电子细胞.ppt

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1、电子细胞（E-cell)什么是电子细胞什么是电子细胞电子细胞（电子细胞（E-cell）即虚拟细胞（）即虚拟细胞（virtual cell)是在计算机上模拟真实细胞的结构、物质组成、生命活是在计算机上模拟真实细胞的结构、物质组成、生命活动的动力学行为和生命现象，用虚拟现实的方式实现友好人动的动力学行为和生命现象，用虚拟现实的方式实现友好人机交互，以便研究者构造细胞结构和其内外部环境物质组成，机交互，以便研究者构造细胞结构和其内外部环境物质组成，考察、记录细胞实验现象和功能，再现细胞生命活动和发现考察、记录细胞实验现象和功能，再现细胞生命活动和发现新的生物学现象规律。新的生物学现象规律。电子细胞亦

2、称人工细胞，是人工生命的重要基础部分。电子细胞亦称人工细胞，是人工生命的重要基础部分。电子细胞产生的背景电子细胞产生的背景20世纪末期，人类和许多模式生物基因组计划世纪末期，人类和许多模式生物基因组计划的完成引来了以基因功能研究为目的的的完成引来了以基因功能研究为目的的后基后基因组时代因组时代。后基因组时代一个重要的研究目的是在整体水后基因组时代一个重要的研究目的是在整体水平上利用系统思维来研究生命现象。平上利用系统思维来研究生命现象。这标志这标志着生物学研究的一个新时代着生物学研究的一个新时代“系统生物学系统生物学”时代时代”的到来。的到来。电子细胞是系统生物学的重要部分电子细胞是系统生物学

3、的重要部分 实验研究、数学建模和计算机模拟是进实验研究、数学建模和计算机模拟是进行系统生物学研究必不可少的工具。行系统生物学研究必不可少的工具。应用信息科学的原理和技术，应用信息科学的原理和技术，通过数学通过数学计算和分析，对细胞的结构和功能进行分析、计算和分析，对细胞的结构和功能进行分析、整合，可以将整个细胞系统在分子水平上建整合，可以将整个细胞系统在分子水平上建立模型，并通过计算机加以模拟，立模型，并通过计算机加以模拟，以研究细以研究细胞和生命现象。胞和生命现象。这就是电子细胞技术。这就是电子细胞技术。电子细胞系统结构电子细胞系统结构已构建的电子细胞已构建的电子细胞目前构建的电子细胞主要有

4、：目前构建的电子细胞主要有：E-cell V-CELL GENESSI GEPASI http:/www.gepasi.org/JARNAC http:/members.tripod.co.uk/sauro/biotech.htmDBSOLVE http:/ http:/www.lbl.gov/aparkin/M-Cell http:/www.mcell.psc.edu/StochSim http:/www.zoo.cam.ac.uk/comp-cell/StochSim.html 等。等。这些虚拟细胞或者说细胞仿真系统都试图采用信息技术的方法来研究细胞这些虚拟细胞或者说细胞仿真系统都试图采用

5、信息技术的方法来研究细胞生物学中一个或多个内容。譬如说生物学中一个或多个内容。譬如说E-cell(Masaru Tomita，Keio University，Japan)就主要针对细胞核、染色体以及基因表达的研究。就主要针对细胞核、染色体以及基因表达的研究。V-CELL则结合细胞则结合细胞结构在结构在Ca2+、RNA扩散等方面进行了模拟。扩散等方面进行了模拟。Genessi则针对细胞膜与跨膜信号则针对细胞膜与跨膜信号传导。传导。最早的电子细胞模型最早的电子细胞模型E-cell 日本日本keio(庆应）大学庆应）大学Masaru Tomita领导的研究组以原领导的研究组以原核细胞生物生殖支原体（

6、核细胞生物生殖支原体（M.genitalium）为对象，在为对象，在1997年实现了世界上第一个虚拟电子细胞年实现了世界上第一个虚拟电子细胞 该模型选取了该模型选取了127个与代谢过程相关的基因，对细胞内个与代谢过程相关的基因，对细胞内与代谢过程密切相关的物质与能量活动过程建立了数学模型，与代谢过程密切相关的物质与能量活动过程建立了数学模型，采用面向对象方法实现计算机模拟。采用面向对象方法实现计算机模拟。该模型不仅可以模拟代谢途径，亦可模拟蛋白质合成该模型不仅可以模拟代谢途径，亦可模拟蛋白质合成与信号转导。现用与信号转导。现用C+编写的可下载版本已经是编写的可下载版本已经是3.0。为何选择为何

7、选择M.genitalium？the smallest genome(580 kb)the smallest number of genes(480)of all living organisms currently known and its genomic sequences have been published(see http:/www.tigr.org/).and thus is an ideal candidate for wholE-cell modeling.The ssc model美国虚拟真核细胞模型美国虚拟真核细胞模型 V-cell 1999年美国学者年美国学者Jame

8、s Schaff和和Leslie Loew建立真核细胞建立真核细胞钙转运的模型钙转运的模型 Virtual cell。注：。注：NRCAM（National Resource for Cell Analysis and Modelling)项目项目 美国的虚拟细胞以美国的虚拟细胞以真核细胞为虚拟对象真核细胞为虚拟对象。主要由。主要由客户端客户端(用用户界面户界面)、数据库和服务器、数据库和服务器(细胞的建模细胞的建模)三部分组成三部分组成。利用该虚拟。利用该虚拟细胞可以完成神经母细胞瘤的钙动力学、受精卵细胞的钙离子流、细胞可以完成神经母细胞瘤的钙动力学、受精卵细胞的钙离子流、RNA 的转运、线

9、粒体的作用和细胞核膜的作用等一系列关于真核的转运、线粒体的作用和细胞核膜的作用等一系列关于真核细胞的生物学活动和功能。细胞的生物学活动和功能。实验过程：首先由用户通过客户端向服务器实验过程：首先由用户通过客户端向服务器提交实验提交实验“说明说明书书”实验的要求和涉及的物质与反应等。实验的要求和涉及的物质与反应等。服务器服务器根据用户根据用户对实验的定义以及实验细胞的模型从后台数据库中提取数据并应对实验的定义以及实验细胞的模型从后台数据库中提取数据并应用服务器上的软件和分析系统用服务器上的软件和分析系统进行分析和处理，进行分析和处理，完成虚拟实验。完成虚拟实验。最终的实验结果以类似生物学实际实验

10、结果的形式包括图象、表最终的实验结果以类似生物学实际实验结果的形式包括图象、表格返回给用户。格返回给用户。现在，这种虚拟细胞已经在网上发布。现在，这种虚拟细胞已经在网上发布。V-cell 与与 E-cell 的不同的不同以真核细胞为研究基础以真核细胞为研究基础通过通过2-D 和和3-D影像可以对细胞进行结构学和影像可以对细胞进行结构学和形态学研究形态学研究Java Applet 界面运行于服务器界面运行于服务器在整个实验过程中。实验者可以自由控制在整个实验过程中。实验者可以自由控制 实验过程和各种参数。实验过程和各种参数。About v-cell and its database新一代电子细胞

11、模型新一代电子细胞模型 cyber-cell美国美国 Indiana 的的peter Ortoleva 等人开发等人开发特点：可模拟活细胞对外界反应、物质运输及特点：可模拟活细胞对外界反应、物质运输及基因组变化。使用户不仅可获得虚拟细胞实基因组变化。使用户不仅可获得虚拟细胞实验的计算值，还可获得一个验的计算值，还可获得一个可视化可视化的，含有的，含有丰富信息的细胞活动影像。丰富信息的细胞活动影像。其他虚拟细胞类型其他虚拟细胞类型2002年年3月，美国加州大学戴维斯分校月，美国加州大学戴维斯分校Mogilner等人对猪蛔虫精子细胞的游动情况等人对猪蛔虫精子细胞的游动情况进行分析后，设计出了一个进

12、行分析后，设计出了一个“虚拟细胞虚拟细胞”模模型。类似的模型将为研究细胞的运动机制提型。类似的模型将为研究细胞的运动机制提供新的工具。该成果发表于供新的工具。该成果发表于Journal of Cell Science Gaussian98模拟生物大分子相互作用的卓越模拟生物大分子相互作用的卓越能力能力 E-cell 特点1、系统性系统性:虚拟细胞运用了现代系统论的观点，不仅仅包括虚拟细胞运用了现代系统论的观点，不仅仅包括一些单一的细胞事件和过程，而是从整体的角度为细胞描绘一些单一的细胞事件和过程，而是从整体的角度为细胞描绘一幅全图。一幅全图。2、模拟性模拟性:虚拟细胞采用了计算机模拟技术，虚拟

13、细胞采用了计算机模拟技术，通过建立模通过建立模型来描绘真实细胞的生长代谢过程，这给细胞研究者带来了型来描绘真实细胞的生长代谢过程，这给细胞研究者带来了很大方便。很大方便。3、直观性直观性:虚拟细胞能把每个时刻特定位置上特定物质的变虚拟细胞能把每个时刻特定位置上特定物质的变化，通过画面和数字报告给研究者，具有很强的直观性。化，通过画面和数字报告给研究者，具有很强的直观性。4、学科交叉性学科交叉性:虚拟细胞是一个多学科交叉的技术领域。虚拟细胞是一个多学科交叉的技术领域。除了充分利用现代细胞分子生物学的广泛基础和庞杂的实验除了充分利用现代细胞分子生物学的广泛基础和庞杂的实验研究成果以外，研究成果以外

14、，还必须依赖于数学和信息科学的最新成果。还必须依赖于数学和信息科学的最新成果。虚拟细胞的研究不仅可以推动整个生命科学的发展，虚拟细胞的研究不仅可以推动整个生命科学的发展，也将也将促进其他学科的发展。促进其他学科的发展。E-cell 构建过程构建过程1、选择建模对象选择建模对象。这需要生物领域专家选择细胞的种类、所要模拟的。这需要生物领域专家选择细胞的种类、所要模拟的功能和细胞内的生物化学反应等功能和细胞内的生物化学反应等2、建立相关数据库建立相关数据库。这一步是构建虚拟细胞的准备工作，主要任务是。这一步是构建虚拟细胞的准备工作，主要任务是搜集大量的尽可能全面的相关数据，并进行分类整理、建立数据

15、库。一搜集大量的尽可能全面的相关数据，并进行分类整理、建立数据库。一般以蛋白质为核心构建相关数据库。最完备的数据库是日本科学家建立般以蛋白质为核心构建相关数据库。最完备的数据库是日本科学家建立的京都基因和基因组百科全书的京都基因和基因组百科全书(KEGG)。KEGG包括一系列免费的网上包括一系列免费的网上数据库，建于数据库，建于1995年年5月，由日本政府资助。月，由日本政府资助。3、建立模型建立模型:这是构建虚拟细胞的重要步骤。这一步的主要任务是通过这是构建虚拟细胞的重要步骤。这一步的主要任务是通过数学计算，将生物反应过程实现数字化模拟，并运用信息科学的理论建数学计算，将生物反应过程实现数字

16、化模拟，并运用信息科学的理论建立虚拟细胞的模型。立虚拟细胞的模型。4、模型的实现模型的实现:该阶段的任务是通过编程来实现细胞模型的计算机模拟。该阶段的任务是通过编程来实现细胞模型的计算机模拟。5、测试和维护测试和维护:目前所构建的虚拟细胞主要由控制界面，存储、分析和目前所构建的虚拟细胞主要由控制界面，存储、分析和控制系统，计算系统和反应界面控制系统，计算系统和反应界面4部分组成。部分组成。E-cell 研究意义研究意义医疗医疗:用于病变的早期预防、病变的诊断、疾病的治疗模拟、用于病变的早期预防、病变的诊断、疾病的治疗模拟、保健、新药物的实验和发明等保健、新药物的实验和发明等教育教育:电子细胞以其生动和可视化的表现形式可以改变传统电子细胞以其生动和可视化的表现形式可以改变传统医学生物学教学模式。部分代替和辅助传统医学生物学实验医学生物学教学模式。部分代替和辅助传统医学生物学实验和教学和教学科学研究科学研究:采用电子细胞可代替或辅助真实细胞进行各种科采用电子细胞可代替或辅助真实细胞进行各种科学研究学研究.可实现实际实验中很难实现的条件，发现一些在真可实现实际实验中很难实现的条件，发现一些在