簡(jiǎn)要內(nèi)容：基因技術(shù)的突破使生命科學(xué)發(fā)展進(jìn)入了知識(shí)爆炸時(shí)代，許多新概念和新技術(shù)讓人眼花繚亂。目前，劉志杰在中科院生物物理研究所的蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺(tái)構(gòu)建了一套高通量的從基因克隆到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的流水線。
 

　　從儀器研制與改造看生命科學(xué)行進(jìn)軌跡

　　基因技術(shù)的突破使生命科學(xué)發(fā)展進(jìn)入了知識(shí)爆炸時(shí)代，許多新概念和新技術(shù)讓人眼花繚亂。幾年前人們聽(tīng)到的是“基因組”、“蛋白質(zhì)組”、“生物工程”等名詞，現(xiàn)在科學(xué)家在談?wù)?ldquo;生命模塊”、“人工電路基因”、“納米粒子智能導(dǎo)彈”……生命科學(xué)究竟沿著怎樣的路線在前進(jìn)？帶著這個(gè)問(wèn)題，記者zui近走進(jìn)了中科院生物物理所幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室。

　　“聯(lián)通”產(chǎn)效率

　　2009年zui后一個(gè)月的zui后幾天里，一個(gè)類似齒輪的灰色金屬圓形物，擺放在中科院生物物理所研究員楊福全辦公室的茶幾上。這是他自己設(shè)計(jì)、委托企業(yè)加工完成的一件“作品”，工廠送來(lái)剛拆封，等著他驗(yàn)收。

　　“這是我新研制的逆流色譜儀的核心部分—— 一種新型逆流色譜柱。我準(zhǔn)備把它用于膜蛋白質(zhì)的富集和亞細(xì)胞器的分離，進(jìn)而用于膜蛋白質(zhì)組學(xué)研究。”巧遇《科學(xué)時(shí)報(bào)》請(qǐng)他談生物技術(shù)目前的發(fā)展態(tài)勢(shì)，他順便告訴記者。

　　“上目前有這樣的儀器嗎？”記者問(wèn)。

　　“還沒(méi)有，不過(guò)這個(gè)現(xiàn)在還需要保密。我還是給你看看另外一樣?xùn)|西。”

　　說(shuō)話間，楊福全從柜子里拿出一個(gè)已經(jīng)組裝好的“作品”。“這是毛細(xì)管液相色譜—電噴霧質(zhì)譜接口平臺(tái)，是我們?cè)谥锌圃簝x器研制和改造項(xiàng)目支持下，通過(guò)學(xué)習(xí)、消化和吸收，在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)加工的，使儀器能夠適合于各種復(fù)雜程度的蛋白質(zhì)樣品分析。這個(gè)準(zhǔn)備安裝在新進(jìn)的一套二維液相色譜—高分辨質(zhì)譜系統(tǒng)上。”

　　據(jù)楊福全介紹，蛋白質(zhì)組學(xué)是目前生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，蛋白質(zhì)組學(xué)研究競(jìng)爭(zhēng)也異常激烈。有了基本硬件設(shè)備而又能讓設(shè)備地工作，才能做出高水平工作。其中，現(xiàn)代色譜分離技術(shù)和生物質(zhì)譜技術(shù)構(gòu)成了蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的主體。色譜—質(zhì)譜系統(tǒng)連接的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度和效率。這個(gè)接口平臺(tái)就是針對(duì)商用儀器的不足而設(shè)計(jì)加工的，它與自制的毛細(xì)管液相色譜柱聯(lián)合使用，不僅降低了整體設(shè)備的運(yùn)行成本，更重要的是大大提高儀器系統(tǒng)的通量、靈敏度和效率。

　　2004年從美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院（NIH）國(guó)立心、肺和血液研究所回國(guó)的楊福全博士，目前擔(dān)任中科院生物物理研究所質(zhì)譜技術(shù)專家，主要從事蛋白質(zhì)組學(xué)新技術(shù)新方法的研究與應(yīng)用。對(duì)現(xiàn)有儀器進(jìn)行改造、研制生命科學(xué)研究領(lǐng)域中的新儀器設(shè)備是他目前重要的任務(wù)之一。

　　楊福全介紹，生物質(zhì)譜技術(shù)和雙向電泳、液相色譜（HPLC）、毛細(xì)管電泳等現(xiàn)代分離技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多肽、蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子的高通量分析和鑒定；這些技術(shù)通過(guò)與熒光標(biāo)記技術(shù)、穩(wěn)定同位素標(biāo)記等技術(shù)的結(jié)合，又實(shí)現(xiàn)了生物大分子高通量的定量分析，從而推動(dòng)了蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用。

　　“實(shí)驗(yàn)室的儀器裝備改造后，技術(shù)水平是否取得較大的提高？”記者追問(wèn)。

　　楊福全并未直接回答記者的問(wèn)題，而是打開(kāi)不久前新當(dāng)選的中科院院士、北京大學(xué)教授尚永豐給他寫(xiě)的一封電子郵件，上面寫(xiě)道：“過(guò)去兩年我實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生和工作人員在你實(shí)驗(yàn)室做了很多的質(zhì)譜分析。這些分析對(duì)我們的研究起到了很大的作用，2009年我們發(fā)表的文章，包括在Cell、PNAS和The Embo Journal雜志上的文章，都用了你實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)譜分析結(jié)果。所以，在此我想向你和你實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)人員表示真摯的感謝。我?guī)状卧诓煌膱?chǎng)合說(shuō)過(guò)：國(guó)內(nèi)好多單位都有質(zhì)譜儀，但真正能用到科研上的不多。很高興北京有你這一家，為我和其他實(shí)驗(yàn)室的研究工作提供了很好的。我們實(shí)驗(yàn)室主要從事基因表達(dá)調(diào)控的表觀遺傳機(jī)制研究，今后肯定還需要你的支持和幫助。希望我們找個(gè)時(shí)間聊聊，探討一下合作研究的可能性。”

　　楊福全介紹，蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)目前的發(fā)展趨勢(shì)主要包括3個(gè)方面：高分辨、高質(zhì)量精度和快速的質(zhì)譜儀器的開(kāi)發(fā)；、高選擇性的樣品富集技術(shù)的開(kāi)發(fā)；由生物質(zhì)譜技術(shù)、現(xiàn)代分離技術(shù)和穩(wěn)定同位素標(biāo)記技術(shù)等技術(shù)集成的高通量的定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)。因?yàn)殡S著蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)在生命科學(xué)和蛋白質(zhì)科學(xué)研究中的不斷深入應(yīng)用，全面系統(tǒng)分析細(xì)胞、組織或生物體中蛋白質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律或量的分析，已成為蛋白質(zhì)組學(xué)研究的必然趨勢(shì)。

　　“銜接”出速度

　　中科院生物物理所研究員劉志杰從另一個(gè)角度解說(shuō)了生命科學(xué)發(fā)展對(duì)新設(shè)備的需求。這位曾參與美國(guó)東南結(jié)構(gòu)基因組研究中心工作的研究員2006年回國(guó)，一直致力于改進(jìn)中國(guó)生命科學(xué)的研究設(shè)備。

　　他說(shuō)，10年前，研究人員解析一個(gè)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)大約需要1～2年時(shí)間，隨著新技術(shù)、新方法的發(fā)展，截至2009年12月底，*已解析了7萬(wàn)多個(gè)蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)。這些率的自動(dòng)化方法，主要包括高通量克隆、高速度表達(dá)純化、蛋白質(zhì)自動(dòng)化結(jié)晶、自動(dòng)化衍射數(shù)據(jù)收集和結(jié)構(gòu)解析等。如果研究人員繼續(xù)采用原有的老方式，美國(guó)于2000年啟動(dòng)的“結(jié)構(gòu)基因組計(jì)劃”根本不可能按時(shí)完成，甚至做不出其中的1/10。

　　目前，劉志杰在中科院生物物理研究所的蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺(tái)構(gòu)建了一套高通量的從基因克隆到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的流水線。這*水線由幾個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊都力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。如*個(gè)模塊即是自動(dòng)化克隆和小規(guī)?？扇苄员磉_(dá)篩選，使用該模塊可自動(dòng)篩選出可溶性表達(dá)的蛋白質(zhì)。

　　“如果使用傳統(tǒng)方法，只能一個(gè)個(gè)地進(jìn)行手工試驗(yàn)，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力還容易出錯(cuò)?，F(xiàn)在可以一次篩選96個(gè)目標(biāo)基因，很快了解哪些蛋白質(zhì)在哪種條件下是可溶的。也就是說(shuō)，過(guò)去需要幾個(gè)月或幾年完成的工作，如今一個(gè)人幾天就能完成。”他說(shuō)。

他介紹，現(xiàn)代分子生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展為蛋白質(zhì)晶體學(xué)提供了許多*的技術(shù)和方法，*地提高了蛋白質(zhì)晶體學(xué)的研究效率。由于蛋白質(zhì)晶體學(xué)的研究對(duì)象在很大程度上是一個(gè)自然的選擇過(guò)程，構(gòu)象穩(wěn)定和容易結(jié)晶的蛋白質(zhì)成為研究人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的目標(biāo)。這就意味著下的蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)解析難度將越來(lái)越大。同時(shí)，隨著人類對(duì)生命現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的深入，對(duì)健康、環(huán)境和能源方面的關(guān)注，蛋白質(zhì)晶體學(xué)的研究對(duì)象越來(lái)越多地定位于與人類疾病以及工農(nóng)業(yè)密切相關(guān)的重要目標(biāo)蛋白上。其中，很多目標(biāo)蛋白來(lái)自真核生物的蛋白質(zhì)復(fù)合體和膜蛋白，而真核生物的可溶蛋白質(zhì)和膜蛋白的獲得，是目前各國(guó)晶體學(xué)家面臨的共同難題。

　　此外，生物大分子的結(jié)晶也是晶體學(xué)家們亟待解決的問(wèn)題。雖然人們投入了大量精力研究蛋白質(zhì)結(jié)晶的理論和實(shí)驗(yàn)方法，但由于蛋白質(zhì)結(jié)晶過(guò)程的多參數(shù)、隨機(jī)性過(guò)大，未知因素過(guò)多，目前蛋白質(zhì)結(jié)晶在理論上沒(méi)有取得任何突破性進(jìn)展。人們所期待的根據(jù)蛋白質(zhì)一級(jí)序列預(yù)測(cè)其結(jié)晶條件的情景還只是夢(mèng)想。研究人員不得不繼續(xù)采取“盲人摸象”的大規(guī)模篩選方法尋找蛋白質(zhì)分子的結(jié)晶條件。因此，高純度、高均一性和高穩(wěn)定性的蛋白質(zhì)樣品的獲得，以及蛋白質(zhì)分子的結(jié)晶，成為目前限制蛋白質(zhì)晶體學(xué)發(fā)展的主要瓶頸。

　　為篩選*的結(jié)晶條件，研制出自動(dòng)化、高速度、高度制備出納米級(jí)蛋白質(zhì)和結(jié)晶溶液混合液滴的機(jī)器人，成為迫切需要解決的技術(shù)問(wèn)題。因?yàn)榻Y(jié)晶機(jī)器人用很少量的蛋白質(zhì)樣品就能篩選大量的結(jié)晶條件。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)發(fā)出多款結(jié)晶機(jī)器人，能夠一次篩選幾百到上千個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)晶條件；另一種結(jié)晶觀測(cè)機(jī)器人甚至能根據(jù)時(shí)間拍攝結(jié)晶過(guò)程的照片，并自動(dòng)放在網(wǎng)上，研究人員不論在家還是在其他地方都可以了解到實(shí)驗(yàn)的情況。如果沒(méi)有這樣的自動(dòng)化設(shè)備，學(xué)生們就不得不呆在冷室里一個(gè)一個(gè)地觀測(cè)了。

　　劉志杰告訴記者，他新構(gòu)建的從基因到結(jié)構(gòu)的流水線，各種零件都是現(xiàn)有的，但如何將它們整合在一起工作，大部分是他按照實(shí)驗(yàn)的需求自己設(shè)計(jì)而成的，其中一部分是他與美國(guó)的合作者共同探討研究而成的。如果與美國(guó)同行的設(shè)備比，生物物理所這套設(shè)備的自動(dòng)化程度更高。如，小規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)，美國(guó)合作者依然使用手工，而他的這套設(shè)備已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。

　　全新的自動(dòng)化裝備給劉志杰研究小組帶來(lái)了預(yù)期的喜悅。他的課題組使用這條流水線所開(kāi)展的癌癥研究取得突破性進(jìn)展。其論文《通過(guò)N10取代的*類似物抑制人源5，10-次甲基四氫*合成酶的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》于2009年9月被《癌癥研究》以封面文章的形式給予報(bào)道，受到同行高度關(guān)注。

　　在此流水線基礎(chǔ)上，劉志杰打算在2010年實(shí)施新的改進(jìn)，對(duì)膜蛋白處理進(jìn)行自動(dòng)化改造。即在保持設(shè)備原有功能基礎(chǔ)上，找出使膜蛋白可溶的條件。這種設(shè)備的改進(jìn)，只要進(jìn)入研究階段，成果在上必定。因?yàn)?，目前世界上尚未有這類設(shè)備。

　　據(jù)悉，中科院將建基于同步輻射線站的高通量衍射數(shù)據(jù)收集和解析模塊。中科院生物物理所引進(jìn)的研究員張榮光，將在上海光源上建造新設(shè)施。劉志杰說(shuō)：“我們將是他zui大的用戶。”

　　各領(lǐng)域不期而遇

　　中科院生物物理所楊福全和劉志杰課題組開(kāi)展的設(shè)備研制，使人們不難看出，生命科學(xué)研究技術(shù)目前正從發(fā)展單項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成研究，而且這種趨勢(shì)不僅體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域，在腦認(rèn)知研究中也有相似表現(xiàn)。

　　在生物物理所腦認(rèn)知國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，薛蓉研究員先讓記者參觀了實(shí)驗(yàn)室制造的“頭盔”。這個(gè)特殊的“頭盔”內(nèi)插滿了線路，接受實(shí)驗(yàn)的人戴在頭上，推進(jìn)腦成像裝置便可給大腦拍照，并探測(cè)到腦部神經(jīng)系統(tǒng)的一些活動(dòng)情況。

　　薛蓉曾在美國(guó)紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院放射系生物醫(yī)學(xué)成像中心任工程師職位。她介紹，這個(gè)“頭盔”是她正在研制的一種新的并行成像設(shè)備與技術(shù)，以改進(jìn)人體超高場(chǎng)磁共振成像系統(tǒng)的性能，提高成像速度和質(zhì)量。

　　薛蓉解釋說(shuō)：“核磁共振中，質(zhì)子共振頻率接近300MHz，在人體內(nèi)其波長(zhǎng)僅約11厘米，RF射頻場(chǎng)將與人體產(chǎn)生‘介電共振效應(yīng)’，導(dǎo)致凈磁化矢量在發(fā)射和接收上產(chǎn)生嚴(yán)重的不均勻性。除此之外，共振頻率的提高還會(huì)引起人體組織對(duì)電磁能量的吸收率（SAR）的增加，帶來(lái)類似微波爐加熱式的安全隱患。解決這些高頻信號(hào)問(wèn)題的zui有效方法，就是研制多通道的發(fā)射/接收射頻線圈，結(jié)合并行成像技術(shù)，以期獲得超高場(chǎng)成像系統(tǒng)中高分辨率的灰度均勻的人腦結(jié)構(gòu)和功能圖像。”

　　薛蓉介紹，隨著交叉學(xué)科的不斷發(fā)展，磁共振技術(shù)在諸多領(lǐng)域中都得到了重要應(yīng)用，無(wú)論是生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、分子影像學(xué)，還是腦與認(rèn)知科學(xué)等國(guó)家重要學(xué)科領(lǐng)域的研究，對(duì)磁共振技術(shù)的發(fā)展都有著越來(lái)越高的要求。上在這方面的投入相當(dāng)可觀，目前，上7*（T）人體磁共振成像系統(tǒng)已裝機(jī)30余臺(tái)。國(guó)外磁共振領(lǐng)域的生產(chǎn)廠家Siemens、GE和Philips等公司，以及美國(guó)哈佛醫(yī)學(xué)院、紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院，德國(guó)Freiburg大學(xué)等已裝備了7T磁共振超高場(chǎng)成像系統(tǒng)。在亞洲區(qū)域，韓國(guó)也早于我國(guó)購(gòu)買了相關(guān)設(shè)備。為了不滯后于前沿的科學(xué)研究，生物物理所腦成像中心2009年底引進(jìn)了國(guó)內(nèi)*臺(tái)7T超高場(chǎng)磁共振系統(tǒng)。這是基于這一團(tuán)隊(duì)已具備了自主開(kāi)展磁共振成像系統(tǒng)軟硬件研發(fā)能力而著手的工作。該系統(tǒng)目前正在緊張裝機(jī)。

　　上的主要研究機(jī)構(gòu)正積極在7T及以上超高場(chǎng)系統(tǒng)上研制與此項(xiàng)目類似的高場(chǎng)發(fā)射與接收系統(tǒng)及相關(guān)線圈。由于研發(fā)進(jìn)度以及技術(shù)保密等原因，各家都不披露完整的技術(shù)資料。競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)大多在于這個(gè)“頭盔”上。同時(shí)，這個(gè)“頭盔”如何與腦成像進(jìn)行連接，也是核心技術(shù)之一。

　　薛蓉說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)室腦成像中心2010年的一個(gè)重點(diǎn)研究目標(biāo)，即是在西門(mén)子7T超高場(chǎng)全身磁共振掃描儀上研制多通道發(fā)射與接收頭線圈，及其與7T成像系統(tǒng)的射頻接口，實(shí)現(xiàn)多通道的并行發(fā)射與數(shù)據(jù)的并行采集，克服超高場(chǎng)成像系統(tǒng)中射頻場(chǎng)發(fā)射的不均勻性，有效提高功能磁共振成像的速度和質(zhì)量，特別是大腦特定區(qū)域，如前顳葉和海馬區(qū)磁共振圖像的信噪比和對(duì)比度，減小磁敏感性偽影，幫助檢測(cè)認(rèn)知科學(xué)實(shí)驗(yàn)中功能磁共振信號(hào)的變化。”

　　對(duì)新進(jìn)口的設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)造性“聯(lián)通”、“銜接”和“整合”，是生物物理所幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室都在進(jìn)行的工作，一旦成功便能獲得很好的研究結(jié)果。特別值得注意的是，這類工作也是上許多實(shí)驗(yàn)室都在進(jìn)行的研究。雖然中國(guó)生命科學(xué)曾一度落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，但在這里，人們可看到中國(guó)有可能迎頭趕上甚至超越的希望。