摘要:本文對生物技術(shù)目前在國內(nèi)外的主要應用領域作了一個闡述, 簡單回顧了微生物技術(shù)的發(fā)展歷史及為此付出辛勤汗水的科學家,并在此基礎上對微生物技術(shù)的發(fā)展前景做了一個展望 .

關(guān)鍵詞: 生物技術(shù)

前言: 何謂生物技術(shù),簡單地說,就是通過對生命活動和生物系統(tǒng)的改造和利用，來滿足人類生活和社會發(fā)展需求的相關(guān)技術(shù)。生物技術(shù)不僅僅是一門與生命科學相關(guān)的技術(shù)，還包含設備、工藝等工程學內(nèi)容，是一門涉及多學科的綜合性技術(shù)體系。生物技術(shù)是微生物學、分子生物學、化學工程、材料科學等多學科交叉的綜合性學科。高技術(shù)(精細和密集的復雜技術(shù))、高投入(尤其是前期科研投入高)、高利潤是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的顯著特點。

兩個定義:

1.?????? 1982年，國際合作與發(fā)展組織對生物技術(shù)的定義為：生物技術(shù)是應用自然科學及工程學的原理，依靠微生物、動物、植物體作為反應器將物料進行加工以提供產(chǎn)品為社會服務的技術(shù)。

2.?????? 美國政府技術(shù)顧問委員會(OAT)對生物技術(shù)的定義是：應用生物或來自生物體的物質(zhì)制造或改進一種商品的技術(shù)，還包括改良有重要經(jīng)濟價值的植物與動物和利用微生物改良環(huán)境的技術(shù)。 [1]

經(jīng)過20多年的發(fā)展，生物技術(shù)已經(jīng)從實驗研究階段進人生產(chǎn)應用階段，其前景是誘人的，也是無限廣闊的?？梢灶A測，生物技術(shù)的應用與發(fā)展將導致生產(chǎn)體系與經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的飛躍變化。現(xiàn)代生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展，是20世紀人類科技史上重大進步，并成為解決人類社會面臨的人口、健康、食品和環(huán)境等重大挑戰(zhàn)的最有潛力的技術(shù)手段。[2]生物技術(shù)已經(jīng)成為許多國家科技研發(fā)投入的重點,成為國際科技、經(jīng)濟競爭的焦點，以現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)為核心的生物經(jīng)濟已經(jīng)初露端倪，將成為繼信息產(chǎn)業(yè)之后的又一個新的經(jīng)濟增長點,它也正日益成為衡量一個國家綜合國力的指標.21世紀被稱為生命科學和生物技術(shù)的時代，生物技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、輕化工、食品保健等重要領域?qū)Ω纳迫祟惤】禒顩r及生存環(huán)境、提高農(nóng)牧業(yè)以及工業(yè)的產(chǎn)量與質(zhì)量都正在發(fā)揮著越來越重要的作用。目前生物技術(shù)(Biotechnology,? BT)已經(jīng)成為現(xiàn)代科技研究和開發(fā)的重點。雖然由于研發(fā)成本高等原因，近期內(nèi)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)本身還無法實現(xiàn)全面的贏利，但隨著它的日益普及，這一天也為期不遠了。

1. 生物技術(shù)發(fā)展歷史回顧

微生物技術(shù)從古代起就已經(jīng)被人類下意識地用來處理生活中的問題,有證可查的應用歷史已達一兩千年之久，而人類有意識地利用酵母進行大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)是在19世紀。當時的主要產(chǎn)品有乳酸、酒精、面包酵母、檸檬酸和蛋白酶等初級代謝產(chǎn)物。以1928年青霉素的發(fā)現(xiàn)為開端，到20世紀40年代，以獲取細菌的次生代謝產(chǎn)物-抗生素為主要特征的抗生素工業(yè)成為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)；隨后氨基酸發(fā)酵、酶制劑工業(yè)分別在50年代和60年代成為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的新成員。本世紀七十年代科學家們在生命科學領域創(chuàng)造了兩項對人類生活和經(jīng)濟活動具有深刻影響的技術(shù)，一個是重組DNA技術(shù)，一個是淋巴細胞雜交瘤技術(shù)。這兩項技術(shù)的出現(xiàn)，使得具有悠久歷史的生物技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，重組DNA技術(shù)的出現(xiàn)更成為現(xiàn)代生物技術(shù)誕生的標志。19世紀近代生物學的三項偉大成就，即細胞學說、達爾文生物進化論和孟德爾遺傳定律，為生物技術(shù)的發(fā)展奠定了重要基礎。1953年沃森和克里克創(chuàng)立了脫氧核糖核酸（DNA）雙螺旋模型，開創(chuàng)了從分子水平揭示生命現(xiàn)象本質(zhì)的新紀元。在近20多年的時間里，多種新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，80年代建立了細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)、動植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)、PCR（聚合酶鏈反應）技術(shù)；90年代，隨著人類基因組計劃和其它重要動植物和微生物基因組計劃的實施和信息技術(shù)的滲入，相繼發(fā)展了基因組學、生物信息學、組合化學、生物芯片技術(shù)以及一系列自動化分析測試和藥物篩選技術(shù)與裝置。

這一系列的技術(shù)創(chuàng)新和學科發(fā)展不僅是科學家們思想智慧的結(jié)晶,它更推動著現(xiàn)代生物技術(shù)以前所未有的速度向前發(fā)展，并成為解決我們所面臨的人口、健康、食品、環(huán)境等重大問題的有效手段。

附:現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展史上的重要事件[3]

年代????????????????????????? 事件

1917 ???????????Karl Ereky首次使用“生物技術(shù)”這一名詞

1943 ???????????大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)青霉素

1944 ???????????Avery等證明DNA是遺傳物質(zhì)

1953 ???????????Watsom Crick闡明DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

1961-1966 ??????破譯遺傳密碼

1970 ???????????分離出第一個限制性內(nèi)切酶

1972??????????? Khorana等合成完整tRNA基因

1973 ???????????Boyer和Cohen建立了DNA重組技術(shù)

1975?????????? ?Koher 和 Milstein 建立了單克隆抗體技術(shù)

1976 ???????????DNA測序技術(shù)誕生，第一個DNA重組技術(shù)規(guī)則問世

1978 ???????????Genetech公司在大腸桿菌中表達出胰島素

1981 ???????????第一臺商業(yè)化生產(chǎn)的DNA測序儀誕生

1982 ???????????第一個重組DNA動物疫苗在歐洲獲得批準

1983??????????? 基因工程Ti質(zhì)粒用于植物轉(zhuǎn)化

1988 ???????????PCR方法問世

1990 ???????????美國批準第一個體細胞基因治療方案

1997 ???????????第一只克隆羊問世

1998 ???????????美國批準艾滋病疫苗進行人體試驗

2000?????????????????????????????????? 人類基因組測序“工作草圖”完成

2. 生物技術(shù)的主要應用

2.1 應用于解決人類食品短缺

由于人口的不斷增加, 全球耕地減少、淡水緊張、環(huán)境污染、人類可利用的資源將越來越少。食品問題將是人類未來面臨的嚴重問題，將會影響各個國家的內(nèi)外政策。生物技術(shù)領域中，轉(zhuǎn)基因技術(shù)等將引起一場新的農(nóng)業(yè)革命。傳統(tǒng)的綠色農(nóng)業(yè)（動植物資源農(nóng)業(yè)）和新興的白色農(nóng)業(yè)（微生物資源）、藍色農(nóng)業(yè)（海洋生物資源）、工廠化農(nóng)業(yè)（人工合成糧食）將共同構(gòu)成未來農(nóng)業(yè)的模式，并為人類提供品種各異、營養(yǎng)豐富的食品資源。

2.2 解決人類健康長壽問題

隨著科技、經(jīng)濟文化、社會的不斷發(fā)展，人類對自身認識的要求越來越迫切，對生存和生命的價值越來越重視，對衛(wèi)生保健，身心素質(zhì)的要求越來越高。生命科學及生物醫(yī)學的高度發(fā)展，為人類了解和調(diào)控生命過程，認識和控制疾病，保證和維護身體健康，造就和諧健康的生存環(huán)境創(chuàng)造了條件和手段。如歐美發(fā)達國家，癌癥治愈率已近50%；心腦血管病的死亡率在20年間下降了40%～55%，平均壽命達到了70～80歲。用基因工程技術(shù)生產(chǎn)的甲肝疫苗、乙肝疫苗、人胰島素、熔葡萄球菌素、白細胞介素等藥物以及抗白血病等“生物導彈”（單克隆抗體與抗癌藥物的偶聯(lián)體，比單純藥物的療效高12倍）制劑的研制成功與利用；都為此作出了貢獻。此外，隨著對癌癥。心腦血管疾病、艾滋病等重大疾病的發(fā)病機制及防治技術(shù)方法的研究和認識不斷深化，人類終將在本世紀初戰(zhàn)勝這些疾病。預計，2020年人均壽命可達100歲，而年輕人的壽命可延長到140歲。[4]

2.3 解決能源危機與環(huán)境污染

人類文明發(fā)展帶來的能源消耗與日俱增，地球上的石油能源終將枯竭，代之而起的將是生物能。當今，最受科學界寵愛的當屬生物量。一株植物的全部質(zhì)量都是能量的來源，此即所謂生物量。在解決能源危機上：我們知道煤炭、石油等能源物質(zhì)的地下儲量是固定的，隨著人類不斷地開采利用，遲早會導致它們的枯竭。因此，尋找新能源，就成為人們關(guān)注的新課題。我們又知道，綠色植物的光合作用能將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)橘A存于自身體內(nèi)有機物中的化學能。據(jù)推算，我國土地受光面積每年接受的太陽能，相當于16450億噸煤的能量。當然，這些太陽能不可能全部被綠色植物所利用，綠色植物也不可能全部都用來解決能源問題。盡管如此，如果將植物殘骸中的化學能釋放出來，也不失為補充能源不足的一種新途徑。如：以纖維素為原料，用微生物生產(chǎn)酒精，混入不同比例的汽油作為動力燃料等等，都是大有發(fā)展前途的舉措。在環(huán)境保護上：隨著工業(yè)化程度的發(fā)展，環(huán)境受到了廢水、廢氣和廢渣的威脅；農(nóng)田殺蟲劑、除莠劑的使用，會對土地、河流造成污染；城市化川流不息的汽車以及城市居民生活垃圾等，也不容忽視?？傊?，防治環(huán)境污染是亟待解決的重大課題，而生物科學的作為是極重要的一個方面。例如，植樹造林選用哪些樹種較為理想？清除有毒物質(zhì)，特別是處理污水，利用哪些微生物較為有效？生物學是農(nóng)、林、醫(yī)等方面的理論基礎，我們學習生物學要用于生產(chǎn)和生活實際，合理利用有益的生物，防除和改造有害的生物；在了解生物與環(huán)境關(guān)系的基礎上，要熟悉、利用和保護本地區(qū)的動植物資源，防止環(huán)境污染。[5]研究表明，每年所有植物形成的生物物質(zhì)；可折合1000億噸石油，相當于目前全世界能耗的50倍。用遺傳工程創(chuàng)造的多功能“工程菌”，能夠分解纖維素、木質(zhì)素等。即，它“可以利用稻、木屑、秸桿與食物下腳料生產(chǎn)出酒精。至于凈化環(huán)境，微生物處理污水已應用于工業(yè)體系。

3. 生物技術(shù)研究應用的前沿領域

3.1功能基因組學和蛋白質(zhì)組學

自從人類基因組計劃啟動以來，公共媒體不斷向大眾勾畫著一幅幅美麗的圖景，這使人們認為，一旦科學家把各種生物基因組的全部堿基排列順序測定清楚，生命的遺傳奧秘就會顯露無余。但是，真實情況遠不像人們想象得那樣簡單。遺傳信息并不直接參與生命活動，而是通過控制蛋白質(zhì)的形成間接地指導有機體的新陳代謝。也就是說，一個基因所含的遺傳信息，通過一系列復雜的反應，最終導致了相應的蛋白質(zhì)形成，蛋白質(zhì)再參與到生命的各種活動中去。所以，要想真正揭開遺傳的奧秘，僅僅了解基因組的堿基排列順序是遠遠不夠的，還必須認識各個基因所表達的生物學意義以及它控制形成的產(chǎn)物——蛋白質(zhì)。因此功能基因組學理所當然地成為當今生物學研究領域的熱點。而作為基因功能載體的蛋白質(zhì)則是生命活動的執(zhí)行體，人類基因組絕大部分基因及其功能都有待于在蛋白質(zhì)層面予以揭示和闡述。蛋白質(zhì)組學就是在人類基因組計劃研究發(fā)展的基礎上形成的新興學科，主要是在整體水平上研究細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的組成及其活動規(guī)律。人類細胞中的全部基因稱為基因組，由全套基因組編碼控制的蛋白質(zhì)則相應地被稱為蛋白質(zhì)組。人類基因可能有3萬多個，而每個基因控制的蛋白質(zhì)則從數(shù)個到數(shù)十個不等，人體蛋白質(zhì)數(shù)遠比基因多得多。無論是正常的生理過程還是病理狀態(tài)過程，身體的異常最直接的體現(xiàn)是蛋白質(zhì)，所以人們研究基因、研究基因組之后感覺到，只有搞清楚蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)組，人們才有可能更多地去發(fā)現(xiàn)疾病的診斷標志、疾病的預防標志、疾病藥物篩選的靶標和疾病治療的靶標?？茖W家認為，人類基因組、蛋白質(zhì)組和藥物是生命科學研究路上的三個階段。但繪制人類蛋白質(zhì)組圖是一項艱巨的任務。它需要數(shù)億美元的投資和無數(shù)次計算。分子對比能說明全部問題：人類基因組是由DNA——只含有4種堿基的簡單的線性分子。而蛋白質(zhì)是由20種被稱為氨基酸的不同成分組成的復雜結(jié)構(gòu)。

3.2 克隆技術(shù)與干細胞

自1997年由取自一只6歲成年羊身上的乳腺細胞培育成功的克隆羊“多莉”在英國問世以來，克隆技術(shù)獲得了空前的發(fā)展，克隆鼠、克隆牛、克隆豬、克隆貓、克隆猴等相繼問世，這些成功使人們看到了利用克隆技術(shù)培育優(yōu)良品種家畜以及挽救瀕危珍惜野生動物的可能性。不過克隆技術(shù)最大的應用可能還在醫(yī)學領域：利用克隆技術(shù)培育人類胚胎，使其發(fā)育成各種組織和器官，以供醫(yī)療或研究之用。而這又牽扯出另一重要的技術(shù)領域，即干細胞的研究。

干細胞是指動物體在發(fā)育過程中，體內(nèi)所保留的部分未分化的細胞。干細胞根據(jù)其分化潛能的大小，可以分為三類：一類是全能干細胞，它具有形成完整個體的分化潛能。如胚胎干細胞，它具有與早期胚胎細胞相似的形態(tài)特征和很強的分化能力，可以無限增殖并分化成為全身200多種細胞類型，從而可以進一步形成機體的任何組織或器官。第二類是多能干細胞，它具有分化出多種細胞組織的潛能，但卻失去了發(fā)育成完整個體的能力。第三類稱為專能干細胞，只能向一種類型或密切相關(guān)的兩種類型的細胞分化。[6]

干細胞的用途非常廣泛，涉及到醫(yī)學的多個領域。目前，科學家已經(jīng)能夠在體外鑒別、分離、純化、擴增和培養(yǎng)人體胚胎干細胞，并以這樣的干細胞為“種子”，培育出一些人的組織器官。干細胞及其衍生組織器官的廣泛臨床應用，將產(chǎn)生一種全新的醫(yī)療技術(shù)，也就是再造人體正常的甚至年輕的組織器官，從而使人能夠用上自己的或他人的干細胞或由干細胞所衍生出的新的組織器官，來替換自身病變的或衰老的組織器官。假如某位老年人能夠使用上自己或他人嬰幼兒時期或者青年時期保存起來的干細胞及其衍生組織器官，那么，這位老年人的壽命就可以得到明顯的延長。美國《科學》雜志于1999年將干細胞研究列為世界十大科學成就的第一，排在人類基因組測序和克隆技術(shù)之前。

鑒于干細胞在未來醫(yī)療、尤其是器官移植領域的巨大應用前景，世界各國，尤其是發(fā)達國家都開展了這方面的探索研究，并取得了一些成就。如德國科學家在用臍帶血干細胞治療中風綜合征研究方面取得重要進展。動物試驗表明，接受干細胞療法治療的試驗鼠病情明顯好轉(zhuǎn)。此外，新加坡國立大學醫(yī)院和中央醫(yī)院通過臍帶血干細胞移植手術(shù)，根治了一名因家族遺傳而患上嚴重的地中海貧血癥的男童，這是世界上第一例移植非親屬的臍帶血干細胞而使患者痊愈的手術(shù)。

關(guān)于干細胞研究的大事記：[7]

1969年第一例骨髓干細胞移植（獲1990年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎）

1998年建立了人類胚胎干細胞系

1999年干細胞研究進展被《Science》雜志評選為該年度世界十大科學成就之首。

1999年中國成立多個干細胞研究中心。

2000年5月，日本以干細胞工程列為醫(yī)學核心技術(shù)

2001年1月，英國議會上院通過法案，允許科學家克隆人類早期胚胎并用于醫(yī)療研究。

2001年2月，中、英等國宣布開展新生兒臍帶血干細胞儲存服務

3.3 轉(zhuǎn)基因生物

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是指利用分子生物學手段，將某些生物的基因轉(zhuǎn)移到其他生物物種上，使其出現(xiàn)原物種不具有的性狀和產(chǎn)物，以轉(zhuǎn)基因生物為原料加工生產(chǎn)的食品就是轉(zhuǎn)基因食品（Genetically? Modified? Food，簡稱GM? Food）。目前轉(zhuǎn)基因技術(shù)已基本趨于成熟，尤其是在轉(zhuǎn)基因植物方面，它之所以沒有得到更大規(guī)模的發(fā)展，主要原因是人們對其安全性仍有擔心，如轉(zhuǎn)基因食品是否對生物體有害以及它是否會改變自然環(huán)境，從而破壞生物多樣性等等。不過盡管如此，自1983年英國培育出世界上第一種含有抗生素藥類抗體的基因移植煙草以及1993年美國將世界上第一種轉(zhuǎn)基因食品——保鮮延熟型西紅柿投放市場以來，轉(zhuǎn)基因技術(shù)仍然獲得了空前的發(fā)展。目前已有轉(zhuǎn)基因大豆、玉米、棉花、油菜、南瓜、木瓜、馬鈴薯、番茄、甜菜等幾十種作物投入商業(yè)種植。其中，前四種轉(zhuǎn)基因作物占據(jù)主導地位。并且全球轉(zhuǎn)基因作物的種植面積已經(jīng)從1996年的170萬公頃增長到2003年的6770萬公頃，種植轉(zhuǎn)基因作物的國家數(shù)量也在2003年翻了一番。但目前仍主要集中在6個國家，其中美國占63%，阿根廷占21%，加拿大占6%，中國和巴西各占4%，南非占1%?？傮w來說，2003年這些國家的轉(zhuǎn)基因作物種植面積占全球種植總面積的99%。專家預計，在今后10年中，轉(zhuǎn)基因作物將會擴展到25個國家，播種面積將達到1億公頃，將有1000萬農(nóng)民從事轉(zhuǎn)基因作物的種植。[8]

3.4 生物信息學

生物信息學是一門新興的交叉學科，是伴隨基因組研究而產(chǎn)生的，它的研究內(nèi)容緊隨基因組研究的逐步深入而發(fā)展。目前，伴隨著基因組研究日新月異的快速發(fā)展，相關(guān)信息出現(xiàn)了爆炸性增長，迫切需要對海量生物信息進行處理。在當前基因組信息爆炸的時代，建立超大規(guī)模計算系統(tǒng)，發(fā)展全新的生物信息學的理論、方法來分析這些數(shù)據(jù)，從中獲得有用的信息是基因組研究取得成果的決定性步驟。[9]

目前，伴隨著基因組研究日新月異的快速發(fā)展，相關(guān)信息出現(xiàn)了爆炸性增長，迫切需要對海量生物信息進行處理。以Genbank中的DNA堿基數(shù)為例，其增長速度呈指數(shù)性增長，大約每14個月就會增長一倍，這一增長速度只有計算機運算能力的增長可以與之比擬。所以在當前基因組信息爆炸的時代，建立超大規(guī)模計算系統(tǒng)，發(fā)展全新的生物信息學的理論、方法來分析這些數(shù)據(jù)，從中獲得有用的信息是基因組研究取得成果的決定性步驟。其次，基因組研究最終是要把生物學問題轉(zhuǎn)化成對數(shù)字符號的處理問題。要解決這樣的問題就必須發(fā)展新的分析理論、方法、技術(shù)、工具，就必須依賴計算機的信息處理。

由于生物信息學是一門新興學科，發(fā)展時間不長，因此在該領域我國與發(fā)達國家之間的差距并不很大，目前我國在生物信息學研究、DNA測序能力方面已處于世界前列，但與國際上相比，對基因組數(shù)據(jù)的分析處理和利用能力，包括計算能力則存在較大差距。國外分析這樣的海量數(shù)據(jù)都使用超級計算機，而我們的許多研究工作還依賴于使用能力弱得多的工作站甚至個人電腦。因此與國外相比，國內(nèi)生物信息研究在使用高性能計算方面還比較薄弱，這必將嚴重影響我國生物信息學未來的發(fā)展水平。

總結(jié):

綜上所述,盡管人類有意識地開發(fā)生物技術(shù)的歷史還不長,其起步也較晚,但憑借著生物技術(shù)其獨有的而又十分重要的作用,在當今社會各項高科技產(chǎn)業(yè)中,生物技術(shù)占有不可或缺的地位,并且我堅信,在不久的將來,它將在人類生活中發(fā)揮更為重要的作用.生物技術(shù)的開發(fā)與利用不僅能運用與解決當今社會的各大主要問題,如糧食短缺,能源過分消耗,環(huán)境污染等日益突出的問題,而且它還能幫助人類攻克各類疑難雜癥,延長人類壽命,改善農(nóng)作物產(chǎn)量提高經(jīng)濟效益,這都真正體現(xiàn)了人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的偉大精神,對人類的繁衍,對我們的下一代,人類文明的發(fā)展都具有長遠意義.由于微生物技術(shù)的這些獨一無二的特點,其開發(fā)前景將十分看好,并且憑借其優(yōu)勢地位,它將成為未來社會的主流科技技術(shù)之一。

參考文獻

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[2]朱正威等, 生物技術(shù)的應用與展望, 高中生物網(wǎng),? http://www.pep.com.cn/200406/ca456709.htm

[3]李學勇等,生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展回顧與展望, 中國生物技術(shù)發(fā)展中心網(wǎng), http://www.cncbd.org.cn/nianbao/2002/chapter0.htm

[4]律妍,生物技術(shù)介紹, 青島國基外語學校, http://www.chinabest1.org/readnews.asp?newsid=594

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[6]谷竣戰(zhàn), 國外生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)最新發(fā)展現(xiàn)狀綜述（一）, 一覽網(wǎng) , http://club.elanw.com/dispbbs.asp?boardid=38&id=5970&page=1

[7]李學勇等,第十二章, 其 它，中國生物技術(shù)發(fā)展中心網(wǎng), http://www.cncbd.org.cn/nianbao/2002/chapter12.htm

[8]佚名, 轉(zhuǎn)基因技術(shù),良友網(wǎng), http://www.ly6.net/printpage.asp?ArticleID=6264

[9]陳潤生, 生物信息學——基因組研究的有力工具,?中科院計算所生物信息學實驗室, http://www.bioinfo.org.cn/course/crs1.htm