Leroy Hood:系统生物学将揭开后基因组时代新篇章

2010-7-19 09:33 来源: 科学时报
收藏到BLOG


  加利福尼亚理工学院教授,美国系统生物学研究所所长,美国科学院、美国工程院和美国医学院院士,美国总统科学顾问。Leroy Hood教授是国际系统生物学创始人,也是国际人类基因组计划倡导者之一。他多年从事分子免疫学、生物技术以及基因组学的研究,先后发表文章600多篇,获得专利14项。他与同事发明了DNA测序仪、DNA合成仪、蛋白质合成仪和蛋白质测序仪,并成功实现产业化,对全球生命科学研究和生物产业发展产生了深远影响。

  近日,应邀来湖南大学出席“第四届生物分析、生物医学工程和纳米技术国际研讨会”的Leroy Hood教授就现代生物学发展前沿问题接受了记者的专访。

  记者:您多年从事分子免疫学、生物技术及基因组学研究,同时作为人类基因组计划的最早倡导者之一,请您谈谈国际人类基因组计划取得成功的重要意义。

  Leroy Hood:人类基因组计划是21世纪揭示人类本身问题的一个科学工程,其意义在于:一是能把人类基因揭示出来;二是从基因水平和蛋白质水平开展生物学研究;三是可以从基因角度对任何一种疾病进行研究,为医学领域找到强有力的诊断方法和手段,从而转化为医学领域的应用研究;四是有利于生物学和其他学科的融合。

  新观念、新战略和新技术的出现使科学家能够逐步解决生物学问题。人类基因组计划取得成功使工程科学技术引入了生物学领域,逐步实现了在实验室开展蛋白质测序与合成、DNA测序与合成的技术发展。还有一些技术方法如:自动化、化学手段的借用,DNA测序和嵌入式合成、平行式合成,以及在基因组学、蛋白质组学、单细胞分析等新兴技术基础上的模式生物研究等等。

  科学家有责任帮助公众理解科学技术,帮助人类为未来作出更明智的决定。人类基因组计划扮演了重要角色,它是一种多样化的分子层面的研究方法,也是一种高产的研究方法,能提供任何有关基因的信息,为人们理解生物进化提供了新的路径;同时也是模式生物学、系统生物学研究的基础。

  人类基因组计划最重要的启示之一就是改变了我们对“进化论”的理解。同时,使科学家在世界范围内建立战略伙伴关系和实现科学全球化。因此,各国研究机构间应形成互动互补的网络。

  记者:作为系统生物学的创始人,您认为当前国际上系统生物学研究取得了哪些主要成就?

  Leroy Hood:系统生物学是研究一个生物系统中所有最基本的组分(基因、核糖核酸、蛋白质等)的构成,以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科。它用新的方法来解释生物学。关于人体的各种信息中,最主要的有两种信息:一是基因,二是环境。环境因素有时候能改变基因,而基因和环境的这种关系能够通过信息网络系统沟通,最后将这些信息传递到有关生物学仪器中处理、分析。系统生物学是21世纪的新兴学科,是现代生命科学领域的一部分,具有综合性特征。系统生物学把前沿研究和研究过程结合起来,同以往生物学研究不同,它具有在知识、认识、方法和技术上的不同,表现出理解生命现象的不同角度的思考,并创造新的技术方法,取得不同的认识。

  系统生物学是以一种新角度从生物动力学系统出发进行研究的,其具有信息学科特点。在医药方面,它以生物网络角度来分析疾病的原因。系统生物学使我们获得了以前未知的信息。事实上,系统生物学和人类基因组计划有着密切的关系。在基因组学、蛋白质组学等新型学科发展的基础上孕育了系统生物学。系统生物学的诞生又进一步提升了人类在后基因组时代生命科学研究的能力。从上世纪70年代至今,工程学等逐渐被引入生物学和人类基因组计划,进行跨学科的生物学、系统生物学等多领域研究。当然,这也是生物医学发展的前提条件,并使以预测性(predictive)、预防性(preventive)、个性化(personalized)以及参与性(participatory)为核心的“4P医学”初露端倪。这从根本上改变了我们思考生物学和医学发展的方法。“4P医学”作为一种治疗疾病的系统方法,依靠新型的可测量、可视化技术以及强大的计算工具,将会于未来10年到20年引领21世纪生物医学研究领域的发展。

  记者:系统生物学未来的发展方向是什么?

  Leroy Hood:21世纪最大的挑战就是科学和技术的复杂性问题,而新的理念、战略和技术使得生物学家可以成功应对这一挑战。我们需要建立一种跨学科的文化,合理融合生物学、化学、计算机、工程学、数学、物理学等相关学科,形成新型学科或研究领域,系统生物学正是在这种跨学科的思维范式下应运而生的。系统生物学在推动基因组计划、提高生物测序效率等方面发挥了重要作用,同时它还为广大科研工作者提供了一种全新的系统研究方法,能大大降低科研成本,加速科研成果转化。微软公司比尔·盖茨先生眼光很独特,发现我们有很好的思路就给予支持。由于他的赞助,我们的团队在华盛顿大学建立系统生物学院和系统生物研究所,增加了必需的基础设施和设备,研究速度大大加快,开始了DNA测序。自动化技术方法的引入也大大提高了DNA测序的效率。事实证明,比尔·盖茨的这个决定具有超前的科学意识。

  人类基因组计划是将人类基因组的蛋白彻底展示出来,系统生物学是利用现代的网络,发现导致人类疾病的原因。一是开展血液早期检测,二是采取更加简便的治疗。因此,系统生物学研究,整合各个学科的研究成果非常重要。比如从基因、分子、细胞等不同角度的研究,都是在不同层面上对于一个事物的研究,把这些研究结成网络,并且用一定的范式表现出来,就能找到疾病的致病原因。未来,这些都可能以数学的模式表现,但现在我们还不能做到这一点。

  系统生物学的发展方向将是系统地进行生物学和医学研究,例如疾病的预测、预防,开发个性化和参与性的药品;努力开发先进的计算工具以推动系统生物技术的发展;联合科研院所和企业,并建立战略合作关系,将知识转移到社会需求中。在21世纪初,系统生物学研究在健康、能源、环境、农业和营养等方面已经有了一些突破性进展。

  记者:最近,美国生物学家克雷格·文特尔(J. Craig Venter)在实验室中重塑“丝状支原体丝状亚种”的DNA,创造出历史上首例“人造单细胞生物”。如同当年英国科学家克隆成功“多利羊”一样,在国际上引起强烈反响,您怎么看待这种科学探索和研究成果?

  Leroy Hood:克雷格·文特尔的文章中提到通过DNA合成技术把基因镶嵌到细胞里,使细胞表现新特性。体外DNA合成,把基因组勾连在一起,是技术上大的突破。这是一种科学探索与技术方面的新进展;当然政府是很支持科学研究为人类服务的。但是这种方法的实际应用还有很长的路要走,因为我们还没有能力重新设计一种新的生物。

  社会公众对“克隆”有担忧。我们应该尊重和考虑社会民众的这种担忧,并且想办法沟通,使他们理解科学工作,科学探索还是应该进行的。美国政府禁止任何克隆人研究,任何一个改变人类基因的实验都是禁止的,否则后果严重。不允许“克隆”人,是因为我们现在对于生物界未来的许多方面还一无所知,可能我们希望向好的方面改变,但如果做得不妥,却可能导致相反的后果,甚至带来灾难。实际上,克隆人是很困难的,在技术上是不容易实现的,目前还不具备可能性。

  记者:21世纪将迎来生命科学技术领域的新一轮突破性发展,为了使社会公众了解科学,科学家和科技媒体应当做些什么?

  Leroy Hood:疾病问题是世界性的,它的解决需要各国的战略性合作,一些疾病不是来自遗传,而是由贫穷、缺乏教育造成的。而解决世界问题都是从本土行动开始的,我就经常通过演讲或讲座普及生物学知识,让人们更多地了解科学。科学知识和技术应该为社会和人类服务。

  科学家应该尽力帮助人们理解科学。教育的作用不仅仅是让人获得学历,更重要的是,它要向社会传递知识。成立于2000年的华盛顿大学系统生物研究所(ISB)就是这样做的。ISB除了专攻生物分析和生物医学外,还设立了科学咨询中心,目的是创立科学教师培训机构或为此类机构提供支持,从而使这些教授自然科学的老师能够培养出具有科学素养的学生。科学咨询中心还为中小学生提供科学咨询服务。仅2009年,科学咨询中心就为华盛顿44所学校的科学课教师提供了99场专业培训,这些学校的学生人数占华盛顿全部学校学生的45%。