随着人类基因组计划的完成,生物信息学的研究重点已悄然的从生物数据的积累转到生物数据的处理和信息提取。然而对蛋白质进化机理的研究还局限于简单的生物实验和统计分析,本文引入元胞自动机,对蛋白质结构域架构的融合、裂变、插入和删除过程设计了一整套的演化规则,从而仿真自然状态下蛋白质的进化过程。同时,本文采用元胞自动机和图像特征处理算法,将病毒的基因组数据转换为特征图像,对其进行分析,具体研究内容及结果如下:1)构建蛋白质结构域编码模型。使用结构域架构来代替传统的蛋白质氨基酸序列,既可以简化蛋白质信息的表达方式,又能关联各个保守区域的联系。该编码方式能够捕获蛋白质关键的结构和功能特征,将蛋白质在进化过程中各个氨基酸的变化转变为其所在区域的结构域变化,为序列的同源性比较和分子进化提供了思路。2)建立蛋白质结构域演化规则。为了模拟蛋白质在自然状态下的进化过程,本文设计了“继承规则”、“由后向前规则”、“由前向后规则”和“保持?规则”作为元胞自动机中元胞更新状态的映射函数,同时通过分析数据集中各个蛋白质的结构域架构,统计两两结构域之间的位置信息得到两个概率矩阵,通过轮盘赌算法,将各个结构域的位置信息与演化规则联系起来,从而模拟自然环境的多样性和随机性。通过使用人类的Rho GEF蛋白质家族对模型进行测试,结果显示模型准确率最高能达到90.27%,同时对仿真出来的结构域架构进行分析,发现该模型实现了结构域的融合、裂变、插入和删除过程,且各个结构域和其邻居的分布符合幂规律和超结构域概念。这种模型对研究蛋白质结构域架构的进化方向具有应用前景。3)构建基因序列可视化模型。本文依据碱基的结构类别对其进行编码,将一维的基因序列编码成一维的二进制序列,并在此基础上使用元胞自动机构建病毒基因的可视化模型,同时使用Canny边缘检测算法对图像进行处理。结果显示在冠状病毒图像中以向左的“/”形斜条纹为主,SARS相关病毒(2019-n Co V和SARS-Co V)的特征图像均含有六个“V”字形交叉区域,而非SARS相关病毒的MERS的特征图像只有一个“V”字形交叉区域;非冠状病毒的Ebola病毒的特征图像虽然有三个“V”字形交叉区域,但其图像以向右的“\”形斜条纹为主。同时,通过计算特征图像之间的结构相似性发现,蝙蝠冠状病毒Ra TG13与2019-n Co V之间的特征图像结构相似性达到了77.12%,穿山甲冠状病毒与2019-n Co V之间的特征图像结构相似性为73.36%。该模型能解决基因序列数据的转换、处理、显示、分析等问题,为科研人员分析基因序列的特征和功能提供了一条新的途径。