生物分子几何及图形学研究

浙江大学CAD&CG国家重点实验室2003年12月计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日生物分子几何及图形学研究•背景•基因及蛋白质简介•蛋白质结构的图形描述•研究目标•主要研究内容•研究特色•总结计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity内容提要•随着信息技术的高速发展，数字化浪潮席卷全球。计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity背景•目前对宏观世界的建模已经得到了广泛研究。•21世纪是生命科学的世纪，人们的视野逐渐转入构成生命的微观结构以及它们之间的相互作用。计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity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。如此少的基因是如何创造出人体如此复杂的生命活动的？•人体基因的主要功能是通过蛋白质来实现的，蛋白质扮演着构筑生命大厦的主要角色。人体中大约有10万种蛋白质。计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity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、调节、催化、收缩、储存、运输、运动、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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity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。－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。－上海药物所等单位：完成SARS病毒的3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抗SARS病毒药物的体外筛选。－……计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity基因•基因是一段DNA（脱氧核糖核酸分子）双链。－碱基成对出现:---ATCGGCC------TAGCCGG---计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity基因表达中的信息流•中心法则（TheCentralDogma）计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity蛋白质的组成•氨基酸是蛋白质的单体。天然存在于蛋白质中的氨基酸共有20种。氨基酸由肽键相连形成多肽链。计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity蛋白质折叠•折叠漏斗•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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity蛋白质结构的层次•一级结构-氨基酸序列•二级结构-主要由氢键稳固的局部构象，如-helix,-sheet等•三级结构-三维构象•四级结构-多个多肽链的组合计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity蛋白质功能与结构的关系功能=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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity蛋白质的相互作用•生命由蛋白复合物纳米机器运转着…•Examples-癌症形成的重要机制之一-细菌的排药性计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity蛋白质的相互作用癌症形成的重要机制之一-转录因子的持续激活（P53）计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity蛋白质的相互作用•细菌的排药性-AcrAAcrBTolC-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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity计算机辅助药物设计充分认识和彻底了解人和生物体内活分子(livingmolecules)的运动规律，无疑是21世纪化学亟待解决的重大难题之一。－徐光宪院士•现有药物筛选模式-HTS:HighThroughputScreening-困难：无体内活性计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity计算机辅助药物设计化合物库HTSHTSDATAvHTSNewDrugs计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity蛋白质结构的图形描述•线框表示•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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity蛋白质结构的图形描述•球棍表示•CPK表示计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity蛋白质结构的图形描述•带状表示•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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity蛋白质结构的图形描述•分子表面-分子可视化-分子对接-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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity图形描述的困难性•单分子描述-折叠运动过程高度复杂且在瞬间完成，很难由实验捕获。-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。计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity图形描述的困难性•多分子描述-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，目前的研究仍建立在实验和猜测的基础上，缺乏有效的计算机模型及预测机制。•克服Docking计算的不足之处•体内活性的预测•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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity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门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity现状急需对这些数据进行分析和综合，构建起可全面揭示蛋白质本质的结构功能模型。需要基于已知的分子结构功能，推演和预测未知的分子结构和功能，并在此基础上，实现蛋白质复合结构的CAD设计和定制。随着分子生物学的深入发展，有关蛋白质结构功能的信息数据大量积累。计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity研究目标•将现有的计算机建模理论和方法拓展到微观世界。•从微观结构上对复杂生命功能进行剖析，揭示生命的奥秘。•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•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门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity主要研究内容•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-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-蛋白质分子的亚结构单元之间的物理、电磁及化学作用的模拟-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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity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-蛋白质复合结构的CAD设计及定制-蛋白质分子与小分子的对接算法-生物传输途径（Biologypathway）的建模、求解及仿真-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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity主要研究内容•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-具自主知识产权的、面向生物大分子的交互可视、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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity主要研究内容•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、作用部位不能清晰揭示。计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity研究特色•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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity研究特色•基因组学的研究偏重于基因组序列的比对、分析和解释，一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26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity研究特色•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表征，使对微观结构的探测、分析过程达到可视化、精确化、可预测化。•20世纪生物学最宏伟的计划“人类基因组作图与测序”已近于完成。•生命科学的研究正步入崭新的蛋白质组学时代。计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity总结计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity总结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关系，加深对生命本质的认识，从而发现疾病诊断和治疗的“钥匙”具有重要的意义。•从科学重大需求来讲，是利用计算机探测微观世界所必需。计算机科学面临的挑战高层研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity总结•从现实世界实际需求来讲，与人类健康及疾病预防、治疗密不可分。NSFC研讨会厦门2003年12月26~28日StateKeyLabofCAD&CG,ZhejiangUniversity谢谢大家