生命科学与技术研究进展

1. 什么是系统生物学？

系统生物学是一种典型的多学科交叉研究，它需要生命科学、信息科学、数学、计算机科学等各种学科的共同参与。它是一种整合型大科学，要把系统内不同性质的构成要素（基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等）整合在一起进行研究。对于多细胞生物而言，系统生物学就是要实现从基因到细胞、到组织、到个体的各个层次的整合。

系统生物学包括四个方面：

一、系统结构。包括基因，蛋白间关系以及由此得到的基因蛋白网络和生物通路，以及这些相互之间关系所牵涉到的细胞内和细胞外结构的物理特性和机制。

二、系统动力学。可以通过代谢分析，敏感性分析，动力学分析工具比如分叉分析等，以及识别不同行为所内含的机制等分析方法和手段来理解在不同时间点不同条件下系统的行为。

三、系统的控制方法。掌握这些控制细胞处于各种状态的机制，用来模拟系统，能得到治疗疾病的药靶。

四、设计的方法。基于某些设计的原则和模拟方法，可以修正和构造具有所需特性的系统，而不需要盲目地反复实验。

2. 生物芯片技术对于系统生物学的意义？

生物芯片是多领域相揉合的产物，生物芯片技术涉及电子技术、成像光学、材料学、计算机技术、生物技术等。简单说，生物芯片就是在一块玻璃片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品，然后由一种仪器收集信号，用计算机分析数据结果。根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。生物芯片技术是系统生物学技术的基本内容。

系统生物学有两个关键技术基础，“组学”数据基础，以及检测和实验技术基础。在检测和实验技术这一方面，生物芯片占有举足轻重的地位。二十世纪末期，生物芯片开始进入大家的视野，它有着传统技术无可比拟的优势：高通量、微型化、自动化。系统生物学需要处理海量的组学数据，如果仅仅依靠传统手段，将举步维艰，借助于芯片技术，将事半功倍。

3. 以某离子通道为例，叙述蛋白结构和功能的测量方法和手段

以BK通道为例，结构测量：首先得到通道的序列，设计引物，通过体外PCR 快速高效的体外扩增该片段，然后连接到合适的载体上导入宿主细胞中进行表达，获得蛋白，通过HPLC进行蛋白分析和分离，将纯化后的蛋白配制成浓溶液，进行晶体生长实验，获得高质量的单晶体后，进行X射线衍射来解析该通道的结构，功能测量：通过量：通过切除部分序列，来测量通道的功能序列，定点突变来确定通道的关键氨基酸。通过特异性药物或毒素与通道的结合相互作用来检测通道的生理活性和功能。

4、有哪些方法可用来确定离子通道生理功能？

（1）电压钳技术

膜对某种离子通透性的变化是膜电位和时间的函数。用玻璃微电极插入细胞内，利用电子学技术施加一跨膜电压并把膜电位固定于某一数值，可以测定该膜电位条件下离子电流随时间变化的动态过程。利用药物使其他离子通道失效，即可测定被研究的某种离子通道的功能性参量

（2）单通道电流记录技术

用特制的玻璃微吸管吸附于细胞表面,使之形成10～100GΩ的密封，被孤立的小膜片面积为μm2量级,内中仅有少数离子通道。然后对该膜片实行电压钳位，可测量单个离子通道开放产生的pA（10-12安培）量级的电流，这种通道开放是一种随机过程。通过观测单个通道开放和关闭的电流变化，可直接得到各种离子通道开放的电流幅值分布、开放几率、开放寿命分布等功能参量，并分析它们与膜电位、离子浓度等之间的关系。

（3）通道药物学研究

结合对药物分子结构的了解，不但可以深入了解药物和毒素对人和动物生理功能作用的机制，还可以从分子水平得到通道功能亚单位的类型和构象等信息。

（4）通道蛋白分离、通道重建和基因重组技术

利用与通道特异结合的毒剂标记，可把通道蛋白质从膜上分离下来，经过纯化，可以测定各亚单位多肽的分子量。然后，把它们加入人工膜，可重新恢复通道功能。

5. 植物功能基因组学的研究策略

植物功能基因组研究就是指利用各种手段，将未知的基因序列加以功能的注释、赋予功能的含义，是实现从量到质转变的关键过程。基本策略是从研究单一基因或蛋白质上升到从系统角度研究所有基因或蛋白质。第一是模式生物组：研究基因功能最有效的方法是观察敲除基因或者是超表达后再细胞或整体水平上产生的表型变化，这需要选择一个有效的模式基因组，如拟南芥，水稻等。第二是研究基因的表达，方法主要有：表达序列标签，基因芯片和微点阵，基因表达系统分析法。除此之外，插入性诱变以及基因沉默技术，蛋白质组学，生物信息学，液相原位PCR技术也是研究基因组学的技术

6.植物功能基因组学研究新进展

功能基因组学的研究又被称为后基因组学研究，它是利用结构基因组学提供的信息和产物，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对多个基因或蛋白质同时进行系统研究。

基因功能基因组学中利用T—DNA插入诱导产生突变进行基因功能分析，利用转座子系统诱导产生突变进行基因功能分析，基因表达系列分析技术，表达序列标签技术，利用同源序列研究分析基因功能，利用生物芯片进行基因功能分析。通过综合运用这些新技术对成千上万的基因表达进行分析和比较，力图从基因组整体水平上对基因的活动规律进行阐述

7. 简述基因工程的原理。

基因工程主要是DNA重组技术是指在体外把不同基因进行人工“剪切”、“组合”和“拼接”使基因得以重新组合，然后通过载体进行无性繁殖，要使新的基因在受体细胞的表达，产生人类所需要的物质，或组建新的生物类型。

主要内容: (1) 从生物有机体复杂的基因组中,分离出带有目的基因的DNA片段。(2) 将带有目的基因的DNA 片段连接到能够自我复制并具有选择标记的载体分子上, 形成重组DNA 分子。(3) 将重组DNA 分子引入到受体细胞。(4) 带有重组体的细胞扩增,获得大量的细胞繁殖体。(5) 从大量的细胞繁殖群体中,筛选出具有重组DNA 分子的细胞克隆。(6) 设法使目的基因实现功能蛋白的表达。

8.谈谈你对转基因生物安全的看法（参考啊）

转基因技术是指运用科学手段从某种生物体中提取所需要的基因，将其转入另一种生物中，与另一种生物的基因进行重组，再从结果中进行数代的人工选育，从而获得特定的具有变异遗传性状的物质。

转基因技术有着重要的意义：（1）增加产量。（2）改良品质。（3）增强抗逆性。（4）生产转基因药品。将一种有治疗作用的基因植入某种食品,人们只需吃食物就能预防或治疗疾病。（5）转基因食品的安全性在某种程度上甚至超过传统食品，尤其在微生物毒素、农药残留和营养含量等方面表现优异。

同时，任何事物的发展都是具有双面性的。转基因技术也可能会给人类社会和环境的发展带来负面的影响。转基因技术对生态系统和人类健康的危害体现在下面几个方面:（1）基因漂移。（2）转基因植物产生的杀虫毒素可由根部渗入土壤,对土壤生物及微生物和环境产生不良影响。（3）转基因产品的毒性, 能引起人的过敏反应，影响人体抵御病毒的能力，造成不可预知的后果。（4）转入植物的标记基因(特别是抗生素基因) ,扩散到其他微生物中并使其产生新的抗药性。

由此看来，转基因技术尚存在一些弊端，如果不负责任、不顾后果、不加限制地使用转基因技术，最终必会伤害我们人类自己。

9. 简述资源生物技术的主要内容，试分析该技术在哪些生物产业领域有重要应用，请举例说明。

生物技术是利用生物体或者生物的组织细胞及组分的特征和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，以及与工程原理相结合进行加工生产，为社会提供产品和服务的综合性技术体系。

（1）农业：结合基因组学和转基因技术的发展我国获得了一些列优质、丰产、抗病、抗虫的新品种。

（2）医药：现代生物技术在预防、诊断和治疗影响人类健康的疾病方面发挥了重要的作用。生物药品是以微生物、寄生虫、动物毒素、生物组织为起始原料，采用生物学工艺或分离纯化技术制备，并以生物学技术，分析控制中间产物和成品质量制成的生物活化剂（抗原、单克隆抗体等）。

（3）工业：利用生化反应进行工业品的生产加工技术，以生物催化剂为核心把生命科学的发现转化为实际的产品，以满足社会的需要。

（4）环境：由于人类活动自身造成的各种污染对环境生态的破坏，已成为威胁人类健康、制约经济发展的严重问题，生物技术在治理环境污染，改善人类生活环境质量

（5）海洋：包括探索、开发和利用有价值的海洋生物，优良养殖品种的培育和病虫害防治，海洋生物天然产物的利用，海洋特殊功能的利用，海洋生态系统的利用。

10. 请列举一些能加速新药发现以及新药研究开发进程的思路和方法，并简要说明理由。

1.以计算机辅助药物设计,加速新药研究开发的进程，增加其自动化程度及新药筛选的精确性和灵敏度:计算机辅助药物设计以计算机作为操作界面和辅助手段, 利用计算化学、

分子图形学等技术,将理论思维形象化,使药物设计更加直观、便捷和有效。

2.通过对人类基因组进行研究, 并由此筛选出有潜在药用价值或与疾病相关的基因:利用cDNA文库技术，可以找到疾病组织中表达上调的基因，以此作为潜在的药物靶点。

3.利用细胞的信息传导机制来研究开发新药：现代新药研究与开发的关键首先是寻找、确定和制备药物筛选靶—分子药靶。

4.采用基于模型的药物研发模式，它是采用定量研究的方法，通过建模与模拟技术，进行药物研发的一种新的研发模式。好的 PM模型得出的分析结果，可有力支持药物的安全性、有效性信息，增加临床试验的经济性和效率，甚至可省略部分临床试验，即可得到上市批准的许可。

5.利用细胞凋亡的机制来筛选抗肿瘤、抗老化、抑制心脑血管病的药:

6. 利用炎症免疫反应的机制来筛选抗炎症的药

7.利用结构与功能的关系,并结合三级结构的模拟来达到新药研究开发与设计的目的

8.利用细胞内分子之间的相互作用或细胞外分子与膜上蛋白的相互作用机制来研究开发新药。

11. 试论述发展生物制造技术的重大意义。

生物制造技术是指将生命科学和材料科学的知识融入到制造技术中，在各种交叉技术的支持下，运用先进的制造模式和方法来生产具有一定生物功能的组织和器官。

意义：生物制造与人民的生命及健康有着密切的关系，它的研究以各类人工器官或组织的制造作为其最终目标，当前目标是提供具有一定生理、生化功能的功能体或仿生产品，并且能够初步用于医学临床。

12. 近年来G蛋白偶联受体的晶体解析获得了巨大的进展，当G蛋白

偶联受体的晶体结构被解析后，如果你是该领域的研究者，你将利用

这些结构信息开展什么样的工作？你所想解决的科学问题和具体的

研究思路和目标将是什么？

（1）结构：G蛋白偶联受体是与G蛋白有信号连接的受体的统称。G蛋白为乌苷三磷酸（GTP）结合蛋白的简称，是GTP结合蛋白，在细胞内信号传导途径中起重要作用的，由α，β，γ三个不同亚基组成。

（2）工作：根据结构信息我们可以研究G蛋白偶联受体在生理过程中的作用

G蛋白偶联受体传递信号的机理包括几个主要步骤：首先来自细胞膜外侧的配体与受体相结合，引起后者的构象变化，这个过程也称为受体的激活。发生了构象变化的受体随即会激活附着在其细胞膜内侧端的G蛋白，表现为G蛋白上原先结合的GDP被替换为GTP。激活后的G蛋白会进一步引发一系列的下游效应。

（3）解决的问题：根据相关文献及研究报告，我们了解到某种病的病发与G蛋白偶联受体相关，借以进行相关药物的开发，从而达到治疗的目的。

（4）研究思路：G蛋白偶联受体是人体内最大的膜表面受体，其结构和在细胞中的作用决定了它是极具吸引力的新药开发的有效靶点，根据它的结构以及病发过程中传递信号机理，反推药物的性质以及结构，从而研发出具有特异性的药物。作用于G蛋白偶联受体的药物通过调节有关GPCR介导的信号传导可以对于疼痛、高血压、胃溃肠、鼻炎、哮喘、

抑郁症、精神分裂症、失眠、高血压、虚弱、焦躁、紧张、肾功能衰竭、心血管疾病和炎症等各类疾病具有良好地治疗作用。

（5）目标：研发出药物并治愈疾病

13.基因组学、蛋白质组学等为生物科学提供了有效的工具和海量的信息，如果在你的研究工作中，涉及到一种新的蛋白质，你将从哪些角度和层面利用基因组学、蛋白质组学的工具和信息，想要解决的科学问题和研究思路是什么？

1）首先，对于一个新的蛋白质我们要进行分离纯化，确定其分子量的大小及其序列信息，可以运用质谱仪进行测定。

2）查找蛋白质组学相关数据库，如BLAST。一方面找有没有相关工作提供一些可供分析的信息；另一方面比对序列信息，看看在不同物种间是否该蛋白具有某些保守区段，并且在别的物种中是否有一些功能已被确定。

3）至于蛋白质的结构，我们可以借助SWISS-MODEL、PSI-BLAST等数据库进行三维结构的预测。

4）由蛋白质数据库搜索同源信息，反推核酸序列，设计引物，进行目标基因的扩增。5）拿到基因序列后，可进行亚细胞定位，融合表达GUS研究一下在不同组织和生长发育阶段的表达情况，同时可以连个GFP基因在表达该蛋白的细胞内看看具体表达位置。进行体外表达研究蛋白质活性，超表达或基因敲除研究蛋白质的功能，利用酵母双杂交研究与其他蛋白质的相互作用等。

14. 生物能源主要有哪些品种？其发展状况如何？

生物能源是指利用生物可再生原料及太阳能生产的能源，包括生物质能、生物液体燃料及利用生物质生产的能源，如燃料酒精、生物柴油、生物质气化及液化燃料、生物制氢等。目前生物能源的主要形式有燃料乙醇、生物柴油、生物制氢和沼气等。

1.燃料乙醇的发展现状和前景燃料乙醇是指按照一定的比例加入汽油或柴油中的无水乙醇，它可以提高汽油的辛烷值，使其完全燃烧，同时又减少汽车废气中的焦油，二氧化碳，氧化氮等的排放。所用的原料主要有淀粉类，像木薯、甘薯、玉米、高粱等；糖质原料像甘蔗；纤维素原料像农作物秸秆、木材及植物，是最大的原料来源。从长远看，纤维植物转化为乙醇才是降低成本、解决原料有限的问题的有效途径。

2.生物柴油的发展及前景生物柴油是指油料作物，工程微藻等水生植物、动物油脂或餐饮垃圾油等为原料，通过生物或化学手段将其转化成为可替代石化柴油的高脂酸甲烷。目前植物油是生产生物柴油的主要原料。

3.生物制氢生物制氢是指以碳水化合物为氢的供体，利用细菌来制备氢气。生物制氢的原料丰富，像精制糖废水、豆制品及废水、乳制品、淀粉、麦麸、植物秸秆等，其中以葡

萄糖、纤维素为原料研究较多。。它是未来能源制备技术的发展方向之一，虽然现在产氢效率低，但各国正积极努力发展。

综上所述，生物能源的发展有着广阔的前景，是解决能源危机和环境污染的最为有效的途径，也是可持续发展的必然选择。

15. 试以油脂为例，说说它的生物炼制技术进展。

生物柴油在能源性质方面可以完全替代化石柴油,当前利用动植物油脂生产生物柴油,原料成本偏高,而且稳定、充足的油脂原料供应体系尚未形成。我国是油脂资源短缺国家,近年来植物油进口量逐年增加。同时,我国耕地资源匮乏,粮食供应形势不容乐观,扩大油料作物种植的潜力非常有限。但是,我国因林地丰富,农林废弃生物质资源量巨大，应加快微生物油脂发酵技术创新和产业化进程;同时,利用植物遗传育种技术提高油料作物产量。

生物柴油制备方法包括生物法和化学法。生物法中的脂肪酶具有原料适用性广、安全、无污染、能耗低等优点，但存在酶成本相对较高、易失活、反应时间长等问题。因此获得半衰期长、重复使用次数多、后处理工艺简单的酶是生物法的关键问题。目前在脂肪酶的固定化、高效脂肪酶基因工程菌的构建以及发酵工艺优化等方面做了许多工作。

16、与传统制剂技术相比，简述肿瘤纳米药物制剂技术的优势，并举例说明

目前对肿瘤的治疗，主要由外科手术治疗、放射治疗及化学药物治疗。而传统的化疗存在许多问题：1.药物选择性差，在杀伤癌细胞的同时，对正常细胞和组织也有一定损害；2.抗癌药物注射后，经过肝和血液循环才能达到靶部位，相当数量的药物会与血浆蛋白结合而失活，药效明显降低；3.肿瘤组织间隙存在较大渗透压梯度，阻碍药物分子从血管向肿瘤深部转运；4.多药耐药，多次使用化疗药物会导致耐药产生，成为化疗失败的主要原因。

纳米药物制剂技术用于肿瘤治疗主要指纳米载药系统，它有以下优势:1.通过聚乙二醇PEG等修饰，避免其被网状系统清除，达到长循环的目的；2.通过控制粒径等，增强EPR效应，促进药物在肿瘤组织中蓄积；3.对纳米载体表面进行修饰，通过配体-受体、抗原-抗体介导，实现肿瘤细胞的主动靶向，并促进纳米药物向细胞内转运；4.通过对纳米载体表面进行修饰，抑制肿瘤细胞的多药耐药性机制，或者引入促进药物从溶酶体逃逸的机制，提高药物在细胞内的有效浓度；5.应用纳米载药系统，增强药物特别是蛋白类药物的稳定性，可以提高某些药物溶出度及透过生理屏障的能力，比如核酸类药物经过载药可以增强其穿过细胞膜的能力；6.通过纳米载药系统给药，还可以实现药物的共输送，达到多靶点治疗的目的17、与传统医学诊断技术相比，简述肿瘤纳米诊断技术的优势，并举例说明

恶性肿瘤是人类的一大杀手，如何对其有效的诊治一直是医学界努力攻克的难题。目前确诊恶性肿瘤最有效的手段是病理诊断，但准确性往往受限于操作医生的工作经验。长度仅为1～100 nm 的纳米装置能够自由进出人体细胞,与以往的诊断和治疗手段相比具有体积小,生物相容性好和器官靶向能力强等优势,为肿瘤的诊断提供了新的功能平台。

（1）敏感性与特异性更强。利用纳米粒子的吸附、信号放大、催化以及特殊的荧光信号与增强光谱信号性能,可以显著增强传统方法检测的灵敏度与特异性。例如,纳米碳管能显著增强PCR反应效率。

（2）分子影像技术方面，以超顺磁氧化铁和细小超顺磁性氧化铁为代表的核磁共振造影剂,通过明显改变质子从激发态到基态的衰减时间,来提高MRI成像对病变的检出。

（3）在量子点基础上的诊断技术方面，由于荧光量子点的尺度量子效应,它们表现具有独特的光致发光性能，目前荧光量子点已用于免疫分析、基因分析、活体及细胞荧光成像等领域,可能为某些肿瘤的早期诊断提供一种新型分子诊断手段。

18、与传统生物材料相比，简述纳米生物医用材料的优势，并举例说明

和生物医用材料相对应,纳米生物医用材料主要包括纳米生物医用无机材料、纳米生物医用高分子材料、纳米生物医用金属材料、纳米生物医用复合材料等. 由于纳米材料相对于宏观材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应，使得具有纳米尺度的生物医用材料具有许多新奇的优良特性。

纳米陶瓷的问世,使陶瓷材料的强度、硬度、韧性和超塑性都大为提高。纳米生物陶瓷材料晶粒尺寸的减小,改变了材料的表面粗糙度,从而增强了成骨细胞的成骨功能及代谢活动,与相应的常规陶瓷比较,纳米氧化铝更能增强成骨细胞的功能及代谢活动,即具有更加良好的细胞相容性。这样,它们与活细胞有良好的相互结合性能,可以成为矫形科和牙科手术的良好材料.

采用电纺相分离技术制备模拟人体细胞外基质-胶原纤维环境下的微结构比传统多孔支架具有更良好传递营养和代谢产物的能力,更好地诱导细胞和组织生长;采用电纺技术和基团技术结合,获得可控释DNA的纳米纤维支架,为调控组织生长过程中生物信号提供了可能。