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1、,,彭 群 生,浙江大學(xué)CAD&CG國家重點實驗室,2003年12月,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,生物分子幾何及圖形學(xué)研究,,背景基因及蛋白質(zhì)簡介蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖形描述研究目標(biāo)主要研究內(nèi)容研究特色總結(jié),計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,內(nèi) 容 提 要

2、,,隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字化浪潮席卷全球。,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,背 景,目前對宏觀世界的建模已經(jīng)得到了廣泛研究。,21世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)，人們的視野逐漸轉(zhuǎn)入構(gòu)成生命的微觀結(jié)構(gòu)以及它們之間的相互作用。,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State

3、 Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質(zhì)：人類健康長壽的希望,人體基因數(shù)目僅比低等生物線蟲多兩倍。如此少的基因是如何創(chuàng)造出人體如此復(fù)雜的生命活動的？,人體基因的主要功能是通過蛋白質(zhì)來實現(xiàn)的，蛋白質(zhì)扮演著構(gòu)筑生命大廈的主要角色。人體中大約有10萬種蛋白質(zhì)。,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Z

4、hejiang University,蛋白質(zhì)：人類健康長壽的希望,蛋白質(zhì)是生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有防御、調(diào)節(jié)、催化、收縮、儲存、運輸、運動、緩沖等多種生命功能。,如果蛋白質(zhì)不足、結(jié)構(gòu)有誤或缺損，其功能就會失調(diào)，人體就會生病。,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質(zhì)：藥物設(shè)計的鑰匙,近年來新型功能蛋白的不

5、斷發(fā)現(xiàn)，為人類征服癌癥、艾滋病、帕金森氏癥、老年癡呆癥、糖尿病等開辟了光明前景。 － 日本國立癌癥中心：乳鐵蛋白具有預(yù)防大腸癌發(fā)生與 擴(kuò)散的作用，計劃從牛奶中提取它并制成抗癌藥物。 － 上海藥物所等單位：完成SARS病毒的3個關(guān)鍵蛋白的表 達(dá)，并進(jìn)行了初步的驗證。其中一種蛋白已開始用于 抗SARS病毒藥物的體外篩選。 － ……,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 20

6、03年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,基 因,基因是一段DNA（脫氧核糖核酸分子）雙鏈。 － 堿基成對出現(xiàn): ---ATCGGCC--- ---TAGCCGG---,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG,

7、 Zhejiang University,基因表達(dá)中的信息流,中心法則（The Central Dogma）,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質(zhì)翻譯,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang Un

8、iversity,蛋白質(zhì)的組成,氨基酸是蛋白質(zhì)的單體。天然存在于蛋白質(zhì)中的氨基酸共有20種。氨基酸由肽鍵相連形成多肽鏈。,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質(zhì)折疊,折疊漏斗折疊時間極短,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&a

9、mp;CG, Zhejiang University,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次,一級結(jié)構(gòu) - 氨基酸序列二級結(jié)構(gòu) - 主要由氫鍵穩(wěn)固的局部構(gòu)象， 如?-helix, ?-sheet等三級結(jié)構(gòu) - 三維構(gòu)象四級結(jié)構(gòu) - 多個多肽鏈的組合,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋

10、白質(zhì)功能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,功能=運動著的結(jié)構(gòu)！,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質(zhì)的相互作用,生命由蛋白復(fù)合物納米機(jī)器運轉(zhuǎn)著…,Examples - 癌癥形成的重要機(jī)制之一 - 細(xì)菌的排藥性,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab

11、 of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質(zhì)的相互作用,癌癥形成的重要機(jī)制之一 - 轉(zhuǎn)錄因子的持續(xù)激活（P53）,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質(zhì)的相互作用,細(xì)菌的排藥性 - AcrA AcrB Tol C - 乙酰螺

12、 旋霉素 抗性,,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,計算機(jī)輔助藥物設(shè)計,充分認(rèn)識和徹底了解人和生物體內(nèi)活分子(living molecules)的運動規(guī)律，無疑是21世紀(jì)化學(xué)亟待解決的重大難題之一。 －徐光憲院士,,現(xiàn)有藥物 篩選模式

13、 - HTS: High Throughput Screening - 困難：無體內(nèi)活性,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,計算機(jī)輔助藥物設(shè)計,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&

14、amp;CG, Zhejiang University,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖形描述,線框表示,棍狀表示,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖形描述,球棍表示,CPK表示,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Z

15、hejiang University,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖形描述,帶狀表示,管片表示,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖形描述,分子表面 - 分子可視化 - 分子對接 - 基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計 - …,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會

16、 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,圖形描述的困難性,單分子描述 - 折疊運動過程高度復(fù)雜且在瞬間完成，很 難由實驗捕獲。 - 雖然有很多工作集中在預(yù)測蛋白質(zhì)折疊最 終結(jié)果，但預(yù)測準(zhǔn)確度并不高。,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CA

17、D&CG, Zhejiang University,圖形描述的困難性,多分子描述 - 對多分子的結(jié)構(gòu)信息缺乏有效描述。 - 蛋白質(zhì)相互作用過程異常復(fù)雜，目前的研 究仍建立在實驗和猜測的基礎(chǔ)上，缺乏有 效的計算機(jī)模型及預(yù)測機(jī)制。,,克服Docking計算的不足之處體內(nèi)活性的預(yù)測發(fā)現(xiàn)新的藥物作用機(jī)理,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key La

18、b of CAD&CG, Zhejiang University,計算機(jī)輔助藥物的新挑戰(zhàn),,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,現(xiàn) 狀,隨著分子生物學(xué)的深入發(fā)展，有關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的信息數(shù)據(jù)大量積累。,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key La

19、b of CAD&CG, Zhejiang University,研究目標(biāo),將現(xiàn)有的計算機(jī)建模理論和方法拓展到微觀世界。從微觀結(jié)構(gòu)上對復(fù)雜生命功能進(jìn)行剖析，揭示生命的奧秘。,,自然狀態(tài)下單蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)表征 多蛋白質(zhì)分子相互作用的計算機(jī)仿真 面向生物大分子的交互可視環(huán)境,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang Unive

20、rsity,主要研究內(nèi)容,,自然狀態(tài)下單蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)表征 - 基于實驗捕獲數(shù)據(jù)的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的三維重建 - 蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的幾何學(xué)、物理學(xué)模型 - 蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的多級幾何分解、重構(gòu)及分析 - 蛋白質(zhì)分子三維結(jié)構(gòu)內(nèi)在特征的識別和抽取 - 蛋白質(zhì)分子三維幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速預(yù)測 - 蛋白質(zhì)分子的亞結(jié)構(gòu)單元之間的物理、電磁及化學(xué)作用 的模擬 - 蛋白質(zhì)分子折疊過程

21、的動態(tài)仿真,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,主要研究內(nèi)容,,蛋白質(zhì)分子間相互作用的計算機(jī)仿真 - 蛋白質(zhì)相互作用的建模、求解與仿真 - 針對多蛋白質(zhì)分子相互作用仿真的并行算法 - 蛋白質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的CAD設(shè)計及定制 - 蛋白質(zhì)分子與小分子的對接算法 - 生物傳輸途徑

22、（Biology pathway）的建模、求解及仿真 - 計算機(jī)輔助藥物分子設(shè)計,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,主要研究內(nèi)容,,面向生物大分子的交互可視環(huán)境 - 生物大分子復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的實時顯示 - 生物大分子結(jié)構(gòu)及屬性的實時分析和交互可視化 - 適合生物學(xué)家深入探索的用

23、戶交互界面 - 具自主知識產(chǎn)權(quán)的、面向生物大分子的交互可視、 分析軟件,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,主要研究內(nèi)容,,普通生物學(xué)強(qiáng)調(diào)蛋白質(zhì)相互作用的現(xiàn)象及功能信息，對作用方式、作用部位不能清晰揭示。,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Ke

24、y Lab of CAD&CG, Zhejiang University,研 究 特 色,結(jié)構(gòu)生物學(xué)強(qiáng)調(diào)能量信息（化學(xué)鍵和電子云），目前僅限于單分子或雙分子。,,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,研 究 特 色,基因組學(xué)的研究偏重于基因組 序列的比對、分析和解釋，一般采用基于統(tǒng)計的方法。,,計算機(jī)科

25、學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,研 究 特 色,以計算機(jī)為輔助工具，通過對蛋白質(zhì)分子靜態(tài)和動態(tài)的幾何及拓?fù)湫畔⒌谋碚鳎箤ξ⒂^結(jié)構(gòu)的探測、分析過程達(dá)到可視化、精確化、可預(yù)測化。,,20世紀(jì)生物學(xué)最宏偉的計劃“人類基因組作圖與測序”已近于完成。生命科學(xué)的研究正步入嶄新的蛋白質(zhì)組學(xué)時代。,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研

26、討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,總 結(jié),,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,總 結(jié),生物分子幾何及圖形學(xué)研究對進(jìn)一步揭示生物分子結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，加深對生命本質(zhì)的認(rèn)識，從而發(fā)現(xiàn)疾病診斷和治療的

27、“鑰匙”具有重要的意義。,,從科學(xué)重大需求來講，是利用計算機(jī)探測微觀世界所必需。,計算機(jī)科學(xué)面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University,總 結(jié),從現(xiàn)實世界實際需求來講，與人類健康及疾病預(yù)防、治療密不可分。,,NSFC研討會 廈門 2003年12月26~28日,State Key Lab of CAD&CG, Zhej