今天生物學數據的巨大積累將導致重大生物學規律的發現，因此，如何從這些海量的生物學數據中提取有用的知識，成為了對生物學家、數學家、計算機學家等的巨大挑戰。由此引出了一門新興學科：計算生物學。當前，許多科學家對生物大分子計算模擬、計算機輔助藥物設計和計算生物學的發展給予了眾多的關注。 　　現代生物學研究的核心方法 　　據美國國立衛生研究院(NIH)的定義，計算生物學是指開發和應用數據分析及理論的方法、數學建模和計算機仿真技術，用于生物學研究的一門學科。隨著人類基因組計劃的實施和深入，生物學數據積累出現了前所未有的飛躍。不僅數據量呈指數級增長，而且，數據的本質也出現了從生理生化數據向遺傳信息的飛躍，以及進一步向遺傳與結構功能相互關系信息。這種科學數據的急速和海量積累，在人類的科學研究歷史中是空前的。雖然數據本身并不等于信息和知識，而僅僅是信息和知識的源泉，但人類科學研究史表明，科學數據的大量積累將導致重大的科學規律的發現。 　　計算生物學正在成為現代生物學研究的核心方法之一，成為當今生命科學最具活力的新興前沿學科之一。計算生物學運用大規模高效的理論模型和數值計算來識別基因組序列中代表蛋白質的編碼區，破譯隱藏在核酸序列中的遺傳語言規律；直接從蛋白質序列預測蛋白質三維結構以及動力學特征，研究生物大分子結構與功能的關系、生物大分子之間的相互作用以及生物大分子與配體的相互作用，促進蛋白質工程、蛋白質設計和計算機輔助藥物設計的發展；同時，歸納、整理與基因組遺傳語言信息釋放及其調控相關的轉錄譜和蛋白質譜的數據，模擬生命體內的信息流過程，從而認識代謝、發育、分化、進化的規律，使從基因組科學新視角來探究人類健康和疾病的各個方面、將人類基因組計劃的成功轉化為醫學領域的進步成為可能。 　　國內外高度關注 　　當前，計算生物學在國際上受到高度重視。美國國立衛生研究院是世界上從事生命科學研究最重要的研究機構之一，它的年度預算占了美國政府科學投入的60％左右。在人類基因組計劃的完成和后基因組時代到來之際，NIH經過與來自美國學術機構、政府部門和私人團體的300多名生物醫學權威人士長達一年多時間的一系列討論，于2003年形成了一個通向生命科學未來的“中長期發展規劃”--國立衛生研究院路線圖（NIHRoadmap）。NIH路線圖中啟動了一個“生物信息學和計算生物學”計劃，希望通過這個項目的實施而鋪設一條通向生命科學未來的“信息高速公路”。該項目計劃從2004年開始，建立數個“國立生物醫學計算中心”，以便開發相關軟件和數據管理工具。 　　在我國，國家自然科學基金委也將計算生物學作為重點資助的研究方向之一。對于將生物醫藥產業作為重點發展高科技產業的上海市，對計算生物學研究更是高度重視。中國科學院上海藥物研究所與美國SGI計算機公司聯合建立了計算生物學實驗室。中國科學院和德國最大的研究機構--馬克斯·普朗克學會合作，在上海共建計算生物學研究所。 　　促進新藥開發的有力手段 　　據中國科學院上海生命科學研究院副院長趙國屏介紹，計算生物學可望在以下幾方面促進人類基因組計劃以造福人類：鑒定基因和途徑在健康和疾病中的角色，測定它們與環境因素之間的關系；發展、評價以及應用以基因組為基礎的診斷方法來預測對疾病的易感性，預測藥物反應，進行疾病的早期診斷，在分子水平上對疾病精確分類。此外，重要的一方面就是，應用基因組和代謝通路的知識，通過分子模擬等方法進行計算機輔助藥物設計，縮短新藥開發周期，從而開發出有效的、新的疾病治療方法。 有關專家認為，分子模擬和計算機輔助藥物設計是當前計算生物學中的熱點問題，又是計算生物學與生物醫藥產業結合最緊密的方向，計算生物學在這些方面取得的進展將直接推動生物醫藥產業的發展。 　　新加坡國立大學計算科學系主任陳宇綜教授日前透露，新加坡國立大學計算科學系建立了一個藥物靶點數據庫TTD，包括1174個藥物靶點和1251個藥物/配體。通過對該數據庫數據的分析，發現好的藥物靶點一般都分布在1~2個代謝途徑上，而且傾向于與人類蛋白質的相似度較低。那用什么方法來尋找這些靶點呢？這就是計算生物學的問題。常用的計算方法有兩大類：一類是基于序列相似性的，其特點是準確度高，容易使用，但對于新出現的靶點則束手無策；另一類是基于結構和物理化學特性方面的相似性，它適用于傳統和新興的靶點，但要求現有靶點有較高的代表性。如果沒有確切的關于靶點三維結構的信息，可以使用支持向量機（SVM）等人工智能的方法來建立模型。 　　一種名為“IN”的酶是催化艾滋病病毒（HIV）進入人體基因的禍源之一，能否有效將其抑制直接關系到病情的發展。復旦大學唐赟教授領導的項目組運用計算生物學手段已模擬出“IN”的結構模型，在該研究基礎上將有望進一步設計出新的抗艾藥物。 　　目前世界上已發現兩種HIV：HIV-1和HIV-2。 　　目前HIV的研究以HIV-1為主。唐赟教授說，“IN” 　　的全名為HIV-1整合酶，負責將HIV-1整合進入人體，如何抑制它將是治療艾滋病的重要課題，而想要抑制它則必須先了解其完整結構。據介紹，“IN”的三塊結構都已被確定，但其整體結構卻一直難以證實。通過計算生物學中分子模擬的方法，他們得到了“IN”全長蛋白質及其病毒和人類DNA形成復合物的結構模型。這些結構模型能夠展示出“IN”是如何與HIV還有人類DNA進行相互作用的。 　　齊心協力共促發展 　　在過去十年里，計算生物學已經取得了長足的進展，如序列比對工具的發展、艾滋病感染計算模型的建立、疾病易感基因的識別和計算機輔助藥物設計等。但同時應看到，我們面臨的挑戰仍然很多，有的還相當艱巨，如藥物化合物的生物信息學篩選、根據復雜分子的結構預測其功能、提高蛋白結構預測的精度、建立更加準確、有效、綜合的系統動態模型、基因組的完全注釋等，這些都需要一大批從事生命科學和計算科學研究的專家學者投入更多的精力。 　　此外，由于計算生物學是一門交叉學科，需要生物學家、計算機學家、數學家等來自不同背景的研究人員通力合作。對于海量的生物學數據，如何從中挖掘出最有用的信息，是對生命科學以及醫藥研究的巨大挑戰。計算生物學家的任務，就是與生物學家、藥學家等緊密結合，提出解決問題的方法學。因此，構建一個可以讓不同專業背景的研究人員相互溝通交流的平臺，形成不同團體相互協調合作的機制，對于計算生物學的發展非常重要。 　　與國外有實力的大學、研究所、制藥公司等研發部門相比，我國的計算生物學研究無論是從人數和資金投入來說，都還不成規模，難以形成集群優勢。因而，加大對計算生物學的重視和投入，構建一個良好的計算生物學平臺，成為當前的迫切任務。