求有关E cell的介绍与详细情况

分类: 理工学科
解析:

电子细胞(E-cell)

报告类型:Seminar I

报告人:高明波

题目组:1812— 海洋生物产品工程组
导 师:张 卫 研究员

日 期:2005-05-17

什么是电子细胞

电子细胞(E-cell)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,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

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

20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后基因组时代

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 这标志着生物学研究的一个新时代-"系统生物学"时代"的到来

电子细胞是系统生物学的重要部分

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

应用信息科学的原理和技术, 通过数学计算和分析,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立模型,并通过计算机加以模拟, 以研究细胞和生命现象 这就是电子细胞技术

电子细胞系统结构

已构建的电子细胞

目前构建的电子细胞主要有:

E-cell ――

V-CELL ――

GENESSI ――

GEPASI gepasi/

JARNAC memberstripodcouk/sauro/biotech

DBSOLVE websitesntl/~igorgoryanin/

BioSpice lblgov/~aparkin/

M-Cell mcellpscedu/

StochSim zoocamacuk/p-cell/StochSim

…… 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V-CELL则结合细胞结构在Ca2+,RNA扩散等方面进行了模拟Genessi则针对细胞膜与跨膜信号传导

最早的电子细胞模型—E-cell

日本keio(庆应)大学Masaru Tomita领导的研究组以原核细胞生物生殖支原体( M genitalium)为对象,在1997年实现了世界上第一个虚拟电子细胞

该模型选取了127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,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与信号转导现用C++编写的可下载版本已经是30

为何选择M genitalium

the allest genome (580 kb)

the allest number of genes (~480) of all living ani s currently known

and its genomic sequences have been published (see tigr/)

and thus is an ideal candidate for wholE-cell modeling

The ssc model

美国虚拟真核细胞模型— V-cell

1999年美国学者James Schaff和Leslie Loew建立真核细胞钙转运的模型 Virtual cell 注: NRCAM (National Resource for Cell Analysis and Modelling)项目

美国的虚拟细胞以真核细胞为虚拟对象主要由客户端(用户界面) ,数据库和服务器(细胞的建模) 三部分组成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,RNA 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

实验过程:首先由用户通过客户端向服务器提交实验"说明书"———实验的要求和涉及的物质与反应等服务器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用服务器上的软件和分析系统进行分析和处理,完成虚拟实验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

现在,这种虚拟细胞已经在网上发布

V-cell 与 E-cell 的不同

以真核细胞为研究基础

通过2-D 和3-D影像可以对细胞进行结构学和形态学研究

Java Applet 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

实验过程和各种参数

About v-cell and its database

新一代电子细胞模型— cyber-cell

美国 Indiana 的peter Ortoleva 等人开发

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验的计算值,还可获得一个可视化的,含有丰富信息的细胞活动影像

其他虚拟细胞类型

2002年3月,美国加州大学戴维斯分校Mogilner等人对猪蛔虫 细胞的游动情况进行分析后,设计出了一个"虚拟细胞"模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Journal of Cell Science

Gaussian98模拟生物大分子相互作用的卓越能力

E-cell 特点

1,系统性: 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幅全图

2,模拟性: 虚拟细胞采用了计算机模拟技术, 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很大方便

3,直观性: 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

4,学科交叉性: 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研究成果以外, 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, 也将促进其他学科的发展

E-cell 构建过程

1,选择建模对象这需要生物领域专家选择细胞的种类,所要模拟的功能和细胞内的生物化学反应等

2,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数据库,建于1995年5月,由日本 资助

3,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立虚拟细胞的模型

4,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

5,测试和维护: 目前所构建的虚拟细胞主要由控制界面,存储,分析和控制系统,计算系统和反应界面4部分组成

E-cell 研究意义

医疗: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

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

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学研究 可实现实际实验中很难实现的条件,发现一些在真实细胞实验很难观察到的现象和规律电子细胞亦可谓是芯片上的生物实验室或研究所

社会生活:电子细胞是一个多能的仿生环境,应用电子细

胞可以观察环境因素对人体的影响及其作用途径,提出防治

措施

电子细胞的研究现状

目前, 许多细胞代谢的整体模型已开发出来大部分基于静止状态细胞的静态模型已用于精细的代谢分析包括大量代谢反应的动态模型也已开发 如大肠杆菌的碳代谢模型,糖酵解模型,大肠杆菌苏氨酸生物合成途径等

当前虚拟细胞研究的目标是在整体水平上构建更大规模的人体和其他生命体细胞模型

美国电子细胞重大项目

美国国家普及医药研究院(NIGMS) 已提出了对心血管细胞信号传导和B 细胞的资助计划最终的计划目标是创造这些特别类型细胞的电子细胞

美国国家能源部继基因组计划之后设立了微生物细胞计划(Microbial Cell Project 即MCP)其目标是在计算机上建造虚拟的微生物细胞这对能源,环保,生物免疫能力的研究有十分重要的意义

目前电子细胞研究所处的发展阶段

电子细胞的发展大体上可以分为三个阶段:

首先是构造 阶段-这一阶段主要研究电子细胞的物质构成,基本功能模拟,包括方便的人机交互可视化界面及开放的网络设计支撑平台开发

其次,是细胞功能行为模拟试验和优化完善阶段;

第三是应用阶段,这一阶段电子的细胞已具备了强大的模拟真实细胞的能力细胞的类型,数量,种类极为丰富,功能也基本完善实用,成为医学,生物学,生化工程,能源和环境等领域实际应用的一种不可或缺的重要工具,是相应产业的重要支撑技术

目前,国际上的主要工作仍处于第一阶段即构造研究阶段

E-cell 研发遇到的主要问题

全面和真实地模拟一个细胞尚有不少的困难最主要的问题之一是缺少定量的数据大多数生物学的知识是以定性的方式提供的而实现模拟需要定量化

计算机运算速度是很大问题

Cell, an old topic, a new topic

Study of the cell will never be plete unless its dynamic behavior is understood

The plex behavior of the cell cannot be determined or predicted unless a puter model of the cell is constructed and puter simulation is undertaken

—Masaru Tomita

E-cell 最终的目标:virtual-human

英国牛津大学的研究人员编写出了虚拟心脏的软件虚拟心脏中有大量虚拟细胞,每个细胞都可吸收虚拟的糖分和氧气在计算机屏幕上,这个虚拟心脏就像真的心脏一样跳动通过输入不同的程序,这个虚拟心脏能产生不同的疾病,并能对不同的新药产生不同的反应,科学家把这个结果作为评价新药性能的一个依据

美国一些研究人员正在创建计算机虚拟医院,在那里已经有了许多哮喘虚拟患者,糖尿病虚拟患者和心脏病虚拟患者医药专家能摆脱真实的临床实验会遇到的各种困难,从这个虚拟医院更快地得到结果计算机模型中,许多影响疾病的因素都被考虑进去了例如,每个虚拟患者都有虚拟的肝脏和胰腺,这些器官的健康状况影响着虚拟患者体内的血糖浓度,当血糖浓度过高时,患者就会出现糖尿病的症状

References

1虚拟细胞研究进展及应用价值 杨 冬 欧阳红生 细胞与分子免疫学杂志 2005, 21 ( Supp l)

2虚拟细胞—人工生命的模型 孙冬泳 汤健 中华医学杂志 2001 年11 月10 日第81 卷第21期

3虚拟心脏:细胞水平的解决 甄一松 中国分子心脏病学杂志 2002年8月2卷4期

4虚拟细胞 陈源 细胞生物学杂志 2004年6月26卷3期

5电子细胞的研究现状与展望 赵明生,尚 彤 2001年12月第12A期

6 Quantitative cell biology with the virtual cell Boris M Slepchenko, James C Schaff, Ian Macara and Leslie M Loew TRENDS in Cell Biology Vol13 No11 November 2003

7 Whole cell simulation:a grand challenge of the 21st century Masaru Tomita TRENDS in Biotechnology Vol19 No6 June 2001

8 The Virtual Cell:a sofare environment for putational cell biology Leslie M Loew James C Schaff TRENDS in Biotechnology Vol19 No10 Octo 2001

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