1、浙江大学浙江大学CAD&CGCAD&CG国家重点实验室国家重点实验室20032003年年1212月月计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日生物分子几何及图形学研究生物分子几何及图形学研究 背景背景 基因及蛋白质简介基因及蛋白质简介 蛋白质结构的图形描述蛋白质结构的图形描述 研究目标研究目标 主要研究内容主要研究内容 研究特色研究特色 总结总结计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University内内 容容 提提 要要 随着信息技术的高速发展，数字化浪潮席随着信息技术的高速发
2、展，数字化浪潮席卷全球。卷全球。计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University背背 景景 目前对宏观世界的建模已经得到了广泛研目前对宏观世界的建模已经得到了广泛研究。究。2121世纪是生命科学的世纪，世纪是生命科学的世纪，人们的视野逐人们的视野逐渐转入构成生命的微观结构以及它们之间渐转入构成生命的微观结构以及它们之间的相互作用。的相互作用。计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白
3、质：人类健康长寿的希望蛋白质：人类健康长寿的希望 人体基因数目仅比低等生物线虫多两倍。人体基因数目仅比低等生物线虫多两倍。如此少的基因是如何创造出人体如此复杂如此少的基因是如何创造出人体如此复杂的生命活动的？的生命活动的？人体基因的主要功能是通过蛋白质来实现人体基因的主要功能是通过蛋白质来实现的，的，蛋白质扮演着构筑生命大厦的主要角蛋白质扮演着构筑生命大厦的主要角色。色。人体中大约有人体中大约有1010万种蛋白质。万种蛋白质。计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质：人类健康长寿
4、的希望蛋白质：人类健康长寿的希望 蛋白质是生命活动的物质基础，具有防御、蛋白质是生命活动的物质基础，具有防御、调节、催化、收缩、储存、运输、运动、调节、催化、收缩、储存、运输、运动、缓冲等多种生命功能。缓冲等多种生命功能。如果蛋白质不足、结构有误或缺损，其功如果蛋白质不足、结构有误或缺损，其功能就会失调，人体就会生病。能就会失调，人体就会生病。计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质：药物设计的钥匙蛋白质：药物设计的钥匙 近年来新型功能蛋白的不断发现，为人类近年来新型功能蛋白的不
5、断发现，为人类征服癌症、艾滋病、帕金森氏症、老年痴征服癌症、艾滋病、帕金森氏症、老年痴呆症、糖尿病等开辟了光明前景。呆症、糖尿病等开辟了光明前景。日本国立癌症中心：乳铁蛋白具有预防大肠癌发生与日本国立癌症中心：乳铁蛋白具有预防大肠癌发生与 扩散的作用，计划从牛奶中提取它并制成抗癌药物。扩散的作用，计划从牛奶中提取它并制成抗癌药物。上海药物所等单位：完成上海药物所等单位：完成SARSSARS病毒的病毒的3 3个关键蛋白的表个关键蛋白的表 达，并进行了初步的验证。其中一种蛋白已开始用于达，并进行了初步的验证。其中一种蛋白已开始用于 抗抗SARSSARS病毒药物的体外筛选。病毒药物的体外筛选。计算机
6、科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University基基 因因 基因是一段基因是一段DNADNA（脱氧核糖核酸分子脱氧核糖核酸分子）双链。双链。碱基成对出现碱基成对出现:-:-ATCGGCC-ATCGGCC-TAGCCGG-TAGCCGG-计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University基因表达中的信息流基因表达中的信息流 中心中心法则（法则（The The C Centralentral D Dogm
7、aogma）计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质翻译蛋白质翻译计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质的组成蛋白质的组成氨基酸是蛋白氨基酸是蛋白质的单体。天质的单体。天然存在于蛋白然存在于蛋白质中的氨基酸质中的氨基酸共有共有20种。氨种。氨基酸由肽键相基酸由肽键相连形成多肽链。连形成多肽链。计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日Stat
8、e Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质折叠蛋白质折叠 折叠漏斗折叠漏斗 折叠时间极短折叠时间极短计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质结构的层次蛋白质结构的层次一级结构一级结构 -氨基酸序列氨基酸序列二级结构二级结构 -主要由氢键稳固的局部构象，主要由氢键稳固的局部构象，如如-helix,-helix,-sheet-sheet等等三级结构三级结构 -三维构象三维构象四级结构四级结构 -多个多肽链的组合多个多肽链的组合计算机科学面临的
9、挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质功能与结构的关系蛋白质功能与结构的关系功能功能=运动着的结构运动着的结构！计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用 生命由蛋白复合物纳米机器运转着生命由蛋白复合物纳米机器运转着 ExamplesExamples -癌症形成的重要机制之一癌症形成的重要机制之一 -细菌的排药性细菌的排药性计算机科学面临的挑战高层研讨会
10、厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用癌症形成的重要机制之一癌症形成的重要机制之一 -转录因子的持续激活（转录因子的持续激活（P53P53）计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质的相互作用蛋白质的相互作用 细菌的排药性细菌的排药性 -AcrA AcrB Tol C -乙酰螺 旋霉素 抗性 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Ke
11、y Lab of CAD&CG,Zhejiang University计算机辅助药物设计计算机辅助药物设计充分认识和彻底了解人和充分认识和彻底了解人和生物体内活分子生物体内活分子(livingliving molecules)molecules)的运动规律，的运动规律，无疑是无疑是2121世纪化学亟待解世纪化学亟待解决的重大难题之一。决的重大难题之一。徐光宪院士 现有药物现有药物 筛选模式筛选模式 -HTS:HTS:High High Throughput Throughput Screening Screening -困难：无体内活性困难：无体内活性计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 20
12、03年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University计算机辅助药物设计计算机辅助药物设计计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质结构的图形描述蛋白质结构的图形描述 线框表示线框表示 棍状表示棍状表示计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质结构的图形描述蛋白质结构的图形描述 球棍表示球棍表示 CPKCPK表示表示
13、计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质结构的图形描述蛋白质结构的图形描述 带状表示带状表示 管片表示管片表示计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University蛋白质结构的图形描述蛋白质结构的图形描述分子表面分子表面 -分子可视化分子可视化 -分子对接分子对接 -基于结构的药物设计基于结构的药物设计 -计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Ke
14、y Lab of CAD&CG,Zhejiang University图形描述的困难性图形描述的困难性 单分子描述单分子描述 -折叠运动过程高度复杂且在瞬间完成，很折叠运动过程高度复杂且在瞬间完成，很 难由实验捕获。难由实验捕获。-虽然有很多工作集中在预测蛋白质折叠最虽然有很多工作集中在预测蛋白质折叠最 终结果，但预测准确度并不高。终结果，但预测准确度并不高。计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University图形描述的困难性图形描述的困难性 多分子描述多分子描述 -对多分子的结构信息缺乏有效描述
15、。对多分子的结构信息缺乏有效描述。-蛋白质相互作用过程异常复杂，目前的研蛋白质相互作用过程异常复杂，目前的研 究仍建立在实验和猜测的基础上，究仍建立在实验和猜测的基础上，缺乏有缺乏有 效的计算机模型及预测机制。效的计算机模型及预测机制。克服克服DockingDocking计算的不足之处计算的不足之处 体内活性的预测体内活性的预测 发现新的药物作用机理发现新的药物作用机理计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University计算机辅助药物的新挑战计算机辅助药物的新挑战计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦
16、门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University现现 状状急需对这些数据进行分急需对这些数据进行分析和综合，构建起可全析和综合，构建起可全面揭示面揭示蛋白质蛋白质本质的结本质的结构功能模型。构功能模型。需要基于已知的分子结需要基于已知的分子结构功能，推演和预测未构功能，推演和预测未知的分子结构和功能，知的分子结构和功能，并在此基础上，实现蛋并在此基础上，实现蛋白质复合结构的白质复合结构的CADCAD设设计和定制。计和定制。随着分子生物随着分子生物学的深入发展，学的深入发展，有关有关蛋白质蛋白质结结构功能的信息构功能的信息数据大
17、量积累。数据大量积累。计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University研究目标研究目标 将现有的计算机建模理论和方法拓将现有的计算机建模理论和方法拓展到微观世界。展到微观世界。从微观结构上对复杂生命功能进行从微观结构上对复杂生命功能进行剖析，揭示生命的奥秘。剖析，揭示生命的奥秘。自然状态下单蛋白质分子结构表征自然状态下单蛋白质分子结构表征 多蛋白质分子相互作用的计算机仿真多蛋白质分子相互作用的计算机仿真 面向生物大分子的交互可视环境面向生物大分子的交互可视环境计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦
18、门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University主要研究内容主要研究内容 自然状态下单蛋白质分子结构表征自然状态下单蛋白质分子结构表征 -基于实验捕获数据的蛋白质分子结构的三维重建基于实验捕获数据的蛋白质分子结构的三维重建 -蛋白质分子空间结构的几何学、物理学模型蛋白质分子空间结构的几何学、物理学模型 -蛋白质分子结构的多级几何分解、重构及分析蛋白质分子结构的多级几何分解、重构及分析 -蛋白质分子三维结构内在特征的识别和抽取蛋白质分子三维结构内在特征的识别和抽取 -蛋白质分子三维几何和拓扑结构的快速预测蛋白质分子三维几何和拓扑
19、结构的快速预测 -蛋白质分子的亚结构单元之间的物理、电磁及化学作用蛋白质分子的亚结构单元之间的物理、电磁及化学作用 的模拟的模拟 -蛋白质分子折叠过程的动态仿真蛋白质分子折叠过程的动态仿真 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University主要研究内容主要研究内容 蛋白质分子间相互作用的计算机仿真蛋白质分子间相互作用的计算机仿真 -蛋白质相互作用的建模、求解与仿真蛋白质相互作用的建模、求解与仿真 -针对多蛋白质分子相互作用仿真的并行算法针对多蛋白质分子相互作用仿真的并行算法 -蛋白质复合结构的蛋
20、白质复合结构的CADCAD设计及定制设计及定制 -蛋白质分子与小分子的对接算法蛋白质分子与小分子的对接算法 -生物传输途径（生物传输途径（Biology pathwayBiology pathway）的建模、求解及仿真的建模、求解及仿真 -计算机辅助药物分子设计计算机辅助药物分子设计计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University主要研究内容主要研究内容 面向生物大分子的交互可视环境面向生物大分子的交互可视环境 -生物大分子复杂三维结构的实时显示生物大分子复杂三维结构的实时显示 -生物大分子结
21、构及属性的实时分析和交互可视化生物大分子结构及属性的实时分析和交互可视化 -适合生物学家深入探索的用户交互界面适合生物学家深入探索的用户交互界面 -具自主知识产权的、面向生物大分子的交互可视、具自主知识产权的、面向生物大分子的交互可视、分析软件分析软件 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University主要研究内容主要研究内容 普通生物学强调蛋白质相互作用普通生物学强调蛋白质相互作用的现象及功能信息，对作用方式、的现象及功能信息，对作用方式、作用部位不能清晰揭示作用部位不能清晰揭示。计算机科学面
22、临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University研研 究究 特特 色色 结构生物学强调能量信息（化学结构生物学强调能量信息（化学键和电子云），目前仅限于单分键和电子云），目前仅限于单分子或双分子。子或双分子。计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University研研 究究 特特 色色 基因组学的研究偏重于基因组基因组学的研究偏重于基因组 序列的比对、分析和解释，一序列的比对、分析和解释，一般采用基于统计的方法。
23、般采用基于统计的方法。计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University研研 究究 特特 色色 以计算机为辅助工具，通过对蛋白质以计算机为辅助工具，通过对蛋白质分子静态和动态的几何及拓扑信息的分子静态和动态的几何及拓扑信息的表征，使对微观结构的探测、分析过表征，使对微观结构的探测、分析过程达到程达到可视化、精确化、可预测化可视化、精确化、可预测化。2020世纪生物学最宏伟的计划世纪生物学最宏伟的计划“人人类基因组作图与测序类基因组作图与测序”已近于完已近于完成。成。生命科学的研究正步入崭新的生命
24、科学的研究正步入崭新的蛋蛋白质组学白质组学时代。时代。计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University总总 结结计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University总总 结结 生物分子几何及图形学研究对进生物分子几何及图形学研究对进一步揭示生物分子结构与功能之间的一步揭示生物分子结构与功能之间的关系，加深对生命本质的认识，从而关系，加深对生命本质的认识，从而发现疾病诊断和治疗的发现疾病诊断和治疗的“钥匙钥匙”具有具有重要的意义。重要的意义。从科学重大需求来讲，是利用从科学重大需求来讲，是利用计算机探测微观世界所必需。计算机探测微观世界所必需。计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University总总 结结 从现实世界实际需求来讲，与从现实世界实际需求来讲，与人类健康及疾病预防、治疗密人类健康及疾病预防、治疗密不可分。不可分。NSFC研讨会 厦门 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University谢谢大家！
