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(xué)家在談?wù)摗吧K”、“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)？帶著這個問題，記者*近走進(jìn)了中科院生物物理所幾個實驗室。

“聯(lián)通”產(chǎn)效率

2009年*后一個月的*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*新“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(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。

“國際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?xùn)|西。”

說話間，楊福全從柜子里拿出一個已經(jīng)組裝好的“作品”?！斑@是毛細(xì)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(xué)習(xí)、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(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)研究競爭也異常激烈。有了基本硬件設(shè)備而又能讓設(shè)備高效地工作，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(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(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、高效液相色譜（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(biāo)記技術(shù)、穩(wěn)定同位素標(biāo)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(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(dāng)選的中科院院士、北京大學(xué)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(xué)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TheEmboJournal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技術(shù)支持。我們實驗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(xué)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)；高效、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(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)開發(fā)。因為隨著蛋白質(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，**系統(tǒng)分析細(xì)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(xué)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(xué)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(jìn)中國生命科學(xué)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，全世界已解析了7萬多個蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)。這些高效率的自動化方法，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(xué)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_(dá)篩選，使用該模塊可自動篩選出可溶性表達(dá)的蛋白質(zhì)。

“如果使用傳統(tǒng)方法，只能一個個地進(jìn)行手工試驗，不但費時費力還容易出錯?，F(xiàn)在可以一次篩選96個目標(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，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?！彼f。