生物分子几何及图形学研究

1. 生物分子几何及图形学研究 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 彭 群 生 浙江大学CAD&CG国家重点实验室 2003年12月

2. 内 容 提 要 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

3. 背 景 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 随着信息技术的高速发展，数字化浪潮席卷全球。 • 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

4. 蛋白质：人类健康长寿的希望 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

5. 蛋白质：人类健康长寿的希望 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

6. 蛋白质：药物设计的钥匙 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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。 • － …… State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

7. 基 因 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 基因是一段DNA（脱氧核糖核酸分子）双链。 • － 碱基成对出现: ---ATCGGCC--- • ---TAGCCGG--- State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

8. 基因表达中的信息流 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 中心法则（The Central Dogma） State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

9. 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 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

10. 蛋白质的组成 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

11. 蛋白质折叠 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 折叠漏斗 • 折叠时间极短 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

12. 蛋白质结构的层次 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

13. 蛋白质功能与结构的关系 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 功能=运动着的结构！ State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

14. 蛋白质的相互作用 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

15. 蛋白质的相互作用 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 癌症形成的重要机制之一 - 转录因子的持续激活（P53） State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

16. 蛋白质的相互作用 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 细菌的排药性 • - AcrA • AcrB • Tol C • - 乙酰螺 • 旋霉素 • 抗性 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

17. 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26~28日 充分认识和彻底了解人和 生物体内活分子(living molecules)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 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

18. 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26~28日 • 现有药物 • 筛选模式 • - HTS: • High • Throughput • Screening • - 困难：无体内活性 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

19. 蛋白质结构的图形描述 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 线框表示 • 棍状表示 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

20. 蛋白质结构的图形描述 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 球棍表示 • CPK表示 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

21. 蛋白质结构的图形描述 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 带状表示 • 管片表示 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

22. 蛋白质结构的图形描述 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 分子表面 • - 分子可视化 • - 分子对接 • - 基于结构的药物设计 • - … State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

23. 图形描述的困难性 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

24. 图形描述的困难性 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

25. 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 • 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 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

26. 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。 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

27. 研究目标 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

28. 主要研究内容 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

29. 主要研究内容 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

30. 主要研究内容 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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（Biology pathway）的建模、求解及仿真 • - 计算机辅助药物分子设计 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

31. 主要研究内容 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

32. 研 究 特 色 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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。 • 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

33. 研 究 特 色 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

34. 研 究 特 色 计算机科学面临的挑战高层研讨会 厦门 2003年12月26~28日 • 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

35. 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 • 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

36. 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 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

37. 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 • 从科学重大需求来讲，是利用计算机探测微观世界所必需。 • 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。 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

38. 谢谢大家！ NSFC研讨会 厦门 2003年12月26~28日 State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University