从组合材料学到材料基因组学
从组合材料学到材料基因组学
高琛教授中国科学技术大学
2018年6月4日(周一) 下午14：30
固体所3号楼221会议室
结合20多年从事组合材料学的工作经验，从并行合成、高通量表征两个方面阐述组合材料学的思想精髓，并通过两个具体的材料研究，展现组合方法的优越性。同时，回顾从组合材料学到材料基因组学的螺旋发展历程，和大家一起探讨材料基因组计划孕育的机遇和挑战。
高琛，1984年毕业于中国科学技术大学物理系，1990年在中国科学技术大学获理学博士学位后留校工作。1992.12-1993.6在法国马赛大学电磁
光学实验室，1995.12-1999.1年在美国Lawrence Berkeley国家实验室从事高级访问学者、博士后研究，2001年获国家杰出青年科学基金资助，2003年
入选新世纪百千万人工程国家级人选，2005年享受政府特殊津贴。现兼任：全国高等学校光学教学研究会副理事长，中国物理学会固体缺陷专业委员
会委员，中国材料与试验团体标准委员会材料基因工程领域委员会委员，
中国材料研究学会材料基因组分会第一届委员会委员，中国科学技术大学
教学委员会委员，上海光源软X射线谱线实验站用户工作组组长，中国科
学技术大学光学课程组组长，《功能材料》编委，J.Nanoscience Lett.高级编辑。目前已发表包括Science、Adv.Mater.、Angew.Chem.Int.Ed.、PRL、APL、PRB、RSI等SCI、EI收录论文100余篇，他引次数超过1000次。获
国内外授权专利10项，其中两项分别在中、美得到实施。
材料基因工程
材料基因工程 ——为什么是一项“颠覆性前沿技术” 1.前言 材料基因组技术是近几年兴起来的材料研究新理念和新方法，是当今世界材料科学与工程领域的最前沿。材料基因工程借鉴人类基因组计划，探究材料结构与材料性质变化的关系。并通过调整材料的原子或配方、改变材料的堆积方式或搭配，结合不同的工艺制备，得到具有特定性能的新材料。但是材料基因组与人类基因组的又有很大的区别，材料的微观结构多样化，不但成分组成可以不同，微观形貌等结构也可能千差万别，其组成-结构-性能之间的关系更加复杂。 2.材料基因组技术 2.1材料基因组技术 材料基因组计划是通过“多学科融合”实现“高通量材料设计与试验”；其核心目标在于通过“高通量计算、实验和大数据分析”技术加速材料“发现-研发-生产-应用”全过程，缩短材料研发周期，降低材料研发成本，引发新材料领域的科技创新和商业模式变革。 材料基因组技术包括高通量材料计算方法、高通量材料实验方法和材料数据库三大组成要素。 2.1.1高通量材料计算方法 高通量计算是指利用超级计算平台与多尺度集成化、高通量并发式材料计算方法和软件结合，实现大体系材料模拟、快速计算、材料性质的精确预测和新材料的设计，提高新材料筛选效率和设计水平，为新材料的研发提供理论依据。其中并发式材料计算方法包括第一原理计算方法、计算热力学方法、动力学过程算法等，跨越原子模型、简约模型和工程模型等多个层次，并整合了从原子尺度至宏观尺度等多尺度的关联算法。 高通量材料集成计算技术利用第一性原理、分子动力学与位错动力学、合金相图计算、相场计算等方法，快速并行模拟实验室中成分与性能优化的传统试错式材料研发过程，并基于材料科学知识，迅速挑选有利于目标性能的合金成分与微观结构特征，从而加速新材料的研发进程并显著降低材料研发成本。 2.1.2高通量材料实验方法 传统材料研发模式依赖于成分与工艺的不断“试错”实验优化，结合对结构-性能关系的不断理解以获得满足性能指标的材料。但是，新型关键材料具有成分多元化、复杂化、微结构多级化等特点，传统的“试错”模式在实际材料开发中不仅耗费巨大，而且几乎难以取得成功。 高通量实验平台是发展材料基因组技术具备的条件之一。高通量实验平台可以为据库提供数据支撑；而就高通量集成计算而言，高通量实验技术为各种计算模拟工作提供计算目标。材料基因组概念中的高通量实验技术具有快速制备快速表征各类金属与非金属样品的能力，典型的高通量实验方法有扩散多元结与材料基因芯片 2.1.3材料数据库 数据可以看作是感兴趣参量的具体数值，这些参量在空间与时间上的一系列
材料基因组计划MGI专题学习报告
材料科学与工程前沿课程报告 第一部分：材料基因组计划（MGI）专题学习报告 学院：材料科学与工程学院 专业：材料科学与工程 ：XXXXX 学号：XXXXX 班级：XXXXX 2012年11月19日
材料基因组计划（MGI）专题学习报告 摘要：在美国2012 年财政预算中，新增了1 亿美元用以支持一项名为“材料基因组”的创新计划。美国“材料基因组计划”试图创造一个材料创新框架，以期抓住材料发展中的机遇，这个试图揭示物质构成、不同元素排列与材料功能之间关系，进而实现有目的设计新材料的科学工程，有着更强烈的实用和需求背景，也是美国为保持其在先进材料及高端制造业领域领先地位的一大举措。十多年前的中国没有能抓住“人类基因组计划”的先机，面临比“人类基因组计划”更为重要和广泛的“材料基因组计划”，我们不能再次丧失历史机遇。本文主要介绍我对材料基因计划的认识和对我们国家如何能抓住这次历史机遇提出自己的认识并提出展望。 关键词：材料基因组计划历史机遇新材料材料数据库 引言： 2011 年6 月24 日，美国总统奥巴马宣布启动一项价值超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系”（Advanced Manufacturing Partnership，AMP）计划，呼吁美国政府、高校及企业之间应加强合作，以强化美国制造业领先地位，而“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative，MGI）作为AMP 计划中的重要组成部分，投资将超过1 亿美元。“材料基因组”计划是“先进制造业伙伴关系”计划的主要基础部分，新兴材料才是新型制造业的基础。MGI 的实施正是抓住了AMP计划实施的“牛鼻子”，是重中之重[1]。这是金融危机之后，美国政府意识到仅靠服务业已无法支撑美国经济走出泥潭，必须重振制造业。美国制造业的振兴不是传统制造业的复兴，而是新兴制造业的培育，其中建立在材料科学基础上的新材料产业是重点之一。 2011年9月16日，奥巴马签署了《美国发明法案》，对现行专利体制进行重大变革，并宣布了一系列旨在促进科研成果转化的重要政策措施。可以看出，美国当前的科技政策更加重视科技成果的商业化和开发新市场的改革，“材料基因组计划”也体现出了这一特点：该计划将大大加快材料投入市场的种类及速度，并可通过降低研发成本和周期降低失败风险。 回顾1999 年中国参与了“人类基因组”计划的研究，负责其中3号染色体
基因组学
3’截短HBx蛋白和乙型肝炎病毒X 蛋白结合蛋白( HBX IP ) 对细胞增殖的影响 （一）立项依据与研究内容（4000-8000字）： 在我国乙型肝炎病毒（Hepatitis B Virus，HBV）感染是肝细胞性肝癌（HCC）的主要致病因素之一。已有研究表明HBV相关慢性肝病患者发生HCC的风险将较普通人群增加100倍。HBV感染相关HCC的发病机制目前仍不完全明确。越来越多的证据显示，两个主要的因素与HBV 相关性HCC 的发生发展密切相关，其一是导致宿主基因组失稳和插入性突变的病毒基因组整合[1,2]，其二是HBV 编码的蛋白质，如HBx 蛋白[3,4]。 HBx 蛋白由154 个氨基酸组成，分子量约为17kDa。尽管HBx 在细胞增殖过程中的确切功能及其对HBV 相关性HCC 发生发展的影响尚未阐明，但大部分的研究结果表明不论是在体内还是体外，HBx蛋白对细胞增殖至关重要[5,6,7]，其中所涉及的HBx 的主要功能包括调节细胞周期进程、调控细胞增殖通路、调控多种转录因子和调节端粒酶活性等途径。 乙肝病毒X蛋白结合蛋白(hepatitis B X-interacting protein, HBXIP)是一种细胞组成型表达的蛋白，首次于肝癌细胞株HepG2中被发现，通过酵母双杂交技术筛选作为乙肝病毒编码的蛋白HBx的作用因子HBXIP基因定位于人染色体1p13.3，其开放阅读框基因编码全长173个氨基酸，分子量约为19 kD (Melegari et al., 1998) HBXIP与HBx的C末端结合后降低HBx的活性，从而改变乙肝病毒(hepatitis B virus, HBV)的复制周期，同时抑制HBx对激活蛋白1 (activating protein-1, AP-1)和内源性HBV启动子或增强子的反式激活作用，从而影响乙肝病毒(HBV)的复制周期。已有研究结果表明HBXIP可通过调控细胞周期中各种
基因组学研究的应用前景
基因组学研究的应用前景摘要：基因组学是一门研究基因组的结构，功能及表达产物的学科，基因组的结构不仅是蛋白质，还有许多复杂功能的RNA,包括三个不同的亚领域，及结构基因组学，功能基因组学和比较基因组学。近几年，基因组学在微生物药物，细菌，病毒基因，营养基因方面都有进展，其前景是光明的。 关键词：基因研究未来结构 一、微生物药物产生菌功能基因组学研究进展 微生物药物是一类化学结构和生物活性多样的次级代谢产物，近年来多个产生菌基因组序列已经被测定完成，在此基础上开展的功能基因组研究方兴未艾，并在抗生素生物合成，形态分化，调控，发育与进化及此生代谢产物挖掘等方面有着新的发现，展现出广阔的研究前景，青霉素及其衍生的《》内酰胺类抗生素极大地改善了人类的卫生保健和生活质量，并促进研究人员不断对其工业生产菌株类黄青霉进行遗传改良和提高其产量，从而降低生产成本。经过60年的随机诱变筛选，当前青霉素产量至少提高了三个数量级，同时，青霉素的生物合成机理也得到了较为清晰的阐述，其pcbAB编码的非核糖体肽合酶ACVS~DPcbc编码的异青霉素N合成酶IPNS位于细胞质中，而苯乙酸COA连接酶PenDE编码的IPN酰基转移酶位于特殊细胞器一微体中。 研究发现，青霉素合成基因区域串联扩增，产黄青细霉胞中微体含量增加都可显著提高青霉素产量。然而随机诱变筛选得到的黄青霉工业菌株高产的分子机制尚不明确。为此，2008年荷兰研究人员联合国美国venter基因组研究所对黄青霉wisconsin54—1225进行了基因组测试和分析，并进一步利用DNA芯片技术研究了wisconsin54—1255及其高产菌株DS17690在培养基中是否添加侧链前体苯乙酸情况下的转录组变化，四组数据的比较分析发现，有2470个基因至少在其中一个条件下是差异表达的，根据更为严格的筛选标准，在PPA存在的条件下，高产菌相比测序菌株有307个基因转录是上调的，和生长代谢，青霉素前体合成及其初级代谢和转运等功能相关，另有271个基因显著下调，主要是与生长代谢及发育分化相关的功能基因。 二、乳酸菌基因组学的研究进展
材料基因组工程
对“材料基因组工程”的认识及看法 学号：22011216 姓名：胡方方 “材料基因组工程”这是一个既熟悉而又陌生的名词，熟悉的是“材料”和“基因组工程”，然而两者的组合就是我们这些外行人所不能想象得到的，这对我们来说是一个新的领域，因而我对它产生了些许的好奇。带着好奇的心理，我聆听了邓伟侨教授的一场关于“材料基因组工程”的课外研学讲座。 要了解“材料基因组工程”，对它有一个清晰而又正确的认识。首先，要弄懂什么是“材料”，什么是“基因组工程”；再来进一步的认识什么是“材料基因组工程”，为什么会出现以及一些现状。 “材料”是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。“基因组工程”就是测出人类基因组DNA的30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因，找出它们在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。物质的基本组成单元就是原子，而将材料与基因组工程联系在一起，不难得出这是将材料与人类做一个类比，基因之于人的性状如同原子之于材料。我们知道，原子结构决定了物质的性质，性质决定了物质的用途，反之，那么想要得到有着特定功能的物质材料，我们就能够得到组成物质的原子及其原子结构。材料显微组织及其中的原子排列决定了材料的性能，就像人体细胞里的基因排列决定了人体机能一样。材料基因工程就是寻找和建立材料从原子排列到相的形成到显微组织的形成到材料性能与使用寿命之间的相互关系，把成分-结构-性能关系的数据库与计算材料设计结合起来，可以大大加快材料研发速度、降低材料研发的成本、提高材料设计的成功率。 人类基因工程计划的实施和取得的进展和成果，以及现实生活中许许多多的的例子给了科学家和研究人员很大的启发。 一、“材料基因组工程”是在何种的时代背景下被提出的。 技术的革新和经济的发展越来越依赖于新材料的进步，就像身体是革命的本钱，良好的材料则是技术革新和经济发展的载体、基石，没有优良的材料作支撑，一切都只是空谈，都是虚无缥缈的，先进的科学技术也就不能够被充分的表达。目前，从新材料的最初发现到最终工业化应用一般需要10~20年的时间。例如，作为目前移动电子设备所使用的Li电池，从上世纪70年代中期的实验室原型到90年代晚期的应用，前后花了近20年的时间，但是至今还没能够应用到电动汽车上，很明显新材料的研发步伐严重滞后于产品的设计，也就是说先进的科学技术因为材料的落后而不能够付诸现实。而这一类事情带来的结果不仅仅局限在材料方面，他带来了跟多的能源的浪费以及环境的污染等等。当前，面临竞争激烈的制造业和快速的经济发展，材料科学家和工程师必须缩短新材料的发现到付诸应用的研发周期，只有这样才能解决在21世纪这个科学技术与经济呈爆炸式发展的时代对新型材料的大量需求的巨大挑战。然而，目前的新材料研发主要依据研究者的科学直觉和大量重复的尝试实验。其实很大一部分的实验是可以依靠高效、准确的计算工具模拟来实现就可以得到结果的，但是现实中我们所拥有的计算准确性不够，而浪费大量的时间和原料。另一方面，新材料从发现、发展、性能优化、系统设计和集成、产品论证及推广过程中所涉及的研究团队间彼此独立、缺少合作和相互间数据、技术的共享，使得研发周期再一次的延长。 二、“材料基因组工程”的主要目的是什么呢？
基因组学的研究内容
基因组学的研究内容 结构基因组学： 基因定位；基因组作图；测定核苷酸序列 功能基因组学：又称后基因组学（postgenomics基因的识别、鉴定、克隆；基因结构、功能及其相互关系；基因表达调控的研究 蛋白质组学： 鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和相互作用方式 遗传图谱 （genetic map）采用遗传分析的方法将基因或其它dNA序列标定在染色体上构建连锁图。 遗传标记： 有可以识别的标记，才能确定目标的方位及彼此之间的相对位置。 构建遗传图谱 就是寻找基因组不同位置上的特征标记。包括： 形态标记； 细胞学标记； 生化标记；DNA 分子标记 所有的标记都必须具有多态性！所有多态性都是基因突变的结果！ 形态标记： 形态性状：株高、颜色、白化症等，又称表型标记。 数量少，很多突变是致死的，受环境、生育期等因素的影响 控制性状的其实是基因，所以形态标记实质上就是基因标记。
细胞学标记 明确显示遗传多态性的染色体结构特征和数量特征 ：染色体的核型、染色体的带型、染色 体的结构变异、染色体的数目变异。优点：不受环境影响。缺点：数量少、费力、费时、对生物体的生长发育不利 生化标记 又称蛋白质标记 就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。 如：同工酶、贮藏蛋白 优点： 数量较多，受环境影响小 ?
缺点： 受发育时间的影响、有组织特异性、只反映基因编码区的信息 DNA 分子标记： 简称分子标记以 DNA 序列的多态性作为遗传标记 优点： ? 不受时间和环境的限制 ? 遍布整个基因组，数量无限 ?
不影响性状表达 ? 自然存在的变异丰富，多态性好 ? 共显性，能鉴别纯合体和杂合体 限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism ， RFLP ） DNA 序列能或不能被某一酶酶切，
微生物基因组研究
微生物基因组研究 微生物是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物等在内的一大类生物群体，它个体微小，却与人类生活密切相关。微生物在自然界中可谓“无处不在，无处不有”，涵盖了有益有害的众多种类，广泛涉及健康、医药、工农业、 环保等诸多领域。 微生物对人类最重要的影响之一是导致传染病的流行。在人类疾病中有50％是由病毒引起。世界卫生组织公布资料显示：传染病的发病率和病死率在所有疾病中占据第一位。微生物导致人类疾病的历史，也就是人类与之不断斗争的历史。在疾病的预防和治疗方面，人类取得了长足的进展，但是新现和再现的微生物感染还是不断发生，像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治疗药物。一些疾病的致病机制并不清楚。大量的广谱抗生素的滥用造成了强大的选择压力，使许多菌株发生变异，导致耐药性的产生，人类健康受到新的威胁。一些分节段的病毒之间可以通过重组或重配发生变异，最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行流感病毒都与前次导致感染的株型发生了变异，这种快速的变异给疫苗的设计和治疗造成了很大的障碍。而耐药性结核杆菌的出现使原本已近控制住的结核感染又在世界范围内猖獗起来。 微生物能够致病，能够造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂，但微生物也有有益的一面。最早是弗莱明从青霉菌抑制其它细菌的生长中发现了青霉素，这对医药界来讲是一个划时代的发现。后来大量的抗生素从放线菌等的代谢产物中筛选出来。抗生素的使用在第二次世界大战中挽救了无数人的生命。一些微生物被广泛应用于工业发酵，生产乙醇、食品及各种酶制剂等；一部分微生物能够降解塑料、处理废水废气等等，并且可再生资源的潜力极大，称为环保微生物；还有一些能在极端环境中生存的微生物，例如：高温、低温、高盐、高碱以及高辐射等普通生命体不能生存的环境，依然存在着一部分微生物等等。看上去，我们发现的微生物已经很多，但实际上由于培养方式等技术手段的限制，人类现今发现的微生物还只占自然界中存在的微生物的很少一部分。 微生物间的相互作用机制也相当奥秘。例如健康人肠道中即有大量细菌存在，称正常菌群，其中包含的细菌种类高达上百种。在肠道环境中这些细菌相互依存，互惠共生。食物、有毒物质甚至药物的分解与吸收，菌群在这些过程中发挥的作用，以及细菌之间的相互作用机制还不明了。一旦菌群失调，就会引起腹泻。 随着医学研究进入分子水平，人们对基因、遗传物质等专业术语也日渐熟悉。人们认识到，是遗传信息决定了生物体具有的生命特征，包括外部形态以及从事的生命活动等等，而生物体的基因组正是这些遗传信息的携带者。因此阐明生物体基因组携带的遗传信息，将大大有助于揭示生命的起源和奥秘。在分子水平上研究微生物病原体的变异规律、毒力和致病性，对于传统微生物学来说是一场革命。 以人类基因组计划为代表的生物体基因组研究成为整个生命科学研究的前沿，
材料基因组
彭贤文材料1201 41230029 材料基因组计划 自从十九世纪八十年代以来，技术变革和经济的发展越来越依赖新材料的发展。正如硅在十九世纪七十年代引起现代信息技术产业的崛起，先进材料可能推进新兴的旨在解决能源、国家安全以及人类福利等问题的价值数十亿美元的产业的发展。随着先进材料不断应用于解决清洁能源、国家安全以及人类福利等问题，它对经济安全以及人类的幸福生活越来越重要。加速先进材料的发现和发展对提升全球竞争力也是至关重要。材料基因组计划将创建一个新的材料创新的时代。 目前，一种材料从发现到第一次投入使用的时间范围大约是10到20年，这使得新材料的发展速度远远落后与产品的开发速度。这是因为长久以来材料的发展和研究依赖科学的直觉的反复的实验。而且，当前大多数的材料设计和测试是通过旷日持久的反复试验以及表征循环来执行的。同时，一种新材料发展的各个阶段可能由不同的工程师或科研团队在不同的研究机构完成，各个阶段间缺乏促进整体快速发展的信息反馈。为实现材料的快速发展，必须加速计算模型、数据交换以及模拟材料行为的高级算法的发展来补充物理实验。改善的数据分享系统以及更加综合的工程团队将使设计、系统工程以及生产活动交互重叠。用数学模型和计算仿真来取代冗长昂贵的经验研究将显著加速材料的发展和配置。 为此，材料基因组计划将创建一个材料创新框架，首先，打造材料创新基础。材料基因组计划将研发新的综合计算、实验和数据信息学的工具。这些软件和集成工具将跨越整个材料发展过程，并以一种开放平台进行开发，提高预测能力，并按最新标准快速整合整个材料创新基础数字化信息。这一基础设施将与现有的产品设计框架无缝结合，推动材料工程设计快速、全面的发展。然后，开发数据共享平台。材料基因组计划将设置数据共享平台让研究人员能够轻松地将自己的数据导入模型，同时使研究和工程人员能够彼此整合数据，促进处于不同材料开发阶段的科学家和工程师的跨学科交流。 此外，材料基因组计划将用研发的新材料来实现国家的目标。美国目前面临的清洁能源、国家安全和人类福祉等问题的求解都有赖于先进材料的发展。对于国家安全相关材料，美国国防部和国防实验室都在材料研究方面投入巨资。研究实验室忙于轻质保护材料、电子材料、储能材料、生物替代材料等的研究。军方则使用先进材料来保护和武装军队。对于人类健康和福利相关材料，先进材料的许多应用可解决人类健康和福利面临的挑战，从生物相容性材料，如假肢或人工器官，到用于设计防止受伤的保护材料。对于清洁能源系统相关材料，众所周知开发清洁能源、减少对于石油的依赖是美国明确优先发展的项目。材料研究可以帮助找到新技术，如为生物燃料生产更好的催化剂、直接从阳光产生能量的人工光合作用、新颖高效的太阳能光伏、便携式能源存储设备等。 最后，在政府、学术界和产业界的利益相关者要接受并不断扩大材料创新基础设施的范围和内容，以给我们的下一代生产力必要的工具和方法来实现我们国家的目标。
9 人类基因组研究
9.1人类基因组计划简介 人类基因组计划(human genome project, HGP)是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。这一计划旨在为30多亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划并称为三大科学计划。 1986年,诺贝尔奖获得者Renato Dulbecco发表短文《肿瘤研究的转折点：人类基因组测序》（Science, 231: 1055－1056）。文中指出：如果我们想更多地了解肿瘤，我们从现在起必须关注细胞的基因组。…… 从哪个物种着手努力？如果我们想理解人类肿瘤，那就应从人类开始。……人类肿瘤研究将因对 DNA 的详细知识而得到巨大推动。” 什么是基因组(Genome)?基因组就是一个物种中所有基因的整体组成。人类基因组有两层意义：遗传信息和遗传物质。要揭开生命的奥秘，就需要从整体水平研究基因的存在、基因的结构与功能、基因之间的相互关系。
为什么选择人类的基因组进行研究？因为人类是在“进化”历程上最高级的生物，对它的研究有助于认识自身、掌握生老病死规律、疾病的诊断和治疗、了解生命的起源。 在人类基因组计划中，还包括对五种生物基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称之为人类的五种“模式生物”。 HGP的目的是解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。 HGP的诞生和启动： 对人类基因组的研究在70年代已具有一定的雏形，在80年代在许多国家已形成一定规模。 1984年在Utah州的Alta,White R and Mendelsonhn M受美国能源部(DOE）的委托主持召开了一个小型专业会议讨论测定人类整个基因组的DNA序列的意义和前景（Cook Deegan RM,1989） 1985年5月在加州Santa Cruz由美国DOE的Sinsheimer RL主持的会议上提出了测定人类基因组全序列的动议，形成了美国能源部的“人类基因组计划”草案。 1986年3月，在新墨西哥州的Santa Fe讨论了这一计划的可行性，随后DOE 宣布实施这一计划。 1986年遗传学家McKusick V提出从整个基因组的层次研究遗传的科学称为“基因组学” 1987年初，美国能源部和国立卫生研究院为HGP下拨了启动经费约550万美元（全年1.66亿美元） 1988年，美国成立了“国家人类基因组研究中心”由Watson J出任第一任主任
材料基因组
材料基因组计划(MGI) 专题学习报告 材料基因组计划是人类经过信息技术革命后，充分认识到材料革新对技术进步和产业发展的重要作用，以及在复兴制造业的战略背景下提出来的。其主要目的是试图把新材料的开发周期缩短一半，打造全新环形开发流程，推动材料科学家重视制造环节，并通过搜集众多实验团队以及企业有关新材料的数据，代码，计算工具等，构建专门的数据库实现共享，致力于攻克新材料从实验室到工厂这个放大过程中的问题。材料基因组计划主要包括四大系统：材料超级计算系统，材料性能扫描测试技术系统和材料设计性能数据库与信息平台系统。[1] 图1材料连续发展示意图 一，国外研究进展 2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿美元的先进制造业伙伴关系—计划（AMP），希望通过政府高校科研院所和企业合作来振兴强化美国的制造业先进制造业伙伴关系计划包括四个子计划：（1）用于提高美国国家安全相关行业的制造业水平投入3亿美元包括小型大功率电池先进复合材料金属加工生物制造和替代电池等新型技术产业（2）材料基因组（Materials Genome Initiative，MGI）计划通过在研究培训和基础设施方面超过1亿美元的投资，使发现开发和应用先进材料的速度提高到目前的2倍先进材料又将推动数十亿美元的新兴先进制造清洁能源和国家安全等领域的相关技术，简言之，MGI 是AMP 的基础，缩短了先进材料的开发和应用周期，才有可能掀起制造业的又一次伟大革命新型高端材料与信息技术的结合，才是第三次工业革命产业范式转变的坚实基础（3）投资7000 万美元研制下一代机器人技术（4）开发创新的高效的能源制造工艺，将耗资1.2亿美元开发创新的制造工艺和材料，使企业降低成本，减少能源消耗材料基因组计划是先进制造业伙伴关系计划的主要基础部分，新兴材料才是新型制造业的基础MGI 的实施正是抓住了AMP 计划实施的关键，是重中之重。 2011年6月底，白宫发布了美国国家科学技术委员会起草的“材料基因组计划”白皮书（Materials Genome Initiative，MGI）。白皮书提出，要实现材料领域发展模式的转变，把新材料研发和应用的速度从目前的10～20年缩短为5～10年。[2] 白宫自去年6月底推出材料基因组计划的白皮书后，目前正向相关国家实验室、大学等机构征求政策建议。
第四章 基因与基因组学(答案)
第四章基因与基因组学（答案） 一、选择题 （一）单项选择题 1.关于DNA分子复制过程的特点，下列哪项是错误的 A.亲代DNA分子双股链拆开，形成两条模板链 B.新合成的子链和模板链的碱基互补配对 C.复制后新形成的两条子代DNA分子的碱基顺序与亲代的DNA分子完全相同 D. 以ATP、UTP、CTP、GTP和TDP为合成原料 E.半不连续复制 *2.建立DNA双螺旋结构模型的是： and Crick and Schwann *3.下列哪个不属于基因的功能 A.携带遗传信息 B.传递遗传信息 C.决定性状 D.自我复制 E.基因突变 》 分子中核苷酸顺序的变化可构成突变，突变的机制一般不包括： A.颠换 B.内复制 C.转换 D.碱基缺失或插入 E.不等交换 5.下列哪一种结构与割(断)裂基因的组成和功能的关系最小 A.外显子 B.内含子框 D.冈崎片段 E.倒位重复顺序 *6.在一段DNA片段中发生何种变动，可引起移码突变 A.碱基的转换 B.碱基的颠换 C.不等交换 D.一个碱基对的插入或缺失 个或3的倍数的碱基对插入或缺失 7.从转录起始点到转录终止点之间的DNA片段称为一个： A.基因 B.转录单位 C.原初转录本 D.核内异质RNA E.操纵子 8.在DNA复制过程中所需要的引物是； ~ 9.下列哪一项不是DNA自我复制所必需的条件 A.解旋酶多聚酶引物 D. ATP、GTP、CTP和TTP及能量 E.限制性内切酶 10.引起DNA形成胸腺嘧啶二聚体的因素是 A.羟胺 B.亚硝酸溴尿嘧啶 D.吖啶类 E.紫外线 11.引起DNA发生移码突变的因素是 A.焦宁类 B.羟胺 C.甲醛 D.亚硝酸溴尿嘧啶 12.引起DNA分子断裂而导致DNA片段重排的因素 A.紫外线 B.电离辐射 C.焦宁类 D.亚硝酸 E.甲醛 ) 13.可以引起DNA上核苷酸烷化并导致复制时错误配对的因素 A.紫外线 B.电离辐射 C.焦宁类 D.亚硝酸 E.甲醛 14.诱导DNA分子中核苷酸脱氨基的因素 A.紫外线 B.电离辐射 C.焦宁类 D.亚硝酸 E.甲醛 15.由脱氧三核苷酸串联重复扩增而引起疾病的突变为 A.移码突变 B.动态突变 C.片段突变 D.转换 E.颠换 16.在突变点后所有密码子发生移位的突变为 A.移码突变 B.动态突变 C.片段突变 D.转换 E.颠换 *17.异类碱基之间发生替换的突变为 A.移码突变 B.动态突变 C.片段突变 D.转换 E.颠换 ！ 18.染色体结构畸变属于 A.移码突变 B.动态突变 C.片段突变 D.转换 E.颠换 *19.由于突变使编码密码子形成终止密码，此突变为 A.错义突变 B.无义突变 C.终止密码突变 D.移码突变 E.同义突变 *20.不改变氨基酸编码的基因突变为 A.同义突变 B.错义突变 C.无义突变 D.终止密码突变 E.移码突变 21.可以通过分子构象改变而导致与不同碱基配对的化学物质为 A.羟胺 B.亚硝酸 C.烷化剂溴尿嘧啶 E.焦宁类 *22.属于转换的碱基替换为 和C 和T 和C 和T 和C ~ *23.属于颠换的碱基替换为 和T 和G 和C 和U 和U
宏基因组学的一般研究策略
宏基因组学的一般研究策略 摘要: 宏基因组学是目前微生物基因工程的一个重要方向与热点。它把微生物的总群体特性与基因组学实验手段结合了起来，包括从环境样品中提取总DNA、再用可培养的宿主微生物建立文库及筛选目的克隆和基因。该法是研究不可培养微生物、寻找新的基因和开发新活性产物的重要新途径。它避开了微生物分离、纯化和培养的步骤,大大扩展了微生物资源的利用范围。本文旨在介绍宏基因组学的一般研究方法并结合我们的实验情况,对这一崭新领域中的最新研究策略进行了简要综述。 关键词: 宏基因组学, 不可培养微生物, 文库构建, 文库筛选，研究策略 Strategies for accessing metagenomics for desired applications Abstract: Metagenomics is a new field of microbial genetic engineering. It has the characteristics of microbial ecology and the methodology of genomics. Metagenomics includes genomic DNA isolation, library construction and screening strategies, and can be used in the discovery of new gene and biocatalysts and in the study of uncultured microorganism. Metagenomics can overcome the advantages of isolation and cultivation procedures in traditional microbial method, and thus greatly broaden the space of microbial resource utilization. In this paper, we mainly reviewed the metagenomic methodology, together with the latest advances and novel strategy in this research field. Keywords：Metagenomics; Uncultured microorganism；Library construction；Library screening Research strategies 大自然中蕴藏着无数具有重要价值的微生物及其活性产物,也是新基因及生物学资源的重要源泉，对其进行研究成为微生物学和分子生物学研究的一个重要方向。然而人们现在能够培养与利用的不到环境中总微生物的1%[1]。宏基因组学(metagenomics)是直接从环境样品中提取全部微生物的总DNA, 避开了分离、纯化和培养微生物的过程来构建宏基因组文库,用基因组学的研究策略来研究环境样品中的总微生物的组成及其在群落中的功能等。现在,宏基因组学技术方法已在微生物多样性,微生物细胞间的相互作用,新基因和新型生物催化剂的开发，新的抗生素的开发及环境生态等方面得到了广泛应用[2]。本文旨在介绍宏基因组学的一般实验方法并结合我们的研究情况,对这一崭新领域中的最新研究策略进行了简要综述。深化了我们对这一学科的认识,促进了该学科的进步。 1 宏基因组学研究策略 1.1宏基因组学概要 宏基因组学是Handelsman等于1998年提出的[3], 可见是一门很新的学科，其随着基因组实验手段，生物信息学和测序技术等的日新月异也迅猛发展了起来，这个新学科是以环境样品的总微生物基因组为实验对象，通过测序分析、文库评价、产活性物质及其基因的克隆的获取和基因功能的鉴别，对微生物种群组成与生物量、生态学关系、生物化学关系与环境关系以及功能活性进行研究[4]。其主要过程包括样品和基因的富集和提取; 宏基因组文库的构建; 目的基因的筛选; 目的基因活性产物的表达(图1)。 1.2 微生物及其基因的富集 在文库筛选过程中由于目的基因比例较小, 对环境中微生物的富集不但可提高基因总量，有利于基因的提取，还可增加目的基因的比例，如Kouker 等用橄榄油富集产脂肪酶的微生物收到了很好的效果[5 ]，橄榄油不仅可作为底物，还可诱导脂肪酶的合成。目前富集技术主要分为细胞水平和基因水平。其中细胞水平主要是用选择培养基来富集某些微生物, 常
材料基因工程发展的重点和难点
材料基因工程发展的重点和难点 材料基因组计划（又名Materials Genome Initiative），简称MGI。2011年6月，时任美国总统奥巴马宣布启动材料基因组计划，意在改革传统材料研究的封闭型工作方式，培育开放、协作的新型“大科学”研发模式，从而实现将材料从发现到应用的速度至少提高1倍，成本减半的目标。 欧美发达国家的“材料基因组”正迅猛地发展起来，而国内材料科技工业与国际先进水平尚存在一定的差距，“材料基因组计划”为材料科技工业快速追赶国际先进水平提供了机遇。为避免我国在未来的新材料技术及其他高科技领域的国际竞争中处于被动地位，国务院、科技部、中国科学院、中国工程院、发展改革委、教育部、工业和信息化部、食品药品监管总局等一起合力发起国家重点研发计划《材料基因工程关键技术与支撑平台重点专项实施方案》工作，启动“材料基因工程关键技术与支撑平台”重点专项发展计划。 在欧美的材料基因组计划中，数据共享与计算工具开发至关重要。在国内，数据+人工智能是材料基因工程的核心。 在计算工具的配备上，国内现在基本可以买到高端的服务器硬件。但数据也尤为重要，尤其是大数据和数据库的建立。但在大量数据获取方面，国内仍然落后于美国和日本。 从常温的光学显微镜，电子扫描显微镜，真实色共聚焦显微镜（Hybrid），到高温激光共聚焦显微镜，材料二维的图像获取手段上，国内的现已基本满足，不足的是，高端仪器的密度比发达国家尚有差
距。 材料真实内部三维数据的获取上，国内仍多采用人工研磨拍照的方式获取，一个试样的数据获取，短则一个月，长则半年，数据的可靠性暂且不说，这样的数据获取速度，严重影响材料基因组计划的进展速度。“我国材料基因工程有望2025年进入世界并跑或领跑”则困难重重。 在自动化技术高度发达的日本和美国，都有全自动的材料内部数据获取技术。例如，全自动逐层切片成像系统（Genus_3D），可在一两天内完成一个试样数据的获取，已经助力名古屋大学等单位和研究所高效、高质量的获取材料内部的三维数据。而国内拥有类似设备的单位，寥寥无几。在材料内部数据的获取上，差距正在逐步加大。 因此，我国材料基因工程发展，大量数据的获取技术需尽早解决。
最新 美欧材料基因工程计划研究现状及启示-精品
美欧材料基因工程计划研究现状及启示 材料基因工程的研究受到了包括美国、欧洲、日本等在内的世界主要发达国家地区的重视，以下是想备搜集整理的一篇探究美欧材料基因工程计划研究内容的，欢迎阅读查看。 1研究背景 新材料的发展长期以来采用的是通过以经验、半经验为基础的传统“炒菜”式实验来摸索，并给予确认的研究模式。这种模式的效率很低，已经难以适应当前世界各国经济快速发展的需求，而且需耗费大量的资源、能源和人力，非常不经济。材料科学家一直在寻求研究和发展新材料的更快速、更经济、更有效的新途径。凝聚态物理的多体相互作用模型及理论的重大进展、计算物科和方法体系的建立、科学和技术的飞速进步等，使得对材料的结构进行计算预测及其性能模拟计算日益成为必要和可能。 美国、欧盟、日本、新加坡、中国等世界主要国家/地区都非常注重材料计算与模拟的发展，组织实施了一系列相关的研究计划和项目。始于2001年的美国能源部“高级计算科学发现项目”是开发新一代科学模拟计算机的综合计划[1].早在2003年，美国国家研究委员会针对美国国防部对材料与制造研究的需求进行了研究，并推荐将计算材料设计研究作为投资的主要方向。欧洲科学基金会的“材料的从头算模拟先进概念”计划(AB-initioSimula-tionsofMaterials,Psi-k2)致力于开发凝聚态材料在原子层级的“从头算”计算方法[2],“生物系统与材料科学的分子模拟”则关注开发计算工具，用于了解生物系统以及人工纳米材料的介观结构。 2002年，日本文部科学省启动纳米生物技术、能源和环境领域“生产技术先进仿真软件”的开发;2009年，开始“间隙控制材料设计和利用技术”;同年，文部科学省和经济产业省联合推行“分子技术战略”[3].新加坡高性能计算研究院开发的APEX(AdvancedProcessExpert)数据挖掘技术已被用于解决工业问题，研究内容包括计算化学、多尺度建模、固态电子学和纳米结构等。 2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系”计划，其中一项举措就是实施“材料基因组计 划”(MaterialsGenomeInitiative,MGI);几乎是同时，欧洲也启动了“加速冶金”(AcceleratedMetallurgy,AccMet)计划。这两项大型的研究计划都意在加速材料研发和应用的速度，并通过降低研发成本和周期降低失败风险。美国试图打造全新“环形”开发流程，推动材料科学家重视制造环节，并通过搜集众多实验团队以及企业有关新材料的数据、代码、计算工具等，构建专门的数据库实现共享，致力于攻克新材料从实验室到工厂这个放大过程中的问;欧洲则认为，在过去一万年，对人类的技术进步，相比其他材料，金属和合金贡献最大，加之欧盟历来重视防范原材料的风险，因而此次专注于高性能合金的开发。表1所示是美国、欧洲正在开展的材料基因组相关研究的概况对比。【1】
基因组学复习资料整理
基因组学 1. 简述基因组的概念和其对生命科学的影响。 基因组：指一个物种的全套染色体和基因。广义的基因组：核基因组，线粒体基因组，叶绿体基因组等。 基因组计划对生命科学的影响： ①研究策略的高通量，彻底认识生命规律：基因组研究高通量，研究手段和 研究策略的更新，加强了生命科学研究的分工与协作，从不同层次深入研究生命现象。 ②促进了相关学科的发展：分子生物学遗传学生物信息学生物化学细胞生 物学生理学表观遗传学等 ③物种的起源与进化： Ⅰ.重要基因的发掘、分离和利用：遗传疾病相关基因，控制衰老的基因，工业价值的细菌基因，重要农艺性状基因等。 Ⅱ.充分认识生命现象：基因的表达、调控，基因间的相互作用，不同物种基因组的比较研究，揭示基因组序列的共性，探讨物种的起源和进化。 ④伦理学法律问题：伦理问题，知识产权问题，法律问题，社会保险问题。 2. Ac/Ds转座因子 Ac因子有4563bp，它的大部分序列编码了一个由5个外显子组成的转座酶基因，成熟的mRNA有3500bp。该因子本身的两边为11bp的反向重复末端（IR），发生错位酶切的靶序列长度8bp。Ds因子较Ac因子短，它是由Ac因子转座酶基因发生缺失而形成的。不同的Ds因子的长度差异由Ac因子发生不同缺失所致。 Ac/Ds因子转座引起的插入突变方式：玉米Bz基因是使糊粉层表现古铜色的基因，当Ac/Ds转座插入到Bz基因座后，糊粉层无色。当Ac/Ds因子在籽粒发育过程，部分细胞发生转座，使Bz靶基因发生回复突变，从而形成斑点。 Ac/Ds两因子系统遗传特点： 1）Ac具有活化周期效应，有活性的Ac+因子被甲基化修饰后会形成无活性的ac-因子，反之无活性的ac-因子去甲基化成有活性的Ac+因子。 2）Ac与Ds因子有时表现连锁遗传但更多表现独立遗传。 3）Ac对Ds的控制具有负剂量效应。 4）Ac/Ds可引发靶基因表现为插入钝化、活性改变、表达水平改变和缺失突变等。 5）Ds的结构不同，插入同一靶基因的位点可能不同，形成的易变基因的表型也不同。（分子生物学79-81） 3. 正向遗传与反向遗传 正向遗传学研究指从突变体开始的遗传学研究，关心的问题是突变体表型的变化是由哪一个基因功能丧失后引起。 反向遗传学研究指从基因序列开始的遗传学研究，关心的问题是基因功能丧失后会使植物的表型产生什么样的变化。
美国材料基因组计划 简介
美国材料基因组计划简介 东北大学秦高梧 2012年11月1日 一、项目背景 自上个世纪八十年代起，技术的革新和经济的发展越来越依赖新材料的进步。目前，从新材料的最初发现到最终工业化应用一般需要10~20年的时间。例如，作为目前移动电子设备所用的Li电池，从上世纪70年代中期实验室原型到90年代晚期应用，前后花了近20年时间，但是至今还没能应用到电动汽车上，很明显，新材料的研发步伐严重滞后于产品的设计。 当前，面对竞争激励的制造业和快速的经济发展，材料科学家和工程师必须缩短新材料从发现到应用的研发周期，以期来解决21世纪的巨大挑战。然而，当前的新材料研发主要依据研究者的科学直觉和大量重复的“尝试法”实验。其实，有些实验是可以借助现有高效、准确的计算工具，然而，这种计算模拟的准确性依然很弱。制约材料研发周期（图1）的另一因素是从发现、发展、性能优化、系统设计与集成、产品论证及推广过程中涉及的研究团队间彼此独立，缺少合作和相互数据的共享以及材料设计的技术有待大幅度提升。 图1 新材料研发周期示意图 二、项目的目标 最近在工程领域出现的集成材料计算与计算机技术相结合范例表明，可以把现有的材料研发周期20~30年缩短到2~3年。《材料基因组计划》拟通过新材料研制周期内各个阶段的团队相互协作，加强“官产学研用”相结合，注重实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享（利益通过学习标识以解决知识产权问题），目标是把新材料研发周期减半，成本降低到现有的几分之一，以期加速美国在清洁能源、国家安全、人类健康与福祉以及下一代劳动力培养等方面的进步，加强美国的国际竞争力。《材料基因组计划》项目在2012年已投入1亿美元。整个目标和具体内容如图2所示。 图2 美国《材料基因组计划》的整个目标和具体内容 三、主要内容 3.1 材料计算手段 目前，从电子到宏观层面都有各自的材料计算软件，但是还不能做到高效跨尺度计算以达到材料性能预测的目的；各个软件之间彼此不兼容；由于知识产权问题，彼此不能共享计算工具的源代码。在这方面未来的工作主要集中在以下几个方面： （1）建立准确的材料性能预测模型，并依据理论和经验数据修正模型预测； （2）建立开放的平台实现所有源代码共享； （3）开发的软件界面友好，以便进一步拓展到更多的用户团体。 3.2 实验手段 （1）实验为弥补理论计算模型的不足和构架不同尺度计算间的联系； （2）补充非常基础的材料物理，化学和材料学的数据，涉及材料的电子，力学，光学等性能数据，构建材料性能相关的成分，组织和工艺间内在联系，并建立庞大的数据库；
基因组学(结构基因组学和功能基因组学).
问:基因组学、转录组学、蛋白质组学、结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学研究有哪些特点? 答:人类基因组计划完成后生物科学进入了人类后基因组时代,即大规模开展基因组生物学功能研究和应用研究的时代。在这个时代,生命科学的主要研究对象是功能基因组学,包括结构基因组研究和蛋白质组研究等。以功能基因组学为代表的后基因组时代主要为利用基因组学提供的信息。 基因组研究应该包括两方面的内容:以全基因组测序为目标的结构基因组学(struc tural genomics和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学(functional genomics。结构基因组学代表基因组分析的早期阶段,以建立生物体高分辨率遗传、物理和转录图谱为主。功能基因组学代表基因分析的新阶段,是利用结构基因组学提供的信息系统地研究基因功能,它以高通量、大规模实验方法以及统计与计算机分析为特征。 功能基因组学(functional genomics又往往被称为后基因组学(postgenomics,它利用结构基因组所提供的信息和产物,发展和应用新的实验手段,通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能,使得生物学研究从对单一基因或蛋白质的研究转向多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。这是在基因组静态的碱基序列弄清楚之后转入基因组动态的生物学功能学研究。研究内容包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测。 基因的功能包括:生物学功能,如作为蛋白质激酶对特异蛋白质进行磷酸化修饰;细胞学功能,如参与细胞间和细胞内信号传递途径;发育上功能,如参与形态建成等采用的手段包括经典的减法杂交,差示筛选,cDNA代表差异分析以及mRNA差异显示等,但这些技术不能对基因进行全面系统的分析。新的技术应运而生,包括基因表达的系统分析,cDNA微阵列,DNA芯片等。鉴定基因功能最有效的方法是观察基因表达被阻断或增加后在细胞和整体水平所产生的表型变异,因此需要建立模式生物体。 功能基因组学