簡要內容：基因技術的突破使生命科學發展進入了知識爆炸時代，許多新概念和新技術讓人眼花繚亂。目前，劉志杰在中科院生物物理研究所的蛋白質科學研究平臺構建了一套高通量的從基因克隆到蛋白質結構解析的流水線。
 

　　從儀器研制與改造看生命科學行進軌跡

　　基因技術的突破使生命科學發展進入了知識爆炸時代，許多新概念和新技術讓人眼花繚亂。幾年前人們聽到的是“基因組”、“蛋白質組”、“生物工程”等名詞，現在科學家在談論“生命模塊”、“人工電路基因”、“納米粒子智能導彈”……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。

　　“聯通”產效率

　　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。這是他自己設計、委托企業加工完成的一件“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的富集和亞細胞器的分離，進而用于膜蛋白質組學研究。”巧遇《科學時報》請他談生物技術目前的發展態勢，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組裝好的“作品”。“這是毛細管液相色譜—電噴霧質譜接口平臺，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，在國內設計加工的，使儀器能夠適合于各種復雜程度的蛋白質樣品分析。這個準備安裝在新進的一套二維液相色譜—高分辨質譜系統上。”

　　據楊福全介紹，蛋白質組學是目前生命科學研究的熱點之一。蛋白質組學技術發展很快，蛋白質組學研究競爭也異常激烈。有了基本硬件設備而又能讓設備地工作，才能做出高水平工作。其中，現代色譜分離技術和生物質譜技術構成了蛋白質組學技術的主體。色譜—質譜系統連接的好壞直接影響整個系統的靈敏度和效率。這個接口平臺就是針對商用儀器的不足而設計加工的，它與自制的毛細管液相色譜柱聯合使用，不僅降低了整體設備的運行成本，更重要的是大大提高儀器系統的通量、靈敏度和效率。

　　2004年從美國國家衛生研究院（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譜技術專家，主要從事蛋白質組學新技術新方法的研究與應用。對現有儀器進行改造、研制生命科學研究領域中的新儀器設備是他目前重要的任務之一。

　　楊福全介紹，生物質譜技術和雙向電泳、液相色譜（HPLC）、毛細管電泳等現代分離技術的結合，實現了多肽、蛋白質和核酸等生物大分子的高通量分析和鑒定；這些技術通過與熒光標記技術、穩定同位素標記等技術的結合，又實現了生物大分子高通量的定量分析，從而推動了蛋白質組學技術的發展，促進蛋白質組學技術在生命科學中的應用。

　　“實驗室的儀器裝備改造后，技術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譜分析結果。所以，在此我想向你和你實驗室的相關人員表示真摯的感謝。我幾次在不同的場合說過：國內好多單位都有質譜儀，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，蛋白質組學技術目前的發展趨勢主要包括3個方面：高分辨、高質量精度和快速的質譜儀器的開發；、高選擇性的樣品富集技術的開發；由生物質譜技術、現代分離技術和穩定同位素標記技術等技術集成的高通量的定量蛋白質組學技術開發。因為隨著蛋白質組學技術在生命科學和蛋白質科學研究中的不斷深入應用，全面系統分析細胞、組織或生物體中蛋白質量的動態變化規律或量的分析，已成為蛋白質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展對新設備的需求。這位曾參與美國東南結構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備。

　　他說，10年前，研究人員解析一個蛋白質三維結構大約需要1～2年時間，隨著新技術、新方法的發展，截至2009年12月底，*已解析了7萬多個蛋白質分子的三維結構。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、蛋白質自動化結晶、自動化衍射數據收集和結構解析等。如果研究人員繼續采用原有的老方式，美國于2000年啟動的“結構基因組計劃”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科學研究平臺構建了一套高通量的從基因克隆到蛋白質結構解析的流水線。這*水線由幾個模塊組成，每個模塊都力爭實現自動化。如*個模塊即是自動化克隆和小規模可溶性表達篩選，使用該模塊可自動篩選出可溶性表達的蛋白質。

　　“如果使用傳統方法，只能一個個地進行手工試驗，不但費時費力還容易出錯。現在可以一次篩選96個目標基因，很快了解哪些蛋白質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，現代分子生物學等相關學科的發展為蛋白質晶體學提供了許多*的技術和方法，*地提高了蛋白質晶體學的研究效率。由于蛋白質晶體學的研究對象在很大程度上是一個自然的選擇過程，構象穩定和容易結晶的蛋白質成為研究人員進行結構分析的目標。這就意味著下的蛋白質分子的結構解析難度將越來越大。同時，隨著人類對生命現象認識的深入，對健康、環境和能源方面的關注，蛋白質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業密切相關的重要目標蛋白上。其中，很多目標蛋白來自真核生物的蛋白質復合體和膜蛋白，而真核生物的可溶蛋白質和膜蛋白的獲得，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結晶的理論和實驗方法，但由于蛋白質結晶過程的多參數、隨機性過大，未知因素過多，目前蛋白質結晶在理論上沒有取得任何突破性進展。人們所期待的根據蛋白質一級序列預測其結晶條件的情景還只是夢想。研究人員不得不繼續采取“盲人摸象”的大規模篩選方法尋找蛋白質分子的結晶條件。因此，高純度、高均一性和高穩定性的蛋白質樣品的獲得，以及蛋白質分子的結晶，成為目前限制蛋白質晶體學發展的主要瓶頸。

　　為篩選*的結晶條件，研制出自動化、高速度、高度制備出納米級蛋白質和結晶溶液混合液滴的機器人，成為迫切需要解決的技術問題。因為結晶機器人用很少量的蛋白質樣品就能篩選大量的結晶條件。目前，發達國家已開發出多款結晶機器人，能夠一次篩選幾百到上千個蛋白質的結晶條件；另一種結晶觀測機器人甚至能根據時間拍攝結晶過程的照片，并自動放在網上，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，他新構建的從基因到結構的流水線，各種零件都是現有的，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備比，生物物理所這套設備的自動化程度更高。如，小規模細胞培養，美國合作者依然使用手工，而他的這套設備已實現了自動化。

　　全新的自動化裝備給劉志杰研究小組帶來了預期的喜悅。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*合成酶的結構基礎》于2009年9月被《癌癥研究》以封面文章的形式給予報道，受到同行高度關注。

　　在此流水線基礎上，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。即在保持設備原有功能基礎上，找出使膜蛋白可溶的條件。這種設備的改進，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備。

　　據悉，中科院將建基于同步輻射線站的高通量衍射數據收集和解析模塊。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施。劉志杰說：“我們將是他zui大的用戶。”

　　各領域不期而遇

　　中科院生物物理所楊福全和劉志杰課題組開展的設備研制，使人們不難看出，生命科學研究技術目前正從發展單項技術轉向系統集成研究，而且這種趨勢不僅體現在結構生物學領域，在腦認知研究中也有相似表現。

　　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，并探測到腦部神經系統的一些活動情況。

　　薛蓉曾在美國紐約大學醫學院放射系生物醫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備與技術，以改進人體超高場磁共振成像系統的性能，提高成像速度和質量。

　　薛蓉解釋說：“核磁共振中，質子共振頻率接近300MHz，在人體內其波長僅約11厘米，RF射頻場將與人體產生‘介電共振效應’，導致凈磁化矢量在發射和接收上產生嚴重的不均勻性。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射/接收射頻線圈，結合并行成像技術，以期獲得超高場成像系統中高分辨率的灰度均勻的人腦結構和功能圖像。”

　　薛蓉介紹，隨著交叉學科的不斷發展，磁共振技術在諸多領域中都得到了重要應用，無論是生物學、臨床醫學、分子影像學，還是腦與認知科學等國家重要學科領域的研究，對磁共振技術的發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已裝機30余臺。國外磁共振領域的生產廠家Siemens、GE和Philips等公司，以及美國哈佛醫學院、紐約大學醫學院，德國Freiburg大學等已裝備了7T磁共振超高場成像系統。在亞洲區域，韓國也早于我國購買了相關設備。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*臺7T超高場磁共振系統。這是基于這一團隊已具備了自主開展磁共振成像系統軟硬件研發能力而著手的工作。該系統目前正在緊張裝機。

　　上的主要研究機構正積極在7T及以上超高場系統上研制與此項目類似的高場發射與接收系統及相關線圈。由于研發進度以及技術保密等原因，各家都不披露完整的技術資料。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射與接收頭線圈，及其與7T成像系統的射頻接口，實現多通道的并行發射與數據的并行采集，克服超高場成像系統中射頻場發射的不均勻性，有效提高功能磁共振成像的速度和質量，特別是大腦特定區域，如前顳葉和海馬區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。”

　　對新進口的設備進行創造性“聯通”、“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。