生物物理与计算生物

28七月2026生物物理与计算生物TheHumanGenomeProject

人類基因工程1988美國（國家衛生院與能源部）開始目標給人類及其他重要生物基因體排序發展其他相關科技注意相關倫理、法律、社會問題預計2005年完成人類基因體排序CBL@NCU排序完成的基因序列近年以爆炸性成長(Asof2002January13)MillionsofbasepairsofDNAMillionsofsequences排序完成的基因序列近年以爆炸性成長CBL@NCU人類基因工程的公眾智慧財產原則智慧財產屬於公眾工程中所取得的數據以及相關資訊快速上載於互聯網的資料庫中無約束供任何人下載有電腦、能上網就可以作研究CBL@NCU已完成排序的大基因體1995-2005–About～100bacterialgenomes;細菌0.5-9Mb;hundredsto2000genes1996April–Yeast

(Saccharomycescerevisiae)12Mb,5,500genes酵母1998Dec.-Worm

(Caenorhabditiselegans)

97Mb,19,000genes線蟲2000March-Fly

(Drosophilamelanogaster)

137Mb,13,500genes果蠅2000Dec.-Mustard

(Arabidopsisthaliana)

125Mb,25,498genes

芥末2000June–Human

(Homosapiens)1stroughdraft2001Feb15/16–Human,“workingdraft”人類3000Mb,35,000~40,000genes老鼠、稻米、虐原蟲、還有許多已完成排序的大基因體CBL@NCU人類基因序列在2001年2月完成排序初稿CBL@NCU基因組(Genome)–四種“字母”編成的生命書DNA-兩條大分子串形成的雙螺旋四種大分子-A,C,G,T大分子串-四種“字母”編成的文章基因組–染色體所有的DNACBL@NCU研究現代生命科學的三種方法invivo在活體裡invitro在試管中insilico在電腦中CBL@NCU在電腦中研究生命科學“Itismucheasiertoteachbiologytopeoplefromamath,physicsorcomputer-sciencebackgroundthantoteachabiologisthowtocodewell.”

-Nature,February15,2001,p963LifeScienceinsilico

用電腦研究生命科學[biology]生物+[computer-science]電腦+[math&physics]

數理CBL@NCU資訊–大量生命序列數據存在網路資料庫中DNA序列、蛋白質序列資料庫軟體、資料採礦、演算法物理–生命體就是一部巨大又非常複雜的機器運作法則、系統模型計算序列分析（基因認識、分子演化等）系統模擬計算（蛋白質折疊、藥物設計等）Bioinformatics生物資訊

Biophysics生物物理

ComputationalBiology

計算生物CBL@NCU生物演化分子演化、親緣樹、生物共同祖先基因與疾病基因晶片、數理分析蛋白質結構物理實驗、理論模型、計算模擬蛋白質（群）組織與功能疾病預防及治療基因改良、農作物藥物設計蛋白質與大分子的結合人類基因工程給我們什麼？CBL@NCU只有極極少數的DNA序列能有生命表現DNA是演化的執行地演化是機會主義無頭雞的行走DNA隨機突變、複製無孔不入多數走進死巷演化的結果常常很奇怪例：眼睛生命是基因載體，是演化的試驗場適者生存、物種淘汰生命的目的是保護基因？CBL@NCU

Molecularevolution

and

Genomeevolution

分子演化與基因組演化/PMGifs/Genomes/micr.html生命網路上有取之不盡的生物資訊資料庫1tgctgagaaaacatcaagctgtgtttctccttccccaaagacacttcgcagcccctcttg

61ggatccagcgcagcgcaaggtaagccagatgcctctgctgttgccctccctgtgggcctg

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AstretchofgenomefromtheXchromo-someofHomosapienhttp:///entrez/viewer.fcgi?val=2276452&db=Nucleotide&dopt=GenBankThecompletegenomehas2,000,000suchPages基因組非常巨大視網膜眼球的視神經在視網膜前拉向眼後時造成盲點奇怪的演化結果:CBL@NCU視網膜受光管光源視網膜：電線向光光管背光CBL@NCUWearehere生命高度多樣性且複雜

真細菌真核生物古細菌10億年前20億年前30億年前40億年前WFDoolittle,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,Vol.94,pp.12751–12753(1997)最早期的細胞演化CBL@NCU比較蛋白質/DNA序列可找出

基因/物種的親緣關係簡化生命樹人類酵母大腸桿菌人類/線蟲/果蠅核受體蛋白質親緣樹CBL@NCU真細菌真核生物古細菌細菌全基因體的“碎形”表示CBL@NCU＋北京理論物理所以算核甘出現次數的方法將基因體圖像畫每個基因體的“像”都不一樣有很多方法比較生命序列的異同有很多方法比較生命序列的異同簡化生命樹紅：序列比對法黑：寡核甘酸頻率法真細菌真核生物古細菌

CBL@NCU＋內蒙古大學我們發現基因組生長的原動力是隨機片段複製Lroot=L/MsisauniversalconstantUniversalityclass(redline)logLroot=ak+B;a=0.398,B=1.61(30%)Redsymbols:Universalgenomegrowth

modelbasedonmaximallystochasticsegmentalduplication.Hasmanyimplicationsinearlyhistoryofgenomesandevolution.Black:genomedata;green:randomsequence;red:modelsequencedata電腦模擬蛋白質結構與功能MoleculardynamicssimulationofProteinStructure&Function

蛋白質是最微妙微小的機器

生命的執行者催化、繁衍、新陳代謝、結構、運動蛋白質本身的製造

演化競技場的競技者直徑約五奈米（5x10-9m）約為頭髮直徑的萬分之一完全自動組裝、尋找受體、執行繁雜的任務完成任務後機器的拆散每人每天製造及拆散成千上萬個不同的蛋白質蛋白質不正常導致疾病CBL@NCU蛋白質是一條項鍊折成的機器項珠是(20種)氨基酸有特定的形狀做什麼事、長什麼樣蛋白質折疊錯誤會導致疾病狂牛症、艾茲海墨症、帕肯森症研究蛋白質折疊成形是物理與計算生物的大題目在10億flop/秒的PC上要算一百萬天HIV逆轉錄脢(562個氨基酸)CBL@NCU以大型分佈計算模擬蛋白質結構與功能

MassivelyDistributedComputing

and

AnNRPGMProject

on

ProteinStructureandFunction

ComputationBiologyLab

PhysicsDept&LifeScienceDept

NationalCentralUniversityMulti-temperatureAnnealing(II)clientclientclientclientclientclientclientServerOldtemperaturesSwaptempsbyMultiple“peptide”paralleltemperingNewtemperaturesDatabankMDsimulatio