虚拟细胞——人工生命的模型孙冬泳1，徐琦1，卢铭1，查红彬2，赵明生3(1．北京大学心血管研究所；2．北京大学信息科学中心；3．清华大学电子工程系)虚拟细胞（virtualcell）亦称电子细胞（e－cell）。它是应用信息科学的原理和技术，通过数学的计算和分析，对细胞的结构和功能进行分析、整合和应用，以模拟和再现细胞和生命的现象的一门新兴学科。因此，虚拟细胞亦称人工细胞或人工生命。近百年来生命科学取得了突破性进展，特别是近20年来，由于基因组计划的实施，使人门对生命的本质有了更深刻的认识，积累了极为丰富的资料和数据(1,2)。但是，人们面对酷似“天书”的分析资料和数据，仍难以揭示生命现象的本质，因此只有进行分析、整理、归纳和综合，进行复杂体系的研究，才更有意义；只有将这些数据和分析资料“回归自然”和“活化加工”，才能为人类所利用(2)。21世纪信息科学为生命科学进行复杂体系的研究奠定了理论和技术基础，虚拟细胞是信息科学和生命科学相结合的产物。因此有人提出，虚拟细胞是芯片上的生命科学（silicobiology），它将开辟21世纪生命科学的新纪元(3,19)。虚拟细胞不仅具有重要的理论意义，亦具有极其广阔的应用前景。它不仅可以模拟人体细胞结构和功能，阐明生命活动的反应和规律，了解疾病发病的过程和机理，进行疾病的辅助诊断和治疗；而且可以用于药物设计和虚拟试验(4)，还可以用于能源的开发和利用，推动仿生科学的进展，应对内外界环境的变化，改变和完善人们的生存条件，推动社会和经济的发展(5,22)。因此，虚拟细胞和人工生命具有极其重要的研究价值。最近，美国NIH、日本以及国际上著名的大公司如IBM、COMPAQ亦投入巨资从事此项研究(6)。美国能源部还将电子细胞列入继人类基因组计划后最重要的计划之一(22)。现在，国际上已有两个虚拟细胞问世，一个是日本的原核虚拟细胞模型，一个是美国的真核虚拟细胞模型。现将虚拟细胞的构建方式和应用前景简要介绍如下。1.虚拟细胞的构建虚拟细胞的构建过程一般分为以下几个步骤：首先是由生物领域专家，选择建模对象，即选择细胞的种类、虚拟的功能和细胞对内外环境刺激引起的反应等。其次是建立相关数据库。目前认为蛋白质是细胞功能的载体，基因和蛋白质是实现细胞功能的基本原件，是实现虚拟细胞的基本单元。因此，构建任何类型的虚拟细胞，都必须以蛋白质为核心，构建相关数据库。然而，仅建立蛋白质相关数据库对于构建虚拟细胞还是远远不够的，还必须搜集大量的相关蛋白及其相互关系和生理过程的数据。在大量数据搜集的基础上，采用“面向对象”技术（一种计算机科学方法论），依据各种物质在细胞内的位置和作用进行分类，建立数据库，并根据各反应单元的静态特点（如分布、结构、同源性等）和动态特征（如功能、结合和作用部位、变异、调控等）等进行分类与组合(3,7,12)。第三：设计与建模：这是构建虚拟细胞和人工生命中最关键、最核心、最复杂的一步。即依据虚拟对象——特定的细胞与功能，依据相关数据库和系统分析，通过数学计算，将生物反应过程实现数字化模拟。再应用信息科学的理论和技术，编写程序，建立虚拟细胞的模型。数学分析和模拟的方法依据细胞内反应物质和类型而有所不同，在细胞内常见的反应有合成分解反应、氧化还原反应、磷酸化和脱磷酸化、以及酶联反应等。数学分析在描述这些反应时首先把这些反应分为有酶参与的反应与没有酶参与的反应，再根据反应类型及各自的特点确定反应公式。虚拟细胞的具体实现也有不同情况，目前美国采用J2EE实现虚拟细胞软件系统(11)，而日本采用C＋＋程序设计语言(9)。其中J2EE是一个软件开发构架，C++是一种支持面向对象方法的编程语言。虚拟细胞的数学计算一般采用“Beowulf”结构的并行计算机系统，这种计算机系统采用将多个计算机连接起来共同完成任务的工作方式，具有非常强大的计算能力(15)。通过数字模拟和计算机编程，不仅可以使细胞的不同物质（单元）的相互作用和反应数字化，使生物信号转变成为可识别和处理的数字和电子信号，还可以对生物信号自动存储、处理、分析、整合和应用。使非生命的信号“活化”成为具有人工智能的细胞模型和...