微纳米生物学基因表达相关过程的建模与控制研究

近年来，伴随纳米技术的长足发展，微纳米生物系统理论的研究已呈蓬勃兴起之势；而基因表达是最基本的分子生物学行为和遗传信息传递中最为关键的环节；系统科学则为研究基因表达过程提供了崭新而有效的理论方法。然而，如何建立有效的基因表达过程模型，是目前亟待解决的关键科学问题，极具挑战性。本项目拟综合运用矩阵论、群论、离散事件系统理论以及微纳米生物学理论，分别针对基因表达相关的核酸链杂交、基因突变、氨基酸形成，以及蛋白质二级结构的确立等基于文字描述的微观生物过程，建立其状态空间数学模型并加以控制和分析，导出相应的生物过程仿真算法，并籍此揭示基因突变过程诱导控制的实质。本项目属于系统科学和微纳米生物学交叉前沿方向，其研究所发展的生物过程模型和分析、控制方法，不仅可拓展系统科学的研究应用领域和满足微纳米生物科学发展的需要，而且也对解决当前DNA计算存在的执行出错率高的问题具有重要意义。

近年来，系统生物学理论的研究蓬勃兴起，作为最基本的分子生物学行为和遗传信息传递中最为关键的环节，基因表达过程中的相关问题在信息科学领域亦广受关注，系统科学方法则为研究基因表达过程提供了崭新而有效的理论方法。然而，如何建立有效的基因表达过程模型并加以分析，是目前亟待解决的重要科学问题，极具挑战性。在本项目的研究中，课题组分别针对蛋白质合成基因信息传递和基因突变过程建模与控制、基因调控网络非线性控制、混杂系统稳定性及最优控制、调控网络重构，和生物数据处理、蛋白识别与预测等问题进行了深入的研究。具体完成了基于有限状态机模型的基因突变过程建模与分析，基于着色Petri网模型的基因突变类型判定和氨基酸分类，三碱基氨基酸密码子的几何建模，基于观测器的基因调控网络非线性输出反馈控制，以及对诸如氧化/抗氧化蛋白、噬菌体病毒蛋白、细胞外基质蛋白、抗冻蛋白、DNA复制蛋白和J蛋白等多种蛋白的预测识别工作，取得了一批较有价值的研究结果。成果中所包含的生物过程建模和分析、控制方法，不仅拓展了系统科学的研究应用领域和满足了微纳米生物科学发展的需要，而且也有利于揭示基因突变过程诱导控制的实质，为系统生物学领域相关问题的研究提供了很好的借鉴。基于该项目的研究，课题组在项目周期内完成并发表学术论文19篇，其中期刊论文8篇，国内外重要学术会议论文11篇，均到会进行报告交流；指导硕士研究生5人，协助指导博士研究生3人，其中已毕业硕士生3人、博士生1人。基于课题研究中的新发现问题，合作申请并立项国家基金重点项目1项。综上，该项目按计划进行，很好地完成了预期研究目标，达到结题要求。