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基于细胞—计算机交互的细胞控制方法

自动化学报 2021年第3期47卷 489-500页

作者：颜钱明张鹏程乔榕古槿汪小我清华大学自动化系合成与系统生物学研究中心生物信息学教育部重点实验室北京100084 北京信息科学与技术国家研究中心生物信息学研究部北京100084

Wiener在控制论(Cybernetics)中强调了两大类控制对象:机器与动物.半个世纪以来,机器控制领域已形成一套较为完备且先进的控制理论,而在生物控制方面,由于生物系统的特殊性和复杂性,对生命的基本组成单位—细胞的控制仍然进展缓慢.近年... 详细信息

Wiener在控制论(Cybernetics)中强调了两大类控制对象:机器与动物.半个世纪以来,机器控制领域已形成一套较为完备且先进的控制理论,而在生物控制方面,由于生物系统的特殊性和复杂性,对生命的基本组成单位—细胞的控制仍然进展缓慢.近年来,随着合成生物学技术的发展,基于细胞—计算机交互的胞外控制手段开始引起研究者们的关注,为细胞控制带来了前所未有的机遇.胞机交互的方式能够适应生物系统的特殊性,发挥计算机控制的优势,实现细胞的自动化实时控制,为人类研究细胞内部基因调控机制与其他各项生命活动提供了大量的数据与方法支持.本文根据目前基于胞机交互的细胞控制工作,归纳与总结了胞机交互中常用的生物学工具以及控制算法,分析了细胞控制的特殊性与难点,指出研究实现细胞智能控制的可行性与重要性.

关键词：胞机交互反馈控制合成生物学人工生物系统光遗传学

血浆游离DNA全基因组甲基化测序的实用稳定性评估

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生物工程学报 2019年第12期35卷 2284-2294页

作者：方欢钟碧溪魏磊张祥林张威汪小我清华大学自动化系合成与系统生物学研究中心生物信息学教育部重点实验室北京信息科学与技术国家研究中心生物信息学研究部

随着液体活检技术的发展,血浆游离DNA成为当前的研究热点之一。血浆游离DNA的全基因组甲基化测序被认为在癌症检测等医学应用拥有巨大潜力,但目前尚缺乏针对该实验流程的实用稳定性评估。文中利用两名志愿者在不同时间采样的血浆游离DNA... 详细信息

随着液体活检技术的发展,血浆游离DNA成为当前的研究热点之一。血浆游离DNA的全基因组甲基化测序被认为在癌症检测等医学应用拥有巨大潜力,但目前尚缺乏针对该实验流程的实用稳定性评估。文中利用两名志愿者在不同时间采样的血浆游离DNA,在不同实验平台分别进行DNA甲基化的重亚硫酸盐转化前建库(Pre-BS)、转化后建库(Post-BS)和常规DNA建库,获取多因素影响下的测序数据样本。在此基础上,建立了一套血浆游离DNA测序数据分析的质量控制参考流程,综合评估了血液采集提取、游离DNA建库测序过程的实用稳定性,为血浆游离DNA全基因组甲基化测序应用于临床液体活检提供实用性的基础参考。

关键词：血浆游离DNA 全基因组 DNA甲基化片段化模式微量DNA建库

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基于合成基因线路的智能药物

生物工程学报 2017年第3期33卷 456-466页

作者：彭曙光谢震清华大学清华信息科学与技术国家实验室生物信息学研究部自动化系教育部生物信息学重点实验室合成与系统生物学研究中心北京100084

合成生物学自诞生以来对生物学领域的研究产生了重要的影响。利用工程学思维与方法,合成生物学揭开了生命系统许多调控机制,改造并扩展了一系列生物元件,同时带来了广泛的生物医学应用,为疾病诊断与治疗提供了新的思路。本文综述了适用... 详细信息

合成生物学自诞生以来对生物学领域的研究产生了重要的影响。利用工程学思维与方法,合成生物学揭开了生命系统许多调控机制,改造并扩展了一系列生物元件,同时带来了广泛的生物医学应用,为疾病诊断与治疗提供了新的思路。本文综述了适用于哺乳动物细胞或者细菌的合成基因线路并用于疾病诊断与治疗领域的最新进展,为未来智能药物设计提供新的思路。

关键词：合成生物学基因线路基因治疗细胞治疗细菌疗法

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合成基因线路规模化设计面临的挑战

生物工程学报 2017年第3期33卷 372-385页

作者：魏磊袁野汪小我清华大学合成与系统生物学研究中心生物信息学教育部重点实验室自动化系清华信息科学与技术国家实验室(筹)生物信息学研究部

随着合成基因线路规模的增加,传统的合成基因线路设计思路的瓶颈逐渐凸显,许多之前被忽略的因素对大规模基因线路的性能可能造成显著影响,这对合成基因线路的设计带来了新的挑战。本文重点梳理了基因表达噪声和竞争效应两方面对基因线... 详细信息

随着合成基因线路规模的增加,传统的合成基因线路设计思路的瓶颈逐渐凸显,许多之前被忽略的因素对大规模基因线路的性能可能造成显著影响,这对合成基因线路的设计带来了新的挑战。本文重点梳理了基因表达噪声和竞争效应两方面对基因线路性能的影响,阐释了二者间的紧密联系,并基于理性设计的思路,从模拟-数字运算设计、网络拓扑设计、基因线路中的信息传递理论和动态信号等方面,归纳总结了解决这些问题的潜在方案,并展望了规模化合成基因线路理性设计的未来发展方向。

关键词：合成基因线路基因表达噪声竞争效应理性设计

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引导编辑研究进展及其应用

合成生物学 2024年第1期5卷 1-15页

作者：许志锰谢震清华大学自动化系北京信息科学与技术国家研究中心生物信息学研究部生物信息学教育部重点实验室合成与系统生物学研究中心北京100084

引导编辑器(prime editor,PE)是继碱基编辑器(base editor,BE)之后新问世的基于CRISPR/Cas(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated)系统的基因编辑工具,可以在不造成DNA双链断裂的情况下引入碱基替换、插入和删除。PE因其全面的编辑能力,问世即受到全球学者的广泛关注,然而PE表达盒编码较长(>6 kb)、编辑效率较低等问题也亟待研究人员解决。PE的研究方向与BE有许多相似之处,本文首先梳理了学界对PE本身编辑效率和安全性的探索;然后重点介绍了PE效应蛋白、pegRNA和其他细胞因子三个方面对PE的改进手段,以及为方便PE应用而开发的自动化设计工具;最后梳理了PE在动植物以及基因治疗中的应用。方兴未艾的PE领域尽管还难称完善,但在提高编辑效率和改进安全性等方面已取得了许多重要进展。鉴于Cas9、BE等基因编辑工具已广泛应用于遗传病疗法,PE走向遗传病治疗值得期待。

关键词：引导编辑基因编辑基因治疗 CRISPR/Cas

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通过合成基因线路实现细胞分类

生命科学 2018年第8期30卷 799-809页

作者：胡冠华王也魏磊汪小我清华大学自动化系合成与系统生物学研究中心教育部生物信息学重点实验室北京100084 北京信息科学与技术国家研究中心生物信息学研究部北京100084

合成生物学是生物学与工程学结合的新兴学科,通过人工将生物元器件组合成线路引入细胞,使细胞获得对信息进行处理并做特定输出的新功能。近年来,针对疾病治疗的合成生物学研究发展迅猛,基因线路的工程化特性使通过它对疾病进行更精确、... 详细信息

合成生物学是生物学与工程学结合的新兴学科,通过人工将生物元器件组合成线路引入细胞,使细胞获得对信息进行处理并做特定输出的新功能。近年来,针对疾病治疗的合成生物学研究发展迅猛,基因线路的工程化特性使通过它对疾病进行更精确、灵活的干预成为可能,在基因治疗中有广泛的应用前景。精确干预的前提是综合多种输入信号并识别出特定种类的细胞,如特异性识别出癌细胞的溶瘤病毒。疾病的发生往往伴随着细胞内多种调控网络的改变,从中提取出关键信号分子作为基因线路的输入至关重要。现综述哺乳动物细胞中对不同的信号输入进行感知的基因线路细胞分类器,为未来模块化整合信号输入、设计基因线路提供新的思路。

关键词：基因线路基因治疗细胞分类器合成生物学

从生物大数据到知识大发现:十年进展与未来展望

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科学通报 2016年第36期61卷 3869-3877页

作者：张学工江瑞汪小我古槿陈挺清华大学数据科学研究院医疗健康大数据研究中心清华大学自动化系计算机科学与技术系生命科学学院教育部生物信息学重点实验室清华信息科学与技术国家实验室生物信息学研究部

生物和医疗大数据的快速大量积累是当今生命科学领域的一个重要特征,但从这些大数据能否获得关于生命现象规律的重大知识发现,是人们更关心的关键问题,也是2005年Science杂志展望的125个最具挑战性问题之一.本文从新一代DNA测序技术发... 详细信息

生物和医疗大数据的快速大量积累是当今生命科学领域的一个重要特征,但从这些大数据能否获得关于生命现象规律的重大知识发现,是人们更关心的关键问题,也是2005年Science杂志展望的125个最具挑战性问题之一.本文从新一代DNA测序技术发展以及医学遗传学、合成生物学、精准医学、微生物组学等几个方面,回顾了近十年来生物大数据的重要发展和已经由此带来的科学进步,并对未来的发展方向进行了展望.

关键词：生物大数据基因组学生物信息学系统生物学组学

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抗衰老药物对线虫生存曲线影响的荟萃分析

中国科学：生命科学 2015年第5期45卷 479-487页

作者：梁亚茹刘畅王卓然董琼叶汪小我王钊清华大学医学院蛋白质科学教育部重点实验室北京100084 清华大学自动化系清华信息科学与技术国家实验室(筹)生物信息学研究部合成与系统生物学研究中心生物信息学教育部重点实验室北京100084

随着世界人口老龄化步伐的加快,衰老机制及抗衰老药物的研究日益成为生物医学领域的热点前沿之一.国内外已有大量研究报道抗衰老药物能够延长多种模式生物包括线虫、果蝇、小鼠、大鼠及灵长类等的寿命,然而,这些药物延缓衰老方式的差异... 详细信息

随着世界人口老龄化步伐的加快,衰老机制及抗衰老药物的研究日益成为生物医学领域的热点前沿之一.国内外已有大量研究报道抗衰老药物能够延长多种模式生物包括线虫、果蝇、小鼠、大鼠及灵长类等的寿命,然而,这些药物延缓衰老方式的差异仍缺乏系统研究.因此,本研究以衰老研究的热点模式生物线虫为对象,搜集1990年以来国内外刊物上正式发表的有关抗衰老药物寿命试验的研究文献及其涉及的生存曲线,利用荟萃分析比较了不同抗衰老药物与生存曲线变化类型间的关系,并结合药物的药理作用探讨其延寿机制.生存曲线特征聚类结果与药物生物学分类交叉分析结果表明,药理作用类型与增益类型具有很强相关性,提示这2种分类方法的结果是匹配的.抗氧化剂类药物和控制血糖类药物对生存曲线的改善总体增益虽然不是最高,但相对于正常组生存曲线其增益部分呈平移形,表明该类药物可以通过改善年龄结构对整个群体产生显著增益,且其衰老曲线的特征与自然衰老相似.抗癫痫药物及胃肠道菌群相关药物总体增益较大,其曲线增益形状呈梯形,提示该类药物(尤其是胃肠道菌群相关药物)尽管显著延长了少数个体的最大寿命,但是从整个群体来看,大多数个体寿命延长程度并不明显,受益的少数个体可能需要较长的外界资源支持方能保持较长时间的存活状态,这种模式既不大众化也不经济.综上所述,清除自由基和控制血糖类药物对健康老年有着更为积极合理的作用与效应.

关键词：衰老抗衰老生存曲线线虫药物荟萃分析

中医药网络药理学:《指南》引领下的新时代发展

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中国中药杂志 2022年第1期47卷 7-17页

作者：王子怡王鑫张岱岩胡元佳李梢清华大学北京市中医药交叉研究所自动化系北京信息科学与技术国家研究中心生物信息学研究部北京100842 澳门大学中华医药研究院中药质量研究国家重点实验室澳门999078

中医药凭借整体观和两千多年来临床使用天然药物的实践经验,在疾病的预防和治疗中有独特优势。中医药诊疗思想和丰富临床经验中的"整体"特色孕育了以"网络"和"系统"为特色的新一代研究模式。该模式在生物医学大数据和人工智能时代得到... 详细信息

中医药凭借整体观和两千多年来临床使用天然药物的实践经验,在疾病的预防和治疗中有独特优势。中医药诊疗思想和丰富临床经验中的"整体"特色孕育了以"网络"和"系统"为特色的新一代研究模式。该模式在生物医学大数据和人工智能时代得到了快速发展,其中有代表性的研究领域——"网络药理学"为人工智能与中西医学交叉研究、分析海量生物医学数据、建立从数据到知识的转换提供了新的思路和方法。中医药领域在提出"网络靶标"核心理论、促进网络药理学起源和发展过程中起着关键作用,并且率先制订了第一个网络药理学国际标准《网络药理学评价方法指南》。在理论上,网络靶标能够机制性关联药物与疾病,并定量表示药物整体调节作用机制;在方法上,网络药理学朝向计算、实验和临床相结合的研究模式发展。该文介绍了中医药网络药理学近期在预测药物靶点、理解药物和疾病的生物学基础、寻找病证标志物等方面取得的重要进展。随着《网络药理学评价方法指南》的提出,网络药理学的发展有望越来越规范、健康,基于网络靶标的中医药研发模式将产生更多高质量研究成果,有力促进中医药现代化和国际化。

关键词：中医药网络药理学网络靶标网络药理学评价方法指南