系統生物學

  目前，我們已經獲得了小部分人的完整DNA序列信息。另一方面，我們也對細胞日常活動中所涉及的生化反應機制及其分裂、分化機理有了越來越多的了解。在過去的10年間，分子技術的進步使我們能夠誘導並監測數千種基因、RNA信號以及蛋白質的變化情況；而現在，我們甚至可以在單細胞中同時檢測到這些指標的變化情況。這些技術革新所帶來的新知識逐漸發展形成了系統生物學的主要內容，使得我們了解到細胞內不同組分之間成千上萬種細微的相互作用關係。在早期的實驗中，人們常常會對細胞施加某種藥物處理，然後觀察其所發生的變化。例如，在最理想的情況下，某一種藥物可以與其靶向蛋白（如某種酶類）發生相互作用，使其失活。但如今通過對成千上萬個基因及其產物進行分析後，我們已經得知除靶標蛋白外，大多數藥物還可以引發許多與靶標蛋白無明顯關聯的非靶標蛋白的變化。這些非靶標蛋白的變化可能是增加或者減少，變化速率也各不相同。從另一方面來說，這些藥物的「副作用」也推動了「更為清潔」的特異性藥物的研發進程。隨著各大系統相關研究的不斷開展，我們逐漸了解到在細胞分裂、分化等生物學過程中，細胞內基因表達與蛋白質水平均發生著不同的變化。儘管這些實驗本身所花費的時間相對較少，但由於在實驗過程中獲得了海量的數據，因此需要耗費大量時間來對數據進行細緻的分析，這樣才能對這些實驗背後的生物學含義有更為深刻的理解。幸運的是，目前計算機已經可以通過強大的功能實現對相關信息的處理與分析。現如今，細胞與分子生物學領域的研究已越發依賴於計算機生物學（又稱為生物信息學）的幫助，以解決那些基於DNA與蛋白質序列的生物學行為相關問題。

  系統生物學領域的先驅——萊諾伊·胡德（Leroy Hood）提出了一個將系統生物學完美應用於醫學領域的案例：一名患者躺在床上，正準備接受一場手術。首先，護士對患者進行了穿刺取血。隨後，通過對患者的血樣進行分析，獲得了其機體功能與健康狀況相關的生化、基因與蛋白的完整信息。利用這些信息，計算機可以在幾分鐘之內推算出這名患者可能罹患的所有疾病、相應症狀、治療策略或進一步的檢查建議——這便是個性化醫學。這在幾年前曾是遙不可及的夢想，而現在只是時間早晚的問題（儘管具體時間仍不能確定）。癌症相關的研究人員已經可以利用先進的蛋白質與DNA技術來對實體瘤患者進行檢測，及時發現其血液中數量微小的癌細胞（在實體瘤患者體內，不斷生長的腫瘤需要周圍的毛細血管為其提供營養，而少數腫瘤細胞則會通過毛細血管不斷地進入血液系統中）。藥物研究人員正是利用這些方法來研發新的廣譜性抗癌藥物。

  鑑於活細胞具有動態的特性，若想在生命過程中（例如在幹細胞的分化過程中）實現對單個蛋白的追蹤，就需要對一種或多種蛋白進行標記，並對它們進行實時觀察。在既往研究中，人們常使用綠色螢光蛋白等分子作為標記物。然而，此類標籤蛋白的分子量可能比目標分子還要大許多倍，因此，可能會對目標分子的正常活性產生干擾。如今，我們可以使用微小的無機球（量子點）進行標記，這些標記物體積十分微小（如圖1所示），因此可以直接穿過細胞膜。納米技術是在原子或分子尺度上操縱物質的科學，主要涉及長度在1~100納米（DNA鏈的直徑為2納米）的物質的相互作用。在這種微觀尺度下進行工作的巨大優勢在於極快的反應速度，就如同細胞中所發生的反應一般。這一新興的研究領域已開始應用於疾病的分子分析，其未來的應用方向包括對突變基因的顯微操縱，細胞內生物傳感器的構建，以及DNA計算機的製造等。可以想像一下，有朝一日我們所吃下的藥物不再只是一粒簡單的藥片，而可能是一個裝有納米機器人的膠囊，它可以發現並對癌細胞的DNA進行重構，或及時消除那些威脅到生命的病毒。遺傳疾病患者的細胞可以通過外科納米機器人進行矯正，並且可以將受影響的器官進行重組等。