Nat. Comput. Sci. | 从起步到当前挑战：生物信息学的发展历程

今天为大家介绍的是来自Paulien Hogeweg的一篇来自期刊NCS的采访。Paulien Hogeweg是Utrecht大学生物信息学教授，她与Ben Hesper在20世纪70年代共同创造了“生物信息学”这个术语。Hogeweg在这次采访中讨论了她关于细胞波茨模型的工作，模型方法中空间信息的整合，以及她当前关于多层次进化的研究。

Paulien Hogeweg教授对理论生物学的兴趣源于她在70年代初完成野外生态学硕士学位期间的实验工作。由于当时缺乏学生用的计算机，她意识到有必要利用计算机来更好地分析和理解大量实验数据。这种需求促使她到中央数学与计算机科学研究所使用电脑，她发现即便是基础的数据分析也能带来更深入的洞见。随后，在莱顿的理论生物学研究所，她遇到了Ben Hesper，并与他展开长期合作。他们共同认识到，利用计算机作为信息处理工具来研究生物系统是一个有前景的方向，这最终导致了“生物信息学”这一术语的创造。

在您看来，自生物信息学诞生以来，该领域的主要转折点是什么？

根据Paulien Hogeweg教授的观点，生物信息学自诞生以来最重要的转折点是新实验技术与巨大计算能力的结合。这种结合使得生成和处理大量数据成为可能，从而推动了新的数据分析技术和建模方法的发展。特别是，基于个体的模型成为了该领域的一个重要发展方向。这种模型允许研究者探索信息处理单元之间的局部交互，为传统的种群基础模型提供了补充，这些传统模型通常采用常微分方程，假设系统中的成分是均匀混合的。这一转变不仅促进了生物信息学的发展，也加深了我们对生物系统复杂性的理解。

在过去的几十年里，生物信息学领域见证了生命科学数据的激增。研究人员在面对这种数据激增时应避免哪些陷阱？

Paulien Hogeweg教授指出，随着生物信息学领域数据量的巨大增长，研究人员面临的一个主要陷阱是过分专注于数据分析，而忽视了对现象背后过程的理解和计算模拟。她强调，生物信息学最初的定义是研究生物系统中的信息处理过程，而现在的实践主要集中在数据分析上。这表明，尽管数据分析在生物信息学中非常重要，但研究人员也应该努力理解和重现生物现象背后的基本过程，这样才能深入探究生命科学的复杂性和动态性。

您认为您职业生涯中最重要的贡献是什么？

Paulien Hogeweg教授认为她职业生涯中最重要的贡献是将达尔文进化论与自组织过程相结合。特别是在进化过程的研究中包含空间信息，她和她的学生Maarten Boerlijst发现，考虑空间结构对理解进化过程至关重要。他们在1991年的研究表明，包含空间因素后，原本关于原生生物进化的模型结果出现了根本性的变化。这一发现强调了在研究进化过程时，空间和时间维度的实体互动是不可忽视的重要因素，这对进化生物学和生物信息学的理解产生了深远影响。

细胞波茨模型在研究细胞动态方面非常受欢迎。您是如何开始在这一领域工作的？

Paulien Hogeweg教授开始研究细胞波茨模型的工作源于她偶然发现了Glazier和Graner在1992年发表的一篇论文。她对将细胞视为可以变形、移动和相互粘附的实体的想法感到兴奋，并认识到这种方法在研究细胞系统自组织方面的潜力。在研究变形虫的生命周期时，她与同事使用了这种模型，成功重现了细胞之间简单相互作用的许多已观察到的动态。细胞波茨模型特别之处在于它将两个不同尺度——细胞自动机的单个功能点和由多个自动机构成的生物细胞——本质上连接起来，展现了这种建模方法的强大能力。

您当时预料到这项工作的广泛适用性和受欢迎程度吗？

Paulien Hogeweg教授在开展细胞波茨模型的工作时，对这个优雅且抽象的多尺度建模框架感到兴奋，并希望这个模型能够帮助其他人在生物学上获得新的洞见。她预期这项工作会引起关注，但她并没有完全预料到它会变得如此受欢迎。她对于这个模型能够如此有效地模拟细胞和组织的物理过程感到惊讶。

在您看来，未来十年生物信息学领域最紧迫的挑战是什么？

Paulien Hogeweg教授认为，未来十年生物信息学领域最紧迫的挑战是更紧密地将动态建模和数据分析整合在一起。由于现在可用的数据越来越复杂，将这些数据有效地融入建模方法中变得更具挑战性。

您最近一直在研究什么？

Paulien Hogeweg教授最近的研究重点是多层次进化，探讨高层次和低层次生物过程之间的相互作用。她指出，传统的进化理论往往忽略了遗传编码和特征形成的复杂性以及这些过程对进化动态的影响。为了深入研究这些复杂性，她和她的团队正在开发计算机模型。这些模型提供了关于基因组结构、基因调控网络、快速适应能力和长期信息整合的新洞见，揭示了复杂生命系统进化的机制。她的工作有助于更深入地理解生命系统的进化复杂性和动态性。

编译 | 曾全晨

审稿 | 王建民

参考资料

Rastogi, A. From inception to current challenges in bioinformatics. Nat Comput Sci (2023). 

https://doi.org/10.1038/s43588-023-00567-3