지난 세기 분자생물학의 돌파구는 생명과학의 성장점이 되어 생명과학이 자연과학에서의 지위에 혁명적인 변화를 일으켰다. 단백질, 효소, 핵산 등 생물 대분자의 구조, 기능, 상호 관계의 폭로는 생명현상의 본질과 활동 법칙을 연구하는 이론적 토대를 마련했다. 2 1 세기에 접어들면서 미국 에너지부는 에너지 및 환경 분야에서 생명과학의 응용을 위한 기반을 마련하는 새로운 전략 프로그램인 ——GTL(Genomes to Life) 프로그램을 시작했습니다.
1 GTL 프로젝트 배경
Post genome project 는 5 년간 65,438+0 억 달러의' 생명게놈 (Genomes to Life)' 을 후원해 2002 년 7 월 미국 에너지부 (American Department of Department) 에서 인간 게놈 프로젝트와 미국 미생물학 프로그램을 기반으로 65,438+0 에 공식 출범했다.
10 년 6 월 3 일 미국 에너지부는 새로운 생물연구종합프로그램인 ——GTL 프로그램 로드맵을 발표했다. GTL 로드맵은 기존 GTL 연구 프로젝트를 기반으로 확장되었습니다. 지금까지 800 여 명의 과학자와 기술 전문가가 이 프로젝트에 참여했다.
2 GTL 프로그램 목표
GTL 프로그램의 핵심 목표는 수천 개의 미생물 게놈과 미생물 시스템이 향후 10 ~ 20 년 동안 생명활동을 어떻게 조절하는지 이해하고 생물적 수단으로 환경문제를 해결하기 위한 길을 닦는 것이다. GTL 로드맵은 게놈 프로젝트에 대한 투자를 확대하여 국가가 에너지 및 환경 문제를 해결할 수 있도록 지원합니다. 이 연구는 지식 공백을 메우고, 생명기술을 개발하고, 바이오정보학을 데이터 마이닝, 계산 및 저장에 적용해야 한다.
GTL 프로그램의 기초는 생명계의 모든' 분자기계' 를 정확하게 묘사하고' 분자기계' 가 어떻게 생명에서 조화롭게 작동하는지 이해하는 것이다. 대량의 게놈 데이터와 관련 데이터, 특히 게놈 표현의 데이터, 그리고 단백질이 서로 다른 세포와 조건에서 조립하고 작용하는 데이터를 수집해야 한다.
GTL 프로그램의 구체적인 목표는 다음과 같습니다: (1) "분자 기계" 식별, 주로 단백질 화합물, 생명 시스템의 기본 기능 수행 (2) 분자 기계의 행동을 제어하는 유전자 조절 네트워크를 찾는다. (3) 자연 환경에서 미생물 군집을 이해한다. (4) 생물학적 시스템 모델을 구축하고 실현하는 데 필요한 컴퓨터 기술을 개발하다.
3 GTL 프로그램의 의미
2 1 세기 인류는 건강, 에너지, 환경 등 일련의 긴급한 문제에 직면해 있다. 생물학의 발전은 이러한 문제를 해결하는 관건이 될 수 있으며, 게놈 정보의 연구는 생명계의 분자 구성과 조절 메커니즘을 이해하는 기초이다. 전체 생물학적 시스템이 환경과 상호 작용하는 방식과 메커니즘을 이해하고 이 정보를 이용하여 후속 생물학 연구를 지도해야 합니다.
게놈의 유전자는 일정한 시공간 법칙에 따라 단백질로 표현되며, 단백질은 다른 단백질이나 핵산과 상호 작용하여 유기적인' 분자 기계' 를 형성해야 한다. GTL 프로그램의 구현은 생물학, 물리학 및 컴퓨팅 과학의 교차와 발전을 촉진하고, 실험 장비, 소프트웨어 도구, 분석 방법 및 과학적 사고의 획기적인 발전을 촉진하며, 다각적 인 생물체에 대한 포괄적 인 이해를위한 토대를 마련하고 생물과 환경 간의 상호 작용 및 영향에 대한 토론에 적용 할 것입니다. 이것들은 생명기술을 응용하여 에너지와 환경 문제를 해결하는 기초이다.
인간 게놈 프로젝트에 기반한 이 새로운 계획의 시행은 인간, 미생물 등 생물학적 시스템에 대한 전반적인 인식과 예측에 초점을 맞추고 환경 및 에너지 문제 해결을 위한 생명공학 수단을 제공한다.
(2): GTL 로드맵
2002 년에 미국 에너지부는 생명게놈 프로젝트 (Genomes to Life) 를 시작하여 인류가 생명기술을 이용하여 에너지와 환경 문제를 해결할 수 있는 수단을 제공했다. 10 년 6 월 3 일 미국 에너지부는 GTL 구현을 위한 지침을 제공하는 새로운 GTL 프로그램 로드맵을 발표했습니다.
1 GTL 프로그램 구현의 열쇠
GTL 로드맵은 GTL 계획의 구현 요점을 설명합니다. 그 이전에는 인간 게놈 프로젝트가 게놈 표현 연구에 초점을 맞추었고, 각기 다른 조건 하에서 단백질의 표현과 조립에 대한 연구는 거의 없었다. 이러한 연구 내용을 이해하고 이해하는 것이 GTL 계획을 실현하는 핵심 부분입니다. GTL 계획의 또 다른 핵심 부분은 고성능 컴퓨팅입니다. 고급 컴퓨팅 도구를 사용하여 연구에서 얻은 데이터를 관리하고 통합하고, 세포의 시스템 모델을 구축하고, 컴퓨터 시뮬레이션을 수행합니다. 이를 바탕으로 심층 분석을 하여' 분자 기계' 의 작동 메커니즘을 이해하다.
고성능 컴퓨팅 연구에서 GTL 의 주요 목표는 프로세스를 시뮬레이션하고, 데이터 표준을 결정하고, 시각화 도구를 개발하는 기본적인 생물 정보학 알고리즘과 방법을 구축하는 것입니다. GTL 계획의 많은 컴퓨팅 작업은 연산 집약적이며 초당 수조 개의 부동 소수점 계산을 수행하는 초대형 컴퓨터가 필요합니다.
2 로드맵 구현 조직
미국 에너지부는 과학 연구 및 기술 성과의 응용을 지원하는 데 필요한 과학 플랫폼을 GTL 프로그램 구현에 제공하기 위해 노력하고 있습니다. GTL 은 관련 기술의 발전, 방법의 연구 및 컴퓨팅 능력 향상을 지원하고 공공 연구 플랫폼을 구축하기 위해 4 개의 첨단 생물 기관을 설립할 계획입니다. 플랫폼은 과학 연구 집단뿐만 아니라 산업에도 봉사하여 과학 연구 성과의 전환이나 기술 이전을 가속화한다. GTL 프로그램 성공의 핵심은 컴퓨팅 및 정보 기술을 개발하고 게놈 서열을 기반으로 바이오메트릭 기능을 연구하는 장애물을 극복하는 것이다. 미국 에너지부는 다양한 실험 데이터, 이론, 모델 및 새로운 사상을 기초 생물학 메커니즘의 발견과 시스템 생물학 이론 및 실험의 발전에 통합하는 통합 컴퓨팅 환경을 구축할 예정이다.
미국 에너지부 과학사무소는 GTL 로드맵 구현의 주요 조정기구로, 뛰어난 과학적 발견과 연구 도구를 제공하고, 에너지와 재료에 대한 인식을 변화시키고, 미국 경제와 에너지 안전 수준을 높이는 데 주력하고 있습니다. 사무실의 주요 임무는 (1) 국가가 직면한 에너지 안보에 대한 솔루션을 제공하고 국가 에너지 및 경제 안보에 필요한 과학적 근거를 제공하는 것입니다. (2) 국가물리학과학의 주요 지지로 280 여개 대학, 15 국가연구실 및 수많은 국제연구기관에서 과학연구에 투입한다. (3) 국가 과학 사업에 가장 중요한 과학 연구 도구를 제공하고, 과학을 즐기며 공공 과학 연구 설비를 건설하고 운영한다. (4) 과학 분야에서 핵심 역량 건설, 이론 건설, 실험 및 시뮬레이션을 극대화하여 세계 지식 혁신 분야에서 미국의 선도적 지위를 유지합니다.
GTL 프로그램의 성공적인 구현의 핵심 요소는 컴퓨팅 및 기술 플랫폼을 통합하여 과학 연구 및 생명 공학 프로그램 개발을 위한 시기 적절하고 편리한 플랫폼을 제공하는 것입니다. 생물학의 새로운 발전에서, 컴퓨팅 기술과 생물학 자체는 똑같이 중요해졌다. 이에 따라 GTL 은 미국 에너지부 과학사무실의 두 부서, 즉 생물환경연구실과 최전방 과학계산연구실이 공동으로 완성했다.
3 GTL 로드맵 전략
GTL 의 전략적 목표는 생물학적 시스템을 이해하고, 컴퓨팅 모델을 개발하여 생물학적 메커니즘을 연구하고, 이러한 모델을 사용하여 생명 시스템의 행동을 예측하는 것입니다. 궁극적인 목표는 미생물의 생화학 과정을 이용하여 일련의 혁신적인 응용 서비스를 제공하는 것이다. 이를 위해서는 효과적인 연구, 생산, 비용 및 품질 관리, 효율성 향상을 통해 달성해야 합니다.
인간 게놈 프로젝트가 생물 의학 및 생명 공학 산업의 성장을 자극 할 수있는 것처럼 GTL 로드맵에 나열된 연구도 새로운 생명 공학의 성장을 가속화 할 것입니다. 에너지와 환경과 관련된 시스템 생물학은 미지의 미생물 세계를 탐구하기 위한 계획으로, DNA 서열의 코드화된 정보에서 출발하여 더 깨끗하고 안전한 생물자원을 찾고 유독폐기물을 복구하며 지구 기후변화에서 미생물의 역할을 해석하고 관련 신흥과학을 발전시키기 위한 것이다. 미생물은 기술과 신제품으로 2 1 세기 종합 경제력의 발전을 이끌 수 있다.
이 로드맵은 신흥 기술의 사용, 통합 컴퓨팅 기술의 발전, 새로운 연구 시설의 개발 및 사용을 포함한 구체적인 개발 경로를 설명합니다. 이러한 목표의 실현은 새로운 미생물의 발견, 생명의 기원과 한계, 생명과학 연구의 새로운 인식에 달려 있다. 미생물은 광범위한 유전성과 다양성을 가지고 있기 때문에, 그들의 발전은 극한의 온도, 화학, 압력 하에서 지구 환경의 번영을 의미한다. 대부분의 경우 미생물은 광범위한 자연 환경에서 생활하여 각종 생물 군락을 형성한다. 이러한 생물 군락은 종합 생화학 시스템으로 진화하여 어떤 산업 분야의 화학 과정 시스템보다 선택성, 에너지 효율, 오염이 적다. GTL 로드맵은 이 미생물들을 이용하여 화학공예 시스템의 전면적인 개선을 위한 길을 닦는다.
(iii): gtl 구현 단계
2002 년에 미국 에너지부는 생명게놈 프로젝트 (Genomes to Life) 를 시작하여 인류가 생명기술을 이용하여 에너지와 환경 문제를 해결할 수 있는 수단을 제공했다. 10 년 6 월 3 일 미국 에너지부는 차세대 종합생물연구프로그램인 GTL 프로그램 로드맵을 발표해 GTL 의 구체적 실현을 위한 지침을 제공했다.
1 GTL 계획의 구현 단계
GTL 계획의 구현은 세 단계로 나뉩니다.
1 단계: 에너지 및 환경과 관련된 복잡한 시스템 테스트의 핵심 문제 연구 수행, 신기술 및 새로운 컴퓨팅 기술 개발, 연구 시설 개선
2 단계: 첨단 도구와 신기술을 이용하여 연구를 수행하고, 생물학적 과정을 신속하게 이해하고, 에너지 및 환경 문제를 해결하기 위한 새로운 아이디어를 제시하고, 지구 기후와 생물학적 과정의 상호 작용에 대한 정보를 수집합니다.
3 단계: 국가 에너지 및 환경의 요구를 충족시키기 위해 초기에 얻은 지식과 능력을 혁신적인 신기술과 제품으로 신속하게 변환합니다.
2 GTL 프로그램 1 단계 목표
GTL 1 단계의 주요 목표는 과학, 기술 및 응용 기술을 시작하여 GTL 프로그램 구현의 토대를 마련하는 것입니다.
과학 기초: 시스템 생물학에서 게놈학의 기초 연구, 분자, 세포, 군락 수준의 연구, 연구의 핵심 목표와 전략 설정.
기술, 컴퓨팅 및 시설: 첨단 기술 개발 및 테스트, 최첨단 연구, 컴퓨팅 및 기술 업그레이드, 연구, 개발, 설계 및 기관/시설 구축
목표 응용 프로그램: 목표 방향의 핵심 시스템 선택, 세포와 커뮤니티 간의 프로세스 및 상호 작용에 대한 이해, 시스템 데이터 및 전략 분석
3 GTL 계획의 첫 번째 단계의 목표
GTL 2 단계의 주요 목표는 과학, 기술 및 응용 과정을 통해 과학 연구 성과를 엔지니어링하는 것입니다.
과학적 기초: 주요 시스템 및 프로세스에 대한 높은 처리량 연구, 비교 분석, 시스템 모델 개발, 시스템 통합 실험 및 계산
기술, 컴퓨팅 및 시설: 시설 운영, 데이터 및 컴퓨팅 기능 통합 운영, 전체 생물학적 시스템 데이터를 신속하게 수집하고 적용할 수 있는 기능
목표 적용: 목표 모델의 시스템 분석을 시작하고, 프로젝트의 전략적 목표를 이해하고, 구체적인 적용 전략을 설정합니다.
4. GTL 계획의 첫 번째 단계의 목표
3 기 GTL 은 과학, 기술 및 응용 기술 방면에서 더욱 발전하여 각 분야에 적용될 것이다.
과학 기초: 목표 방안 설계의 지식 통합, 과학 기술의 개발 응용, 과학 혁신 및 차세대 개념의 개발.
기술, 컴퓨팅 및 시설: 엔지니어링 시스템의 시설 적용, 테스트, 평가, 모니터링 및 식별, 새로운 기능 및 새로운 개념의 엔지니어링 설계
목표 애플리케이션: 전체 엔지니어링 시스템의 설계 및 개발, 엔지니어링 시스템의 테스트 및 평가, 차세대 엔지니어링 개발
(D): GTL 응용 프로그램 목표
미국이 2002 년 제안한 Genomes to Life (GTL) 프로그램은 생명의 분자 메커니즘과 규제 네트워크를 연구하고, 자연 환경에서 미생물 군락의 기능적 특징을 분자 수준에서 이해하고, 복잡한 생물학적 시스템을 이해하고, 그 행동을 예측하는 컴퓨터 모델을 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 바탕으로 2005 년에 제시된 GTL 로드맵은 생명 공학을 사용하여 에너지 및 환경 문제를 해결하는 방법을 설명합니다.
1 GTL 로드맵의 내용
GTL 로드맵은 미국 에너지부의 목표에 기반을 두고 있다. 로드맵 전략은 게놈, 시스템 생물학, 미생물학, 전산 과학 및 주요 기관 목표를 통합하여 세 단계 중 각 부분의 계획에 대한 구체적인 일정과 논리적 프레임워크를 제공합니다. 에너지 출력, 환경 복구, 이산화탄소 회수 및 흡수의 구체적인 목표에서 로드맵은 생명공학이 지원할 수 있는 구체적인 영역과 이러한 목표를 달성하기 위해 직면해야 할 과제를 제시합니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 로드맵은 구체적인 연구 계획과 목표 기술 플랫폼, 관련 관리, 교육, 윤리 및 사회적 고려 사항을 제공합니다.
GTL 로드맵의 중심은 통합 바이오메트릭 컴퓨팅 플랫폼입니다. 시스템 생물학의 발전에는 문제의 해결 공간을 좁히기 위해 제약을 늘려야 하는데, 이는 실험의 결과를 분석, 설명 또는 예측하는 데 큰 도움이 된다. GTL 로드맵은 모델, 데이터 및 데이터 분석, 이론 등의 관련 내용을 설명하고, GTL 연구 프로젝트의' 중추 신경계' 를 형성하고 구현하기 위해 공공을 위한 애플리케이션 및 컴퓨팅 플랫폼을 구축하는 방법을 설명합니다.
또한 GTL 로드맵은 다양한 기관을 효율적으로 관리하여 높은 수준, 높은 용량, 효율성, 높은 품질 및 저렴한 비용으로 운영할 수 있는 방법을 설명합니다.
2. 바이오 연료의 응용 목표
GTL 의 과학 프로그램은 미국 에너지부의 목표와 일치하며, 미국 에너지부의 바이오 연료 연구 목표는 다음과 같습니다.
(1) 섬유소는 섬유소 효소 활성, 설탕 이용, 알코올 발효에 대한 인식과 향상, 과정의 통합을 포함한 연료로 전환된다.
(2) 태양열-수소 연료 미생물 변환 과정 (광해순환 생산 및 광합성 바이오 연료 시스템 설계 포함).
3 환경 복구의 적용 대상
미국 에너지부 환경 복구 연구의 목표는 다음과 같습니다.
(1) 미생물과 금속의 상호 작용을 이해하고 복구 공정을 설계하는 등 미생물 과정을 통해 독성 금속의 함량을 낮춘다.
(2) 오염 물질 전달에서 표면 미생물 군락의 역할은 오염 물질 이동의 결과와 영향을 이해하고 복구 과정을 지원하는 것을 포함한다.
4 이산화탄소 순환 및 흡수
미국 에너지부의 이산화탄소 순환과 흡수에 관한 연구 목표는 다음과 같습니다.
(1) C, N, P, O, S 순환에 대한 인식, 기후 변화 예측, 이산화탄소 흡수의 영향 평가 등 바이오 이산화탄소 펌프에서의 해양 미생물 집단의 지위와 역할
(2) 지구 탄소 순환에서 육지 미생물 군락의 지위와 역할 (C, N, P, O, S 순환에 대한 인식, 탄소 변화와 기후 변화에 대한 예측, 이산화탄소 흡수에 대한 평가 포함).
㈤GTL 과학 로드맵 및 시스템 생물학
지난 세기 분자생물학의 돌파구는 생명과학의 성장점이 되어 생명과학이 자연과학에서의 지위에 혁명적인 변화를 일으켰다. 단백질, 효소, 핵산 등 생물 대분자의 구조, 기능, 상호 관계의 폭로는 생명현상의 본질과 활동 법칙을 연구하는 이론적 토대를 마련했다. 2005 년 미국 에너지부는 생명게놈 (GTL) 프로젝트의 로드맵을 발표해 에너지 및 환경 문제 해결에 시스템 생물학의 응용을 지적했다.
1 GTL 과학 로드맵
GTL 의 과학적 로드맵은 다음과 같습니다.
(1) 유전자, 단백질, 생체 분자, 생물학적 경로 및 시스템에 대한 설명 (게놈 연구 및 비교 포함), 새로운 기능을 갖춘 자연 시스템에 대한 기초 연구, 단백질 생성 및 위치 지정, 생명 중 상호 작용 및 복합물 분석.
(2) 분자 반응의 측정과 기능 테스트의 실현을 포함한 기능과 조절을 이해합니다.
(3) 기계 예측 모델 개발 (실험 설계, 분자 설계 및 조작, 세포 시스템 활용 포함)
(4) 게놈 시퀀싱 및 비교, 프로세스의 자연 시스템 스크리닝, 단백질 생산 및 위치 지정 등 그룹 및 잠재적인 기능 분석
(5) 이산화탄소, 영양, 생지구화학순환 비교, 세포와 군분자 조사, 집단 기능 테스트를 포함한 군락 반응과 조절을 이해한다.
(6) 상호 작용 및 예측 모델 구축, 자연 및 인공 프로세스 적용을 포함한 예측 반응 및 영향.
이러한 계획의 목표 결과는 다음과 같습니다.
(1) 시스템 설계 및 개발 전략, 생명 시스템 및 세포 외 시스템, 식별 및 분석을 포함한 시스템 엔지니어링
(2) 자연 사건의 모델 생태계 응답과 개입 전략의 효율성과 영향 분석을 포함한 강력한 정책 및 공학 과학 기초.
2 게놈에서 유기체, 시스템 생물학 연구에 이르기까지
전통 생물학은 주로 복원론의 연구에 근거하여 실험을 통해 문제를 해결한다. 그러나 생물체는 유전자와 단백질의 집합일 뿐만 아니라 상호 관계를 그려도 시스템의 특징을 완전히 이해할 수 없는 복잡한 시스템이다. 시스템 생물학은 대량의 데이터 수집과 분석을 바탕으로 소프트웨어 도구, 분석 방법, 새로운 과학적 사고를 이용하여 생물학적 시스템의 동적 행동을 연구하고 안정성과 루바 뒤의 메커니즘을 충분히 이해하는 것이다.
게놈에서 생명 (GTL) 프로젝트에 이르기까지 분자, 세포, 조직기관, 시스템, 생명에 이르기까지 생명과학이 분석에서 종합까지, 복원론에서 전체 연구 변화에 이르는 리얼한 연구 프로그램이다. GTL 프로젝트는 인간 게놈 프로젝트를 기반으로 한 새로운 연구 프로젝트로, 이 특징을 보여준다. 시스템 생물학은 분자, 세포, 조직, 기관, 생물의 전반적인 수준에서 다양한 구조와 기능의 분자와 그 상호 작용을 연구하여 게놈 서열을 바탕으로 생명암호에서 생명까지 전 과정을 연구한다. 생체 내 다양한 분자의 식별과 상호 작용에서 생물학적 경로, 분자 네트워크 및 기능 모듈의 연구에 이르기까지, 결국 전체 생명 활동의 로드맵을 완성하였다. GTL 로드맵의 소개는 이러한 구체적인 계획을 에너지 및 환경 문제 해결에 적용하는 구체적인 방법을 지적하며, 인류가 직면한 자원, 에너지 및 환경 병목 현상을 해결하는 데 생명 공학을 적용하는 예입니다.
복잡한 생명 시스템의 가장 중요한 특징은 매우 복잡한 단일 구성 요소가 아니라 구성 요소 간의 관계와 이러한 관계를 형성하는 역학입니다. 시스템 기능의 합성은 개별 하위 구성 요소의 분석보다 높습니다. 생명과학과 생명기술의 발전은 인류 발전이 직면한 자원, 에너지, 환경, 건강 문제를 해결하는 효과적인 방법이다. GTL 로드맵의 시행을 보면 시스템 생물학과 관련 기술을 발전시켜 이 목표를 달성하는 것이 생명과학과 생명기술의 발전 방향이라는 것을 알 수 있다.