基于约束的建模方法在代谢网络中的应用研究

代谢网络在各种细胞功能和生命过程中发挥着至关重要的作用。随着细胞网络重建工程的迅速发展,可用的基因组水平代谢网络越来越多,因而计算方法在这些网络的结构功能分析中越来越重要。基于约束的建模方法不像图论方法那样仅考虑代谢模型的纯拓扑结构,也不像各种动力学建模方法那样需求详尽的热力学参数,因而极具优势。采用基于约束的建模方法对一个含619个基因,655个代谢物和743个代谢反应的金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)代谢网络进行了分析,主要研究了该模型的网络结构特征,以及其最优生长率、动态生长情况和基因删除学习等。本研究提供了一个对金黄色葡萄球菌代谢网络进行约束建模分析的初步框架。     

人类股骨断面面积与形状的不对称性——基于三维激光扫描的形态测量分析

人类股骨横断面面积、形状及其左右侧差异记载的人类演化、人群差异及生存活动的重要信息一直为古人类学研究所关注。多年来, 对股骨断面的研究通常采用破坏性地切割或者制作模型的方法。本文利用三维激光表面扫描技术, 无损、快捷、方便地获取了20对现代中国人左右侧股骨外轮廓的三维数据, 采用CAD软件及几何形态测量方法对两侧股骨断面轮廓的大小及形状进行了对比和分析。初步研究结果发现: 两侧股骨的横断面相对面积差异极其显著, 绝对面积差异不显著, 不对称方式表现为波动不对称性, 而不是偏向不对称性; 个体之间两侧股骨横断面外轮廓形状的波动不对称性极其显著, 偏向不对称性虽有差异但不显著; 平均形状和面积分析结果似乎表明股骨稍有偏左侧优势。虽然本文所采用的标本量有限, 所得出的结论需要更多标本的进一步验证, 但是, 本文的研究结果提示利用三维激光扫描技术获取股骨横断面外轮廓数据, 并采用形态测量方法分析确实能够揭示出一些以往研究方法不能发现的重要信息, 这种研究骨骼不对称性的新方法值得进一步的应用。     

茂原链霉菌谷氨酰胺转胺酶序列分析及三维结构建模

利用DNASTAR、VectorNTI9、SignalP等生物信息学平台对茂原链霉菌(Streptomyces mobaraensis)谷氨酰胺转胺酶(TGase)进行了序列分析和三维结构建模。结果表明:茂原链霉菌TGase同已报道其他微生物来源的TGase有较高的同源性,无信号肽,存在一个跨膜结构区,二级结构是由多个α螺旋、转角和少量β折叠构成。同时在一二级结构分析的基础上,利用同源建模的方法完成了三维结构的建模。     

猪瘟弱毒C81株全基因组测序及分子结构预测

参照已发表的猪瘟病毒弱毒株的序列,设计7对覆盖全长基因组的引物,通过RT-PCR从感染猪瘟病毒弱毒株的PK-15细胞中扩增得到7个cDNA片段,分别克隆到pMD18-T载体并测序,利用DNASIS软件获得猪瘟病毒C81株全基因组序列(GenBankAY663656).C81株基因组全长12310nt,只有一个大的开放阅读框,编码3898个氨基酸的聚蛋白.序列分析表明,C81株开放阅读框与其它各毒株核苷酸和氨基酸序列的同源性变化较大,分别为84.4%～99.6%和91.6%～99.4%.同时,我们绘制了26株CSFV ORF的进化树,比较了CSFV 5'非翻译区核苷酸序列并推测其二级结构,发现不同毒株之间存在较大的差异,另外对C81株聚蛋白的功能域和三维结构进行了预测.     

亚洲玉米螟幼虫酚氧化酶原基因序列的生物信息学分析

酚氧化酶原PPO是昆虫免疫的关键酶, 本文从生物信息学角度对亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis Guenée幼虫PPO进行分析, 为进一步研究其高级结构与功能的关系提供理论依据。利用我们已提交到GenBank的数据, 采用在线分析及MEGA4和RasMol软件对亚洲玉米螟酚氧化酶原（Of-PPO）的核苷酸和氨基酸序列、系统发生关系和蛋白质三级结构进行分析。结果表明: Of-PPO全长cDNA序列有2 686 bp, 包含一个2 079 bp的开放阅读框, 其推导的693个氨基酸序列中包含6个组氨酸残基构成的2个铜离子结合位点, 以及保守的硫羟酸酯区域。Of-PPO属于PPO2类群, 其N端不含信号肽, 无跨膜结构域区域, 无糖基化位点, 44个磷酸化位点均匀分布于整个多肽链中, 有2段序列可能形成卷曲螺旋, 有5个区域的氨基酸具较强疏水性, 其二级结构中α-螺旋占22.54%, 随机卷曲占56.79%。同源建模显示其三级结构为“α/β型”中的“滚筒结构”, 存在一个明显的空位, 可能与该酶催化活性有关。本文可为Of-PPO的实验研究和应用开发提供有价值的信息。     

假声带间距对喉腔内压力分布的作用及其对发声的影响

人类的发声不仅仅依赖于声带的振动．目前,越来越多的来自临床和仿真计算的结果都表明：作为喉部一个重要的狭窄通道,假声带（false vocal fold,FVF）在语音的产生过程中发挥着重要作用．本研究利用三维喉物理模型实验系统和仿真计算方法,在3个声门角（均匀声门和收敛／发散40°）、两个最小声门直径（0．04和0．06cm）及8cm水柱跨声门压条件下,对12个假声带间距（从0．02cm变化到2．06cm）在发声过程中的作用分别进行了研究．结果表明：（i）喉腔内压力在假声带间距处于1．5～2倍声门宽度时达到最小,此时气流量达到最大（对应最小的气流阻抗）;（ii）与在没有假声带条件下一样,发散声门能够比收敛和均匀声门给出更低的压力和更大的气流;（iii）假声带的出现会在某种程度上降低声门角的作用．更重要的是,（iv）假声带的出现会使得气流分离点向更下游移动,使声门气流喷射得更远,降低整个喉腔阻抗,同时减小气流能量的分散程度,说明假声带对发声效率具有重要影响．结果表明,这些结论应该与现有的发声模型（物理的或仿真计算的）相结合,从而能够更好地理解人类发声的机制．这些结果同时也对与发声问题相关的外科和康复科学研究具有促进作用．     

试论生物学建模在教学中的作用

建模是为了解决某些特定问题的一种重要的科学操作和科学思维方法.建模的基本思路是:通过分析、舍去了原型的一些次要细节、非本质的联系,以简化和理想化的形式去再现原型的各种复杂结构、功能和联系,从而更好地解决问题.在教学中对学生进行建模思想方法的教育,有利于培养学生应用生物学的意识和运用生物学思想、方法去解决实际问题的能力.     

同源建模关键步骤的研究动态

应用同源建模的蛋白质结构预测已经成为一种快速获得蛋白质结构的技术,这种技术也将成为完成结构基因组计划的有力工具.同源建模是指寻找与目标序列同源而且有实验测定结构的蛋白质作为模板,从而构建目标序列的结构模型的方法.限制这种方法的应用主要是同源建模的关键步骤,即目标与模板之间序列比对和环区建模的准确性.当模型的准确性达到令人信服的程度时,更为精确的计算机辅助药物设计和改造蛋白质,甚至设计全新功能的蛋白质将成为可能.综述了从算法和策略上提高同源建模关键步骤准确性的研究进展.     

心血管系统建模的研究进展

心血管系统是较早引入模型方法研究的系统之一.本文就心血管系统模型的国内外研究现状与进展以及心血管系统建模仿真的发展趋势进行综述.     

面向短QT综合征的药物作用建模与仿真研究

短QT综合征(short QT syndrome,SQTS)是以心电图QT间期、心室和心房不应期明显缩短为主要显性特征,并伴有晕厥、高发心源性猝死(sudden cardiac death,SCD)和恶性心律失常风险的一类遗传性心肌离子通道病.据目前资料信息,关于SQTS致病机理的报道比较多,而对SQTS药物治疗的报道罕见.为了揭示在SQTS下的药物作用,本文通过计算机仿真构建人体心室细胞和组织的药物作用模型,利用该模型,从亚细胞、细胞、组织三个尺度,模拟SQT1、SQT2和SQT3下的普罗帕酮药物作用过程,并仿真心电图的变化情况.仿真结果表明:在SQT1下普罗帕酮延长了动作电位时程(action potential duration,APD)和心电图QT间期,并降低T波幅值;相反,在SQT2和SQT3下普罗帕酮缩短了APD和QT间期.计算使用药物前后细胞间膜电压和APD空间离散度的变化,定量分析了普罗帕酮降低T波振幅的原因.总之,对SQT1,普罗帕酮有效;对SQT2和SQT3,普罗帕酮没有改变其致心律失常的危险.仿真结果为普罗帕酮用于临床治疗SQTS提供理论参考.