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(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2003年12月計算機(jī)科學(xué)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(xué)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(biāo)主要研究內(nèi)容研究特色總結(jié)計算機(jī)科學(xué)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(jī)科學(xué)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(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)，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(jī)科學(xué)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(fù)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(shí)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(jī)科學(xué)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(chǔ)，具有防御、調(diào)節(jié)、催化、收縮、儲存、運(yùn)輸、運(yùn)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(jī)科學(xué)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(shè)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(yù)防大腸癌發(fā)生與 擴(kuò)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(dá)，并進(jìn)行了初步的驗(yàn)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(jī)科學(xué)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(jī)科學(xué)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(dá)中的信息流中心法則（The Central Dogma） 計

5、算機(jī)科學(xué)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(jī)科學(xué)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(jī)科學(xué)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(jī)

6、科學(xué)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(jī)科學(xué)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(yùn)動著的結(jié)構(gòu)！計算機(jī)科學(xué)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(fù)合物納米機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)著Examples - 癌癥形成的重要機(jī)制之一 - 細(xì)菌的排藥性計算機(jī)科學(xué)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(jī)制之一 - 轉(zhuǎn)錄因子的持續(xù)激活（P53）計算機(jī)科學(xué)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(xì)菌的排藥性 - AcrA AcrB To

8、l C - 乙酰螺 旋霉素 抗性 計算機(jī)科學(xué)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(jī)輔助藥物設(shè)計充分認(rèn)識和徹底了解人和生物體內(nèi)活分子(living molecules)的運(yùn)動規(guī)律，無疑是21世紀(jì)化學(xué)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(jī)科學(xué)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(jī)輔助藥物設(shè)計計算機(jī)科學(xué)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(jī)科學(xué)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(jī)科學(xué)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(jī)科學(xué)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(shè)計 - 計算機(jī)科學(xué)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(yùn)動過程高度復(fù)雜且在瞬間完成，很 難由實(shí)驗(yàn)捕獲。 - 雖然有很多工作集中在預(yù)測蛋白質(zhì)折疊最 終結(jié)果，但預(yù)測準(zhǔn)確度并不高。計算機(jī)科學(xué)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(fù)雜，目前的研 究仍建立在實(shí)驗(yàn)和猜測的基礎(chǔ)上，缺乏有 效的計算機(jī)模型及預(yù)測機(jī)制?？朔﨑ocking計算的不足之處體內(nèi)活性的預(yù)測發(fā)現(xiàn)新的藥物作用機(jī)理計算機(jī)科學(xué)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(jī)輔助藥物的新挑戰(zhàn)計算機(jī)科學(xué)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(jìn)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(yù)測未知的分子結(jié)構(gòu)和功能，并在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的CAD設(shè)計和定制。隨著分子生物學(xué)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(jī)科學(xué)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(biāo)將現(xiàn)有的計算機(jī)建模理論和方法拓展到微觀世界。從微觀結(jié)構(gòu)上對復(fù)雜生命功能進(jìn)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(jī)仿真 面向生物大分子的交互可視環(huán)境計算機(jī)科學(xué)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(shí)驗(yàn)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(xué)、物理學(xué)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速預(yù)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(xué)作用 的模擬 - 蛋白質(zhì)分子折疊過程的動態(tài)仿真 計算機(jī)科學(xué)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(jī)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(fù)合結(jié)構(gòu)的CAD設(shè)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(jī)輔助藥物分子設(shè)計計算機(jī)科學(xué)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(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的實(shí)時顯示 - 生物大分子結(jié)構(gòu)及屬性的實(shí)時分析和交互可視化 - 適合生物學(xué)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(jī)科學(xué)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(xué)強(qiáng)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(jī)科學(xué)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(xué)強(qiáng)調(diào)能量信息（化學(xué)鍵和電子云），目前僅限于單分子或雙分子。計算機(jī)科學(xué)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(xué)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(jī)科學(xué)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(jī)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?fù)湫畔⒌谋碚鳎箤ξ⒂^結(jié)構(gòu)的探測、分析過程達(dá)到可視化、精確化、可預(yù)測化。20世紀(jì)生物學(xué)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(xué)的研究正步入嶄新的蛋白質(zhì)組學(xué)時代。計算機(jī)科學(xué)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(jī)科學(xué)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(xué)研究