生物信息學在藥學專業課程中的設置及教學探索論文

　　本文就生物信息學設置為藥學專業的課程的必要性和教學內容及教學方法進行了論述。

　　基因組學，生物醫藥等內容已經列入我國“十三五”規劃綱要，作為我國未來幾年的重大科技研究領域，生物信息學在這些領域中將發揮不可或缺的作用。生物信息學(Bioinformatics)一詞由美籍學者林華安博士(HwaA.Lim)首先創造和使用。生物信息學是多學科的交叉產物，涉及多個領域。狹義的講，生物信息學是對生物信息的獲取、存儲、分析和解釋;計算生物學則是為實現上述目的而進行的相應算法和計算機應用程序的開發。這兩門學科統稱為生物信息學。生物信息學是當今生命科學和自然科學的重大前沿領域之一，同時也是21世紀自然科學的核心領域之一[1]。當前，伴隨著分子生物學技術的快速發展及后基因組時代的到來，生物信息學除了在生物領域有重要作用，在其他領域如醫學、藥學、農業、衛生等廣大領域也有著巨大的影響。

　　藥學專業是培養從事藥物分析、臨床藥學、藥物研究與開發、藥物制劑生產與管理、醫藥營銷等方面人才的專業。該專業對于人類健康問題的解決，是一個必須的學科專業。隨著大數據時代的到來，藥學領域的藥物資源、臨床藥學服務、新藥研發等的研究也面臨著海量數據的挑戰，所以把生物信息學運用到藥學研究中已經是必然趨勢。故本文就生物信息學設置在藥學專業課程中的必要性以及教學方法進行初步的探討，希望能為藥學專業的學生課程設置提供參考。

　　一、生物信息學在藥學專業設置的必要性

　　生物信息學在生藥學、藥理學、藥物化學等學科已經開始應用，具體在中藥材鑒別、藥物機制研究、藥物功能基因篩選、藥物設計中已經產生了比較好的效果[2]。

　　(一)生物信息學與生藥學。中藥材鑒定是生藥學的重要內容，中醫藥作為中華民族的瑰寶，中藥材的質量就是中醫藥發展的生命。我國國土面積廣闊，中藥材資源非常豐富，研究中藥材資源的分布、中藥材的質量優劣便成為中醫藥發展的重要研究課題。生物信息學已然成為除來源鑒定、特征鑒定、理化鑒定、顯微鑒定之外的新的鑒定藥材的方法。

　　中藥材具有道地性，即藥材的質量與藥材的分布和地域有相關性，通過生物芯片技術可以具體分析道地藥材的基因序列，用特殊標記的序列作為探針，通過生物信息學分析鑒定藥材的道地性。另外，我們可以把特殊標記的序列作為條形碼，相當于藥材有了自己的身份標簽，就可以查詢數據庫對應的種屬序列，區別該藥材的真偽[3]。

　　組學時代的到來和系統生物學的發展、藥材的序列數據的不斷積累以及研究的豐富與深入，使得我們可以從相關的數據中發現藥材的進化關系和遺傳學特點，繪制系統發育樹，尋找種群間的發育關系[4]。

　　(二)生物信息學與藥理學。藥物的作用機制是藥物效用的核心內容，也是藥物治療作用與不良反應的關鍵所在。我們可以通過藥物基因組學、轉錄組學、蛋白組學和代謝組學研究藥物作用的關鍵基因和作用通路，以便闡明藥物在體內的作用機制和它們的代謝過程。如果我們進行系統的研究，必須要有生物信息學的參與，我們才能在成千上萬的核苷酸中讀懂藥物的作用機制。為疾病治療和藥物發現尋找新的突破口。

　　生物信息學助力個性化的合理用藥。生命個體存在差異，疾病的發展也各不相同，例如藥物代謝酶的效應差異會使個體產生不同療效差異。所以，在進行疾病治療時，既要確保藥物安全有效使用，又要達到個體化的治療，這就需要生物信息學為我們提供強大的數據分析與處理能力。在人類基因組計劃的完成以及大量藥物作用相關基因的克隆與鑒定、單核苷酸多態性的檢測與發現、大規模基因分型技術、DNA測序技術及生物信息學的發展，為分析個體在疾病過程中的差異，從基因水平上選擇用藥提供了支持。基于此，“精準醫療”已經列入我國未來五年的科研規劃。所以，在處理和解決人類有關健康問題時，必然需要生物信息學的參與。

　　(三)生物信息學與藥物化學。新藥的發現與設計是藥物化學的主要內容之一。在新藥設計中，計算機輔助藥物設計越來越得到新藥設計者的青睞，而生物信息學是輔助藥物設計的重要手段。受體、酶這些可以作為藥物靶點的大分子，在藥物設計中，明確了靶標的三維結構，借助其空間構型直接或間接設計配體的結構，尋找新藥[5]。

　　生物信息學通過多個數據庫進行研究，除了可以預測蛋白質的空間結構，我們還能夠了解到諸如蛋白質等大分子的三維空間結構等相關信息，以及電子布局和動力學行為信息。通過理論模擬的方式還可研究包含蛋白質等大分子及其周圍環境的復雜體系和生物分子的量子效應，上面涉及到的內容，給精確高效的藥物設計提供保證。所以，生物信息學可以極大地改變新藥研究的思路，加快新藥研究的步伐。

　　二、生物信息學在藥學專業中的教學

　　(一)生物信息學在藥學專業中的課程設置。目前大部分學校在藥學專業中沒有設置生物信息學課程[6]，但隨著研究課題質量的不斷提高，研究領域的不斷擴展，有些高等院校在非專業學生中開設了生物信息學選修課，但對于大多數學校，尤其是醫藥類院校并未把這一領域和學科的知識內容加入到本專業的課程中[7]。

　　當今生命科學快速發展，生物信息學在處理數據方面顯示出巨大優勢，多數生物醫學工作者主要從事本職工作，生物信息學只是作為研究工具來使用，因此，醫藥學高等院校的生物信息學教學也應圍繞應用來開展。在課程的設置上充分考慮學生的知識背景和學習需求，制定不同的教學大綱和學習目標，彈性安排本科階段和研究生階段的教學，以選修課為宜。基于生物信息學的特點，課時安排盡量緊湊，注重效率，同時安排上機實習課程。

　　(二)生物信息學在藥學專業中的教學內容和方法。

　　1.生物信息學在藥學專業中的教學內容。生物信息學的研究范圍大致可分二類：一是數據庫的建立與優化。目前，國際上比較著名的公共數據庫有EMBL、GenBank、DDBJ，另外還有一些公司有內部數據庫。二是數據庫的基本理論研究、對軟件的研制、對序列的排列比較以及新序列的識別和預測等[8]。針對藥學專業的教學，內容主要是如何應用各種核酸、蛋白序列數據庫資源，會使用一些分析軟件，原理和算法作為輔助教學內容，具體主要集中在以下內容：

　　數據庫查詢的教學，對于三大核酸序列數據庫的查詢、蛋白質序列數據庫SwissProt查詢以及生物大分子結構數據庫PDB的查詢。教學這些數據庫的界面、幫助功能等。具體教學內容是：①生物學與生物信息學、DNA測序技術[9]、收集、存貯和管理生物信息;②提取和分析基因組序列信息，生物序列的比對、motif搜索[10];③功能基因組相關信息分析，DNA編碼區檢測、基因進化[11];④生物大分子結構模擬和藥物設計，蛋白質折疊方法、生物序列的重復模式;⑤生物信息分析的常用技術與方法;⑥數據庫、生物信息學平臺的發展。這些內容在不同教學對象時應保持一定的連貫性，但也不應過多重復，使得學生根據自身情況作出合理的選擇。要突出課程的實用性，大約36學時[8]。

　　2.生物信息學在藥學專業中的教學方法。生物信息學的教學涉及到數據庫的網頁以及一些序列數據，所以比較其他教學方法，多媒體技術具有一定優勢。多媒體技術通過圖、文、音、像，建立各種信息的邏輯連接，使之集成一個交互式系統。在課堂中，我們可以利用網絡直接把數據庫的網頁展示到教室的熒幕上，結合以往的教學經驗，該方法既直觀明了又體現時效性，可以激發學生的學習興趣。

　　在課程的組織實施上需要因地制宜。根據現有條件開展教學，組織各專業老師，如計算機專業和生化與分子生物學專業的老師，共同完成教學工作。同時，可以向學校申請一定的經費，使其能較好地開展生物信息學教學和實習工作[8]。

　　三、結語

　　我們生活在信息時代，各學科知識交織滲透，不斷產生新的學科，生物信息學作為一門應用型的學科，已經在各學科領域有著廣泛的應用，并為各學科的發展提供了支持和動力。后基因組時代的到來[12]，醫藥領域的許多數據需要生物信息學進行分析處理，而且這種趨勢愈來愈明顯。所以，我們有必要在藥學專業中設置生物信息學這門課程，豐富專業知識，提高處理信息能力，培養復合型藥學專業人才，使他們在從事專業工作中具有相關的知識背景和能力。

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