面向生物威胁快速反应的大数据分析关键技术

Infectious diseases, bioterrorism and error use of synthetic biotechnology resulting in rapid growth of biological threats. The existing knowledge, technology and product can not effectively deal with the "unknown" biological threats. Establishing technology systems for rapid reaction against "unknown" biological threat is important for the maintenance of human health and national security. On the other hand, under the impetus of biological big data, the new generation of bio-threat detection, prevention and control technology system is rapidly forming. Based on the public data resources of genome and cell responses, in this project, we pursue breakthroughs for massive sequencing data parallel filtering, large-scale expression profile parallel clustering, associated network community mining and other key technologies. Using these techniques, we will develop software prototype system that can implement rapid pathogen identification for non-culture samples, rapid uncover of damage mechanisms of infection, and rapid drug repositioning. The expected research results will form the basis of big data -supported rapid response systems for biological threats.

烈性传染病、生物恐怖以及合成生物技术缪用导致生物威胁的种类快速增长，人类现有的知识、技术和产品储备往往不能有效应对“未知”生物威胁，建立针对“未知”生物威胁的快速反应系统对于维护人类健康和国家安全具有重要意义。另一方面，在生物大数据的推动下，新一代生物威胁的检测、防治技术体系正在快速形成。本项目提出以公开的基因组、细胞反应印记等生物大数据资源为基础，突破海量测序数据的跨基因组快速并行过滤、大规模通路辨识、超大规模并行表达谱印记聚类和药物关联网络社团挖掘等关键技术，建立起非培养样品中的快速病原确证、感染损伤机理快速解析和防治药物快速重定位等关键技术方法，开发相关的应用软件原型系统并进行真实测试，为最终形成以生物大数据分析为基础的生物威胁快速反应系统奠定技术基础。

烈性传染病、生物恐怖以及合成生物技术缪用导致生物威胁的种类快速增长，人类现有的知识、技术和产品储备往往不能有效应对“未知”生物威胁，建立针对“未知”生物威胁的快速反应系统对于维护人类健康和国家安全具有重要意义。在生物大数据的推动下，新一代生物威胁检测、防治技术体系正在快速形成。本项目提出以公开生物大数据资源为基础，突破关键技术，建立起非培养样品中的快速病原确证、感染损伤机理快速解析和防治药物快速重定位等关键技术方法，为最终形成以生物大数据分析为基础的生物威胁快速反应系统奠定技术基础。. 经过项目研究，在若干关键技术上取得了重要突破：1）针对生物威胁快速侦检，构建了完整的核酸数据库和软件分析流水线，开发了多个并行测序序列比对、拼接和变异位点识别算法，在高性能计算系统上建立了并行、可视化分析系统。建立了体内微生物准种分析方法，实现了对生物威胁体内进化的监测，并应用该方法发现了多个埃博拉病毒基因组的体内进化规律；2）针对快速损伤机制解析，对微生物感染和基因沉默的细胞反应大数据进行了整合和分布式存储，实现了大规模表达谱印记的比较、聚类、社团发现和网络解析算法，建立了一种全新的损伤机理快速预测方法，为生物威胁的快速机理解析提供了有力工具；3）针对生物威胁快速防治药物重定位，建立了病原体感染关键宿主因子数据库，并开发了6 种在线分析工具，实现了微生物-宿主蛋白质相互作用网络、药物靶标、疾病和药物重定位的分析，并用于针对IAV H1N1、IAV H3N2等病毒潜在药物的预测，其中3个药物在细胞学实验中表现出显著的抗病毒活性。. 项目研究过程中共计在Nature Microbiology、Nucleic Acids Research, Bioinforamtics、Gigascience等期刊发表标注资助的SCI期刊论文35篇，培养博士17名、硕士8名，申请专利5项，获得软件著作权4项。