簡要內(nèi)容：基因技術(shù)的突破使生命科學發(fā)展進入了知識爆炸時代，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)科學研究平臺構(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行進軌跡

　　基因技術(shù)的突破使生命科學發(fā)展進入了知識爆炸時代，許多新概念和新技術(shù)讓人眼花繚亂。幾年前人們聽到的是“基因組”、“蛋白質(zhì)組”、“生物工程”等名詞，現(xiàn)在科學家在談?wù)?ldquo;生命模塊”、“人工電路基因”、“納米粒子智能導(dǎo)彈”……生命科學究竟沿著怎樣的路線在前進？帶著這個問題，記者zui近走進了中科院生物物理所幾個實驗室。

　　“聯(lián)通”產(chǎn)效率

　　2009年zui后一個月的zui后幾天里，一個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、委托企業(yè)加工完成的一件“作品”，工廠送來剛拆封，等著他驗收。

　　“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。我準備把它用于膜蛋白質(zhì)的富集和亞細胞器的分離，進而用于膜蛋白質(zhì)組學研究。”巧遇《科學時報》請他談生物技術(shù)目前的發(fā)展態(tài)勢，他順便告訴記者。

　　“上目前有這樣的儀器嗎？”記者問。

　　“還沒有，不過這個現(xiàn)在還需要保密。我還是給你看看另外一樣東西。”

　　說話間，楊福全從柜子里拿出一個已經(jīng)組裝好的“作品”。“這是毛細管液相色譜—電噴霧質(zhì)譜接口平臺，是我們在中科院儀器研制和改造項目支持下，通過學習、消化和吸收，在國內(nèi)設(shè)計加工的，使儀器能夠適合于各種復(fù)雜程度的蛋白質(zhì)樣品分析。這個準備安裝在新進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)組學是目前生命科學研究的熱點之一。蛋白質(zhì)組學技術(shù)發(fā)展很快，蛋白質(zhì)組學研究競爭也異常激烈。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系統(tǒng)的靈敏度和效率。這個接口平臺就是針對商用儀器的不足而設(shè)計加工的，它與自制的毛細管液相色譜柱聯(lián)合使用，不僅降低了整體設(shè)備的運行成本，更重要的是大大提高儀器系統(tǒng)的通量、靈敏度和效率。

　　2004年從美國國家衛(wèi)生研究院（NIH）國立心、肺和血液研究所回國的楊福全博士，目前擔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)組學新技術(shù)新方法的研究與應(yīng)用。對現(xiàn)有儀器進行改造、研制生命科學研究領(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）、毛細管電泳等現(xiàn)代分離技術(shù)的結(jié)合，實現(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)通過與熒光標記技術(shù)、穩(wěn)定同位素標記等技術(shù)的結(jié)合，又實現(xiàn)了生物大分子高通量的定量分析，從而推動了蛋白質(zhì)組學技術(shù)的發(fā)展，促進蛋白質(zhì)組學技術(shù)在生命科學中的應(yīng)用。

　　“實驗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。

　　楊福全并未直接回答記者的問題，而是打開不久前新當選的中科院院士、北京大學教授尚永豐給他寫的一封電子郵件，上面寫道：“過去兩年我實驗室的學生和工作人員在你實驗室做了很多的質(zhì)譜分析。這些分析對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，都用了你實驗室的質(zhì)譜分析結(jié)果。所以，在此我想向你和你實驗室的相關(guān)人員表示真摯的感謝。我?guī)状卧诓煌膱龊险f過：國內(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，為我和其他實驗室的研究工作提供了很好的。我們實驗室主要從事基因表達調(diào)控的表觀遺傳機制研究，今后肯定還需要你的支持和幫助。希望我們找個時間聊聊，探討一下合作研究的可能性。”

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

　　“銜接”出速度

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

　　他說，10年前，研究人員解析一個蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)大約需要1～2年時間，隨著新技術(shù)、新方法的發(fā)展，截至2009年12月底，*已解析了7萬多個蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)。這些率的自動化方法，主要包括高通量克隆、高速度表達純化、蛋白質(zhì)自動化結(jié)晶、自動化衍射數(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，美國于2000年啟動的“結(jié)構(gòu)基因組計劃”根本不可能按時完成，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)科學研究平臺構(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*水線由幾個模塊組成，每個模塊都力爭實現(xiàn)自動化。如*個模塊即是自動化克隆和小規(guī)?？扇苄员磉_篩選，使用該模塊可自動篩選出可溶性表達的蛋白質(zhì)。

　　“如果使用傳統(tǒng)方法，只能一個個地進行手工試驗，不但費時費力還容易出錯。現(xiàn)在可以一次篩選96個目標基因，很快了解哪些蛋白質(zhì)在哪種條件下是可溶的。也就是說，過去需要幾個月或幾年完成的工作，如今一個人幾天就能完成。”他說。

他介紹，現(xiàn)代分子生物學等相關(guān)學科的發(fā)展為蛋白質(zhì)晶體學提供了許多*的技術(shù)和方法，*地提高了蛋白質(zhì)晶體學的研究效率。由于蛋白質(zhì)晶體學的研究對象在很大程度上是一個自然的選擇過程，構(gòu)象穩(wěn)定和容易結(jié)晶的蛋白質(zhì)成為研究人員進行結(jié)構(gòu)分析的目標。這就意味著下的蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)解析難度將越來越大。同時，隨著人類對生命現(xiàn)象認識的深入，對健康、環(huán)境和能源方面的關(guān)注，蛋白質(zhì)晶體學的研究對象越來越多地定位于與人類疾病以及工農(nóng)業(yè)密切相關(guān)的重要目標蛋白上。其中，很多目標蛋白來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，是目前各國晶體學家面臨的共同難題。

　　此外，生物大分子的結(jié)晶也是晶體學家們亟待解決的問題。雖然人們投入了大量精力研究蛋白質(zhì)結(jié)晶的理論和實驗方法，但由于蛋白質(zhì)結(jié)晶過程的多參數(shù)、隨機性過大，未知因素過多，目前蛋白質(zhì)結(jié)晶在理論上沒有取得任何突破性進展。人們所期待的根據(jù)蛋白質(zhì)一級序列預(yù)測其結(jié)晶條件的情景還只是夢想。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)晶體學發(fā)展的主要瓶頸。

　　為篩選*的結(jié)晶條件，研制出自動化、高速度、高度制備出納米級蛋白質(zhì)和結(jié)晶溶液混合液滴的機器人，成為迫切需要解決的技術(shù)問題。因為結(jié)晶機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)達國家已開發(fā)出多款結(jié)晶機器人，能夠一次篩選幾百到上千個蛋白質(zhì)的結(jié)晶條件；另一種結(jié)晶觀測機器人甚至能根據(jù)時間拍攝結(jié)晶過程的照片，并自動放在網(wǎng)上，研究人員不論在家還是在其他地方都可以了解到實驗的情況。如果沒有這樣的自動化設(shè)備，學生們就不得不呆在冷室里一個一個地觀測了。

　　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，大部分是他按照實驗的需求自己設(shè)計而成的，其中一部分是他與美國的合作者共同探討研究而成的。如果與美國同行的設(shè)備比，生物物理所這套設(shè)備的自動化程度更高。如，小規(guī)模細胞培養(yǎng)，美國合作者依然使用手工，而他的這套設(shè)備已實現(xiàn)了自動化。

　　全新的自動化裝備給劉志杰研究小組帶來了預(yù)期的喜悅。他的課題組使用這條流水線所開展的癌癥研究取得突破性進展。其論文《通過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年實施新的改進，對膜蛋白處理進行自動化改造。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，只要進入研究階段，成果在上必定。因為，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的研究員張榮光，將在上海光源上建造新設(shè)施。劉志杰說：“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展的設(shè)備研制，使人們不難看出，生命科學研究技術(shù)目前正從發(fā)展單項技術(shù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成研究，而且這種趨勢不僅體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)生物學領(lǐng)域，在腦認知研究中也有相似表現(xiàn)。

　　在生物物理所腦認知國家重點實驗室，薛蓉研究員先讓記者參觀了實驗室制造的“頭盔”。這個特殊的“頭盔”內(nèi)插滿了線路，接受實驗的人戴在頭上，推進腦成像裝置便可給大腦拍照，并探測到腦部神經(jīng)系統(tǒng)的一些活動情況。

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

　　薛蓉解釋說：“核磁共振中，質(zhì)子共振頻率接近300MHz，在人體內(nèi)其波長僅約11厘米，RF射頻場將與人體產(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)生嚴重的不均勻性。除此之外，共振頻率的提高還會引起人體組織對電磁能量的吸收率（SAR）的增加，帶來類似微波爐加熱式的安全隱患。解決這些高頻信號問題的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，無論是生物學、臨床醫(yī)學、分子影像學，還是腦與認知科學等國家重要學科領(lǐng)域的研究，對磁共振技術(shù)的發(fā)展都有著越來越高的要求。上在這方面的投入相當可觀，目前，上7*（T）人體磁共振成像系統(tǒng)已裝機30余臺。國外磁共振領(lǐng)域的生產(chǎn)廠家Siemens、GE和Philips等公司，以及美國哈佛醫(yī)學院、紐約大學醫(yī)學院，德國Freiburg大學等已裝備了7T磁共振超高場成像系統(tǒng)。在亞洲區(qū)域，韓國也早于我國購買了相關(guān)設(shè)備。為了不滯后于前沿的科學研究，生物物理所腦成像中心2009年底引進了國內(nèi)*臺7T超高場磁共振系統(tǒng)。這是基于這一團隊已具備了自主開展磁共振成像系統(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。

　　上的主要研究機構(gòu)正積極在7T及以上超高場系統(tǒng)上研制與此項目類似的高場發(fā)射與接收系統(tǒng)及相關(guān)線圈。由于研發(fā)進度以及技術(shù)保密等原因，各家都不披露完整的技術(shù)資料。競爭點大多在于這個“頭盔”上。同時，這個“頭盔”如何與腦成像進行連接，也是核心技術(shù)之一。

　　薛蓉說：“實驗室腦成像中心2010年的一個重點研究目標，即是在西門子7T超高場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，克服超高場成像系統(tǒng)中射頻場發(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比度，減小磁敏感性偽影，幫助檢測認知科學實驗中功能磁共振信號的變化。”

　　對新進口的設(shè)備進行創(chuàng)造性“聯(lián)通”、“銜接”和“整合”，是生物物理所幾個實驗室都在進行的工作，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驗室都在進行的研究。雖然中國生命科學曾一度落后于發(fā)達國家，但在這里，人們可看到中國有可能迎頭趕上甚至超越的希望。