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

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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

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的DNA或RNA片段，支持著生命的基本構造和性能，是決定生命健康的內在因素。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構，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，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，明確所有基因的結構和功能。從而探尋堿基對組成-堿基對序列-人類生命現象的內在規律，為疾病的預防和診治提供科學依據，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個國家的多個科學研究機構共同參與實施，融合了分子生物學、化學、物理學、機器人技術和計算科學等多個學科的知識，打破了研究學者獨自探索并解決科學問題的傳統格局，開啟了協同創新科學探索的新途徑。歷經多年的努力，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”的傳統規則，搜集人類基因數據，成功建立起一個全球共享的人類基因組數據庫，通過共享數據促進生命科學的快速發展，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，效率低，此后發展出的高通量測序技術可加快基因測序效率，并大大降低成本；②六國科學家通過多學科、多領域及多部門的積極合作，實現協同創新；③人類基因組計劃中的數據分析效率低下，為獲得每條染色體的連續序列，第一個人類基因組序列是將零碎產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展應當從以下幾個方面做出努力：①開發高通量制備及表征技術，利用高通量的實驗手段，加速材料研發進程；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據平臺，建立材料科學協同創新網絡，實現“云研發、云集成、云創新”的先進理念；③構建材料基因大數據庫，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與應用的進程。

此外，我們還應當充分認識到材料基因組與人類基因組的區別，人與人之間基因相似度為99.9%，基因的結構是明確的雙螺旋結構，只是基因序列上存在堿基對的排列差異，從而導致人與人之間的不同。而材料的微觀結構更加多樣化，不但成分組成可以不同，微觀形貌等結構也可能千差萬別，其組成-結構-性能之間的關系更加復雜。為此應當將先進的材料研發技術與更多元的高通量制備和表征裝備相結合，打破傳統研發模式，為材料基因組計劃的實施提供強大的技術支持與裝備保障。

在中國材料基因組計劃大力發展的趨勢下，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發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，完美結合材料基因芯片技術與高通量制備和表征裝備，通過技術、機制、模式的創新，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)