基于大量的数据采集与分析，利用软件工具、分析方法、以及新的科学思想分析等研究生物系统动态行为，充分理解其稳定性、鲁棒性背后的机制。 从基因组到生命(GTL)计划，跨越分子、细胞、组织器官、系统到生命，是真正体现生命科学从分析到综合、从还原论到整体研究变革的研究计划。在人类基因组计划基础上GTL计划正体现了这一特点，是新的研究规划。系统生物学在分子、细胞、组织、器官和生物体整体水平上研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用，并在基因组序列的基础上完成由生命密码到生命全过程的研究；从对生物体内各种分子的鉴别及其相互作用的研究，到对生物途径、分子网络、功能模块的研究，最终完成整个生命活动的路线图。GTL路线图的推出，则将这些具体计划应用到能源、环境问题的解决指出了具体道路，是将生物技术应用于人类所面临的资源、能源和环境瓶颈解决的范例。 生命复杂系统的最重要的特征不在于它非常复杂的个别组成成分，而在于组成成分之间的关系和这种关系形成的动力学，系统功能的综合要高于每一个子成份的分析。生命科学和生物技术的发展，是解决人类发展所面临的资源、能源、环境与健康等问题的有效途径。从GTL路线图的实施可以看出，通过系统生物学及其相关技术的发展，来实施这一目标，是生命科学和生物技术的发展方向。