目前，我们已经获得了小部分人的完整DNA序列信息。另一方面，我们也对细胞日常活动中所涉及的生化反应机制及其分裂、分化机理有了越来越多的了解。在过去的10年间，分子技术的进步使我们能够诱导并监测数千种基因、RNA信号以及蛋白质的变化情况；而现在，我们甚至可以在单细胞中同时检测到这些指标的变化情况。这些技术革新所带来的新知识逐渐发展形成了系统生物学的主要内容，使得我们了解到细胞内不同组分之间成千上万种细微的相互作用关系。在早期的实验中，人们常常会对细胞施加某种药物处理，然后观察其所发生的变化。例如，在最理想的情况下，某一种药物可以与其靶向蛋白（如某种酶类）发生相互作用，使其失活。但如今通过对成千上万个基因及其产物进行分析后，我们已经得知除靶标蛋白外，大多数药物还可以引发许多与靶标蛋白无明显关联的非靶标蛋白的变化。这些非靶标蛋白的变化可能是增加或者减少，变化速率也各不相同。从另一方面来说，这些药物的“副作用”也推动了“更为清洁”的特异性药物的研发进程。随着各大系统相关研究的不断开展，我们逐渐了解到在细胞分裂、分化等生物学过程中，细胞内基因表达与蛋白质水平均发生着不同的变化。尽管这些实验本身所花费的时间相对较少，但由于在实验过程中获得了海量的数据，因此需要耗费大量时间来对数据进行细致的分析，这样才能对这些实验背后的生物学含义有更为深刻的理解。幸运的是，目前计算机已经可以通过强大的功能实现对相关信息的处理与分析。现如今，细胞与分子生物学领域的研究已越发依赖于计算机生物学（又称为生物信息学）的帮助，以解决那些基于DNA与蛋白质序列的生物学行为相关问题。

系统生物学领域的先驱——莱诺伊·胡德（Leroy Hood）提出了一个将系统生物学完美应用于医学领域的案例：一名患者躺在**，正准备接受一场手术。首先，护士对患者进行了穿刺取血。随后，通过对患者的血样进行分析，获得了其机体功能与健康状况相关的生化、基因与蛋白的完整信息。利用这些信息，计算机可以在几分钟之内推算出这名患者可能罹患的所有疾病、相应症状、治疗策略或进一步的检查建议——这便是个性化医学。这在几年前曾是遥不可及的梦想，而现在只是时间早晚的问题（尽管具体时间仍不能确定）。癌症相关的研究人员已经可以利用先进的蛋白质与DNA技术来对实体瘤患者进行检测，及时发现其血液中数量微小的癌细胞（在实体瘤患者体内，不断生长的肿瘤需要周围的毛细血管为其提供营养，而少数肿瘤细胞则会通过毛细血管不断地进入血液系统中）。药物研究人员正是利用这些方法来研发新的广谱性抗癌药物。

鉴于活细胞具有动态的特性，若想在生命过程中（例如在干细胞的分化过程中）实现对单个蛋白的追踪，就需要对一种或多种蛋白进行标记，并对它们进行实时观察。在既往研究中，人们常使用绿色荧光蛋白等分子作为标记物。然而，此类标签蛋白的分子量可能比目标分子还要大许多倍，因此，可能会对目标分子的正常活性产生干扰。如今，我们可以使用微小的无机球（量子点）进行标记，这些标记物体积十分微小（如图1所示），因此可以直接穿过细胞膜。纳米技术是在原子或分子尺度上操纵物质的科学，主要涉及长度在1~100纳米（DNA链的直径为2纳米）的物质的相互作用。在这种微观尺度下进行工作的巨大优势在于极快的反应速度，就如同细胞中所发生的反应一般。这一新兴的研究领域已开始应用于疾病的分子分析，其未来的应用方向包括对突变基因的显微操纵，细胞内生物传感器的构建，以及DNA计算机的制造等。可以想象一下，有朝一日我们所吃下的药物不再只是一粒简单的药片，而可能是一个装有纳米机器人的胶囊，它可以发现并对癌细胞的DNA进行重构，或及时消除那些威胁到生命的病毒。遗传疾病患者的细胞可以通过外科纳米机器人进行矫正，并且可以将受影响的器官进行重组等。