主要研究內(nèi)容自然狀態(tài)下單蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)表征課件

1、彭 群 生浙江大學CAD&CG國家重點實驗室2003年12月計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日生物分子幾何及圖形學研究背景基因及蛋白質(zhì)簡介蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖形描述研究目標主要研究內(nèi)容研究特色總結(jié)計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University內(nèi) 容 提 要隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字化浪潮席卷全球。計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University背 景目前對宏觀世

2、界的建模已經(jīng)得到了廣泛研究。21世紀是生命科學的世紀，人們的視野逐漸轉(zhuǎn)入構(gòu)成生命的微觀結(jié)構(gòu)以及它們之間的相互作用。計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)：人類健康長壽的希望人體基因數(shù)目僅比低等生物線蟲多兩倍。如此少的基因是如何創(chuàng)造出人體如此復雜的生命活動的？人體基因的主要功能是通過蛋白質(zhì)來實現(xiàn)的，蛋白質(zhì)扮演著構(gòu)筑生命大廈的主要角色。人體中大約有10萬種蛋白質(zhì)。計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zh

3、ejiang University蛋白質(zhì)：人類健康長壽的希望蛋白質(zhì)是生命活動的物質(zhì)基礎，具有防御、調(diào)節(jié)、催化、收縮、儲存、運輸、運動、緩沖等多種生命功能。如果蛋白質(zhì)不足、結(jié)構(gòu)有誤或缺損，其功能就會失調(diào)，人體就會生病。計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)：藥物設計的鑰匙近年來新型功能蛋白的不斷發(fā)現(xiàn)，為人類征服癌癥、艾滋病、帕金森氏癥、老年癡呆癥、糖尿病等開辟了光明前景。 日本國立癌癥中心：乳鐵蛋白具有預防大腸癌發(fā)生與 擴散的作用，計劃從牛奶中提取它并制成抗癌藥物。 上海藥物所

4、等單位：完成SARS病毒的3個關(guān)鍵蛋白的表 達，并進行了初步的驗證。其中一種蛋白已開始用于 抗SARS病毒藥物的體外篩選。 計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University基 因基因是一段DNA（脫氧核糖核酸分子）雙鏈。 堿基成對出現(xiàn): -ATCGGCC- -TAGCCGG-計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University基因表達中的信息流中心法則（The Central Dogma） 計

5、算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)翻譯計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)的組成氨基酸是蛋白質(zhì)的單體。天然存在于蛋白質(zhì)中的氨基酸共有20種。氨基酸由肽鍵相連形成多肽鏈。計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)折疊折疊漏斗折疊時間極短計算機

6、科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次一級結(jié)構(gòu) - 氨基酸序列二級結(jié)構(gòu) - 主要由氫鍵穩(wěn)固的局部構(gòu)象， 如-helix, -sheet等三級結(jié)構(gòu) - 三維構(gòu)象四級結(jié)構(gòu) - 多個多肽鏈的組合計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)功能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系功能=運動著的結(jié)構(gòu)！計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab o

7、f CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)的相互作用生命由蛋白復合物納米機器運轉(zhuǎn)著Examples - 癌癥形成的重要機制之一 - 細菌的排藥性計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)的相互作用癌癥形成的重要機制之一 - 轉(zhuǎn)錄因子的持續(xù)激活（P53）計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)的相互作用細菌的排藥性 - AcrA AcrB To

8、l C - 乙酰螺 旋霉素 抗性 計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University計算機輔助藥物設計充分認識和徹底了解人和生物體內(nèi)活分子(living molecules)的運動規(guī)律，無疑是21世紀化學亟待解決的重大難題之一。 徐光憲院士現(xiàn)有藥物 篩選模式 - HTS: High Throughput Screening - 困難：無體內(nèi)活性計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University

9、計算機輔助藥物設計計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖形描述線框表示棍狀表示計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖形描述球棍表示CPK表示計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖形描述帶狀表示管片表示計算機科學面臨的

10、挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖形描述分子表面 - 分子可視化 - 分子對接 - 基于結(jié)構(gòu)的藥物設計 - 計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University圖形描述的困難性單分子描述 - 折疊運動過程高度復雜且在瞬間完成，很 難由實驗捕獲。 - 雖然有很多工作集中在預測蛋白質(zhì)折疊最 終結(jié)果，但預測準確度并不高。計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日St

11、ate Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University圖形描述的困難性多分子描述 - 對多分子的結(jié)構(gòu)信息缺乏有效描述。 - 蛋白質(zhì)相互作用過程異常復雜，目前的研 究仍建立在實驗和猜測的基礎上，缺乏有 效的計算機模型及預測機制?？朔﨑ocking計算的不足之處體內(nèi)活性的預測發(fā)現(xiàn)新的藥物作用機理計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University計算機輔助藥物的新挑戰(zhàn)計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD

12、&CG, Zhejiang University現(xiàn) 狀急需對這些數(shù)據(jù)進行分析和綜合，構(gòu)建起可全面揭示蛋白質(zhì)本質(zhì)的結(jié)構(gòu)功能模型。需要基于已知的分子結(jié)構(gòu)功能，推演和預測未知的分子結(jié)構(gòu)和功能，并在此基礎上，實現(xiàn)蛋白質(zhì)復合結(jié)構(gòu)的CAD設計和定制。隨著分子生物學的深入發(fā)展，有關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的信息數(shù)據(jù)大量積累。計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University研究目標將現(xiàn)有的計算機建模理論和方法拓展到微觀世界。從微觀結(jié)構(gòu)上對復雜生命功能進行剖析，揭示生命的奧秘。 自然狀態(tài)下單蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)表征 多蛋白質(zhì)

13、分子相互作用的計算機仿真 面向生物大分子的交互可視環(huán)境計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University主要研究內(nèi)容自然狀態(tài)下單蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)表征 - 基于實驗捕獲數(shù)據(jù)的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的三維重建 - 蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的幾何學、物理學模型 - 蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的多級幾何分解、重構(gòu)及分析 - 蛋白質(zhì)分子三維結(jié)構(gòu)內(nèi)在特征的識別和抽取 - 蛋白質(zhì)分子三維幾何和拓撲結(jié)構(gòu)的快速預測 - 蛋白質(zhì)分子的亞結(jié)構(gòu)單元之間的物理、電磁及化學作用 的模擬 - 蛋白質(zhì)分子折疊過程的動態(tài)仿真 計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討

14、會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University主要研究內(nèi)容蛋白質(zhì)分子間相互作用的計算機仿真 - 蛋白質(zhì)相互作用的建模、求解與仿真 - 針對多蛋白質(zhì)分子相互作用仿真的并行算法 - 蛋白質(zhì)復合結(jié)構(gòu)的CAD設計及定制 - 蛋白質(zhì)分子與小分子的對接算法 - 生物傳輸途徑（Biology pathway）的建模、求解及仿真 - 計算機輔助藥物分子設計計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University主要研究內(nèi)容面向生物大分子的

15、交互可視環(huán)境 - 生物大分子復雜三維結(jié)構(gòu)的實時顯示 - 生物大分子結(jié)構(gòu)及屬性的實時分析和交互可視化 - 適合生物學家深入探索的用戶交互界面 - 具自主知識產(chǎn)權(quán)的、面向生物大分子的交互可視、 分析軟件 計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University主要研究內(nèi)容普通生物學強調(diào)蛋白質(zhì)相互作用的現(xiàn)象及功能信息，對作用方式、作用部位不能清晰揭示。計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University研

16、究 特 色結(jié)構(gòu)生物學強調(diào)能量信息（化學鍵和電子云），目前僅限于單分子或雙分子。計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University研 究 特 色基因組學的研究偏重于基因組 序列的比對、分析和解釋，一般采用基于統(tǒng)計的方法。計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University研 究 特 色以計算機為輔助工具，通過對蛋白質(zhì)分子靜態(tài)和動態(tài)的幾何及拓撲信息的表征，使對微觀結(jié)構(gòu)的探測、分析過程達到可視化、精確化、可預測化。20世紀生物學最宏偉的計劃“人類基因組作圖與測序”已近于完成。生命科學的研究正步入嶄新的蛋白質(zhì)組學時代。計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University總 結(jié)計算機科學面臨的挑戰(zhàn)高層研討會 廈門 2003年12月2628日State Key Lab of CAD&CG, Zhejiang University總 結(jié) 生物分子幾何及圖形學研究