對比人類基因　探秘材料基因——人類基因組計劃對材料基因組計劃的啟發(fā)

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對比人類基因探秘材料基因——人類基因組計劃對材料基因組計劃的啟發(fā)

李楠楠，沈一筍，臧亮，閆宗楷，向勇*

(寧波國際材料基因工程研究院，浙江 寧波315000)

“材料基因組計劃”中的基因一詞引用了“人類基因組計劃”(Human Genome Project，HGP)中基因的概念。在人類基因組中，基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA或RNA片段，支持著生命的基本構(gòu)造和性能，是決定生命健康的內(nèi)在因素。DNA由腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶4種堿基通過兩兩配對形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，堿基對不同的組成序列決定了基因中所攜帶的不同的遺傳信息，從而決定生命體的不同機能。因此人類基因組計劃的核心是利用第一代基因測序技術(shù)，檢測人體約2.5萬個基因中30億個堿基對組成的核苷酸序列，明確所有基因的結(jié)構(gòu)和功能。從而探尋堿基對組成-堿基對序列-人類生命現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律，為疾病的預(yù)防和診治提供科學(xué)依據(jù)，更好地認識和保護生命體。

人類基因組計劃最早也是由美國能源部于1985年提出草案，于1990年10月正式啟動。該計劃由美國、德國、日本、英國、法國和中國6個國家的多個科學(xué)研究機構(gòu)共同參與實施，融合了分子生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、機器人技術(shù)和計算科學(xué)等多個學(xué)科的知識，打破了研究學(xué)者獨自探索并解決科學(xué)問題的傳統(tǒng)格局，開啟了協(xié)同創(chuàng)新科學(xué)探索的新途徑。歷經(jīng)多年的努力，于2003年以99.99%的精度提前兩年完成人類基因組測序工作。人類基因組計劃一反“假說推動研究”的傳統(tǒng)規(guī)則，搜集人類基因數(shù)據(jù)，成功建立起一個全球共享的人類基因組數(shù)據(jù)庫，通過共享數(shù)據(jù)促進生命科學(xué)的快速發(fā)展，揭秘生命起源奧秘。

人類基因組計劃的成功實施為材料基因組計劃提供了寶貴的經(jīng)驗：①人類基因組計劃所使用的基因測序工具是第一代基因測序技術(shù)，效率低，此后發(fā)展出的高通量測序技術(shù)可加快基因測序效率，并大大降低成本；②六國科學(xué)家通過多學(xué)科、多領(lǐng)域及多部門的積極合作，實現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新；③人類基因組計劃中的數(shù)據(jù)分析效率低下，為獲得每條染色體的連續(xù)序列，第一個人類基因組序列是將零碎產(chǎn)生的上千個單獨序列片段(每個約100~300個堿基)通過計算拼接而成，這嚴重阻礙了人類基因組計劃的推進。

借鑒人類基因組計劃，認為材料基因組計劃的發(fā)展應(yīng)當(dāng)從以下幾個方面做出努力：①開發(fā)高通量制備及表征技術(shù)，利用高通量的實驗手段，加速材料研發(fā)進程；②整合全球力量，覆蓋適用于不同材料類型的實驗裝備和數(shù)據(jù)平臺，建立材料科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)“云研發(fā)、云集成、云創(chuàng)新”的先進理念；③構(gòu)建材料基因大數(shù)據(jù)庫，并形成計算仿真、定制實驗，提高實驗靶向性，從而促進新材料研發(fā)與應(yīng)用的進程。

此外，我們還應(yīng)當(dāng)充分認識到材料基因組與人類基因組的區(qū)別，人與人之間基因相似度為99.9%，基因的結(jié)構(gòu)是明確的雙螺旋結(jié)構(gòu)，只是基因序列上存在堿基對的排列差異，從而導(dǎo)致人與人之間的不同。而材料的微觀結(jié)構(gòu)更加多樣化，不但成分組成可以不同，微觀形貌等結(jié)構(gòu)也可能千差萬別，其組成-結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系更加復(fù)雜。為此應(yīng)當(dāng)將先進的材料研發(fā)技術(shù)與更多元的高通量制備和表征裝備相結(jié)合，打破傳統(tǒng)研發(fā)模式，為材料基因組計劃的實施提供強大的技術(shù)支持與裝備保障。

在中國材料基因組計劃大力發(fā)展的趨勢下，寧波國際材料基因工程研究院于2015年8月成立。研究院匯聚國際材料基因芯片技術(shù)發(fā)明人與多名國家材料基因組計劃重大咨詢項目專家組成員，完美結(jié)合材料基因芯片技術(shù)與高通量制備和表征裝備，通過技術(shù)、機制、模式的創(chuàng)新，為中國材料基因組計劃的實施不懈努力。

(通訊作者：向勇，男，1977年生，教授，寧波國際材料基因工程研究院院長，Email: jinl@mgi.org.cn)