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國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心：不容小覷的儀器集群
[導(dǎo)讀] “我們這里主要是一些體量相對(duì)較小的生命科學(xué)研究的儀器集群，以至于在立項(xiàng)之初，是否將上海設(shè)施列入大科學(xué)工程都存在爭(zhēng)議。"雷鳴說(shuō)道。可別小瞧這里的“儀器集群"。上海設(shè)施自2014年5月試運(yùn)行以來(lái)，前來(lái)參觀的10多位諾貝爾獎(jiǎng)得主和其他專家對(duì)設(shè)備的先進(jìn)性紛紛“點(diǎn)贊"。
【科技日?qǐng)?bào)】探秘蛋白質(zhì)的“前世今生"
——國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心·上海(籌)印象
圖為蛋白質(zhì)科學(xué)研究(上海)設(shè)施核磁共振分析系統(tǒng)。
生活中的烏云總是不期而至。一位正值花季的美國(guó)女孩，突然被告知患上了一種非常難治的癌癥?；驒z測(cè)結(jié)果顯示，她所患癌癥的亞型發(fā)生率極低。
在患同一大類癌癥的人群中，只有2%的人所患亞型和她一樣。幸運(yùn)的是，針對(duì)這一亞型恰好有一種藥。經(jīng)過不到3個(gè)月的治療，她*了。
國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心·上海(籌)主任雷鳴用這個(gè)真實(shí)的案例，向科技日?qǐng)?bào)記者生動(dòng)闡釋了醫(yī)療的未來(lái)圖景。但并非所有的癌癥患者都和那位女孩一樣幸運(yùn)。在人類通往醫(yī)療的道路上，蛋白質(zhì)科學(xué)研究將扮演什么角色?身為國(guó)家大科學(xué)工程之一的蛋白質(zhì)科學(xué)研究(上海)設(shè)施(以下簡(jiǎn)稱“上海設(shè)施")對(duì)推進(jìn)蛋白質(zhì)科學(xué)研究將起到怎樣的作用?
為回答這些問題，科技日?qǐng)?bào)記者近日走進(jìn)國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心·上海(籌)一探究竟。
不容小覷的“儀器集群"
和以往走進(jìn)的國(guó)家大科學(xué)工程相比，上海設(shè)施沒能在視覺上給人造成強(qiáng)大沖擊。
“我們這里主要是一些體量相對(duì)較小的生命科學(xué)研究的儀器集群，以至于在立項(xiàng)之初，是否將上海設(shè)施列入大科學(xué)工程都存在爭(zhēng)議。"雷鳴說(shuō)道。
可別小瞧這里的“儀器集群"。上海設(shè)施自2014年5月試運(yùn)行以來(lái)，前來(lái)參觀的10多位諾貝爾獎(jiǎng)得主和其他專家對(duì)設(shè)備的先進(jìn)性紛紛“點(diǎn)贊"。
雷鳴回憶道，十多年前，我國(guó)在蛋白質(zhì)科學(xué)研究領(lǐng)域雖然已取得一批達(dá)到*水平的研究成果，但整體上仍落后于先進(jìn)水平?？蒲谢A(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，是制約蛋白質(zhì)科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵因素。
在科學(xué)家們的不懈努力下，蛋白質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目于2008年被批準(zhǔn)立項(xiàng)，成為我國(guó)生命科學(xué)領(lǐng)域*個(gè)大科學(xué)工程項(xiàng)目。蛋白質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施分為上海和北京兩部分，上海設(shè)施以建設(shè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析能力為主。
圍繞從生物體的空間尺度和生命過程的時(shí)間尺度來(lái)研究蛋白質(zhì)，上海設(shè)施構(gòu)建了由規(guī)?；鞍踪|(zhì)制備系統(tǒng)、蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)、核磁分析系統(tǒng)、集成化電鏡分析系統(tǒng)、蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)、質(zhì)譜分析系統(tǒng)、復(fù)合激光顯微成像系統(tǒng)、分子影像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)與計(jì)算分析系統(tǒng)組成的9大技術(shù)系統(tǒng)，具備規(guī)?；鞍踪|(zhì)制備、多尺度結(jié)構(gòu)分析、多層次動(dòng)態(tài)研究、修飾與相互作用分析以及數(shù)據(jù)庫(kù)與計(jì)算分析5大能力。
史蒂夫·哈里森是雷鳴在哈佛大學(xué)讀博士時(shí)的導(dǎo)師。參觀上海設(shè)施后，史蒂夫感覺非常震撼，對(duì)雷鳴很年輕就有機(jī)會(huì)參與如此重大的項(xiàng)目表示贊賞和羨慕。收獲羨慕之余，雷鳴多次被問道：“在如此先進(jìn)的科研平臺(tái)上，你們能做出哪些世界*的工作來(lái)?"
*的蛋白質(zhì)“智能工廠"
每一個(gè)蛋白質(zhì)就像一個(gè)人一樣，有自己的脾氣秉性。要把它研究透徹，需要時(shí)間。
上世紀(jì)六七十年代有句話叫“one protein，one career"，意為一個(gè)教授一輩子只能研究透一個(gè)蛋白質(zhì)?！拔抑饕芯慷肆＃瑥脑u(píng)上教授到現(xiàn)在，也只解析了數(shù)十個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。"雷鳴說(shuō)道。
要摸清蛋白質(zhì)的“脾氣"，首先是要獲取高純度的蛋白質(zhì)樣品。想見到蛋白質(zhì)的“真身"，就必須打破細(xì)胞。而細(xì)胞一旦被打破，里面90%的蛋白質(zhì)就同時(shí)被破壞掉了，蹤跡難覓。
找到目標(biāo)蛋白質(zhì)后，保存也是個(gè)難題。相對(duì)于“皮實(shí)"的基因，蛋白質(zhì)要“嬌氣"得多。記載遺傳信息的基因就像是張可以隨意擺放的卡片，沒有變性的擔(dān)憂。蛋白質(zhì)則不同，一旦溫度、濕度、光線等環(huán)境因素發(fā)生變化，就會(huì)有變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。
在傳統(tǒng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，穿著白大褂的科研人員手持移液槍，往裝有不同液體的瓶瓶罐罐里添加試劑是常見的場(chǎng)景。在上海設(shè)施的規(guī)?；鞍踪|(zhì)制備系統(tǒng)里，這一幕正在被自動(dòng)化的機(jī)器操作所取代。
高通量克隆構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室的中心區(qū)域是一個(gè)用玻璃超凈間封閉起來(lái)的自動(dòng)化機(jī)械操作平臺(tái)。操作臺(tái)外有一臺(tái)集成軟件的計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)“發(fā)號(hào)施令"?？蒲腥藛T啟動(dòng)預(yù)設(shè)程序后，白色的機(jī)械臂在平臺(tái)的各個(gè)自動(dòng)化儀器間來(lái)回挪動(dòng)，輕巧地把一個(gè)個(gè)96孔板放置到的板位上。各個(gè)自動(dòng)化儀器的板位分別可執(zhí)行加液、振蕩、離心、清洗等生物實(shí)驗(yàn)操作。
傳統(tǒng)手工操作，一個(gè)人每天zui多克隆十幾個(gè)基因。眼前的這套自動(dòng)化系統(tǒng)，一天可以克隆960個(gè)基因，生產(chǎn)效率相當(dāng)于一個(gè)數(shù)百人規(guī)模的基因克隆企業(yè)?！拔覀兿Ｍ炎詣?dòng)化概念引入科研中，重復(fù)勞動(dòng)讓機(jī)器來(lái)做，科研人員可以有更多的時(shí)間去探索和思考真正的科學(xué)問題。"規(guī)?；鞍踪|(zhì)制備系統(tǒng)主管鄧瑋告訴記者。
上海設(shè)施自主設(shè)計(jì)和研發(fā)應(yīng)用流程的這套系統(tǒng)，如同“智能工廠"一般，能獨(dú)立完成一整套從分子生物學(xué)到細(xì)胞生物學(xué)的全部實(shí)驗(yàn)操作。
“集成化程度越高的自動(dòng)化設(shè)備，出錯(cuò)的幾率就越高。針對(duì)*陌生的樣品，我們這套系統(tǒng)的可靠性能達(dá)到70%，這已經(jīng)是一個(gè)非常不錯(cuò)的結(jié)果了。"雷鳴表示。
五線六站 透視蛋白質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)并不是由松散的氨基酸隨機(jī)排列組合而成，每一種天然蛋白質(zhì)都有自己特定的空間結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)決定著蛋白質(zhì)的功能。
肌紅蛋白是哺乳動(dòng)物心肌和骨骼肌中貯存和分配氧的胞內(nèi)蛋白質(zhì)。1960年，英國(guó)科學(xué)家肯德魯(John Kendrew)用X射線衍射法測(cè)定了來(lái)自抹香鯨的肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)，使他成為1962年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲得者之一。
大多數(shù)人都有醫(yī)院照X光的體驗(yàn)，X射線衍射法相當(dāng)于是給結(jié)晶后的蛋白質(zhì)拍X光，拍出的是一幅蛋白質(zhì)晶體原子尺度的三維結(jié)構(gòu)圖。
在建筑外觀呈鸚鵡螺形狀的上海光源里，有5條光束線和6個(gè)實(shí)驗(yàn)站(五線六站)用于蛋白質(zhì)科學(xué)研究。五線六站包括4個(gè)X射線實(shí)驗(yàn)站和兩個(gè)紅外光譜實(shí)驗(yàn)站，它們構(gòu)成了上海設(shè)施的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)。
記者來(lái)到五線六站時(shí)，上海光源處在停光檢修期，復(fù)合物晶體線站負(fù)責(zé)人秦文明正在進(jìn)行設(shè)備調(diào)試，為第二天的復(fù)工做好準(zhǔn)備。排成一長(zhǎng)溜的設(shè)備間和操作間由厚重的屏蔽門把守，機(jī)器的轟鳴聲給人置身工廠車間的感覺。
國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心·上海(籌)副主任張榮光，是五線六站的負(fù)責(zé)人。2009年回國(guó)之前，他在美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作近20年。阿貢的APS(先進(jìn)光子源)是世界上的同步輻射中心之一，采用X射線衍射法在半小時(shí)內(nèi)測(cè)定蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)曾是阿貢的驕傲。在五線六站，這一時(shí)間被縮短為幾分鐘。
“我們安裝了先進(jìn)的衍射儀和探測(cè)器，收集全套數(shù)據(jù)zui快只需36秒，接著使用自建的軟件系統(tǒng)，不到5分鐘就能完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析，給出蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。"張榮光表示，五線六站不僅配備了世界*的硬件設(shè)施，在實(shí)驗(yàn)方法和自動(dòng)化上也有了很大程度的改進(jìn)和提升。
過去，科研人員帶著蛋白質(zhì)晶體樣品來(lái)到線站做實(shí)驗(yàn)非常忙碌。因?yàn)椴荒艽_定收到的數(shù)據(jù)是否有用，針對(duì)同一個(gè)晶體樣品，要反復(fù)不停收集多套數(shù)據(jù)，帶回去做進(jìn)一步分析。
“現(xiàn)在很快就能看到結(jié)果，一次可以帶上一批樣品來(lái)線站做實(shí)驗(yàn)，節(jié)省了大量的時(shí)間和人力。我們的目標(biāo)是，用戶帶到線站上來(lái)的是晶體，帶回去的是蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。"張榮光說(shuō)道。
核磁共振拼搭蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)“積木"
不是所有的蛋白質(zhì)在純化后都能順利結(jié)晶。結(jié)晶了的蛋白質(zhì)也可能由于晶體質(zhì)量等原因，難以被X射線“看清"。此外，同步輻射產(chǎn)生的X射線能量很高，小一點(diǎn)的晶體在被它探測(cè)時(shí)有“粉身碎骨"的風(fēng)險(xiǎn)。
在晶體學(xué)力所不及的領(lǐng)域，同樣借助X射線設(shè)立的生物小角線站能彌補(bǔ)一二。事實(shí)上，溶液狀態(tài)下的蛋白質(zhì)表現(xiàn)得更為“動(dòng)態(tài)"和“真實(shí)"。小角線站負(fù)責(zé)人李娜介紹，小角散射技術(shù)能快速捕捉到溶液狀態(tài)下蛋白質(zhì)的瞬時(shí)結(jié)構(gòu)。只需要秒量級(jí)，甚至毫秒量級(jí)的時(shí)間，就能看見兩個(gè)分子是否形成復(fù)合物。
分辨率不高是小角散射的不足之處。張榮光進(jìn)一步解釋說(shuō)，就像從遠(yuǎn)處看兩個(gè)人的位置關(guān)系一樣，能看清他們是靠在一起，但具體是手牽手，還是腳靠腳，就不得而知了。要在溶液狀態(tài)下看清原子尺度的細(xì)節(jié)和運(yùn)動(dòng)，就要靠核磁系統(tǒng)了。
離開五線六站，記者來(lái)到了上海設(shè)施的核磁共振實(shí)驗(yàn)室。藍(lán)色塑膠地板上，分布著5臺(tái)白色圓柱狀的“大家伙"。其中，體型zui大的900兆核磁共振譜儀是目前國(guó)內(nèi)在使用的zui高場(chǎng)強(qiáng)的超導(dǎo)磁體設(shè)備之一。為了方便把樣品放入儀器頂部，還專門搭建了高約四五米的扶梯。
和光束線站、電鏡等設(shè)施的直接成像相比，核磁共振掃描得到的是“間接"信息——蛋白質(zhì)分子里每2個(gè)氫原子之間的相對(duì)距離，據(jù)此勾勒出蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。對(duì)此，核磁系統(tǒng)技術(shù)主管劉志軍打了個(gè)形象的比方：一個(gè)坐著的人，如果能測(cè)算出他的頭、手、腳等部位兩端的距離，就能畫出他的大致輪廓。
“也可以理解為，核磁共振掃描得到的是一盒子拼插積木，接下來(lái)的事情就是把積木一塊塊地搭建起來(lái)，難點(diǎn)就在于不知道這些積木分屬于哪個(gè)部位，是頭還是腳，需要先指認(rèn)，再通過計(jì)算來(lái)還原成三維結(jié)構(gòu)。"劉志軍說(shuō)。
為了“指認(rèn)"方便，劉志軍和他的同事們正在構(gòu)建一個(gè)大的數(shù)據(jù)庫(kù)。理想狀態(tài)是，核磁共振掃描溶液狀態(tài)下的蛋白質(zhì)后得到的實(shí)驗(yàn)信息，可以去數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行對(duì)比，如果有類似的“片段"，就可判斷出這塊“積木"屬于哪個(gè)部位，再進(jìn)一步去還原。“搭積木的效率高低，取決于已知信息的多少，還原蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)也是如此"。
蛋白質(zhì)研究為藥物研發(fā)鋪路
蛋白質(zhì)(protein)的概念zui早由瑞典化學(xué)家永斯·雅各布·貝采利烏斯在1838年提出。“protein"源自希臘文“protos"，意為“*的，首要的"。其時(shí)，人們對(duì)于蛋白質(zhì)在機(jī)體中的核心作用并不了解。
一直到上個(gè)世紀(jì)40年代，在美國(guó)的教科書里，蛋白質(zhì)被認(rèn)為都長(zhǎng)著一副橄欖球的模樣，為細(xì)胞提供黏稠度是它主要甚至*的功能。隨著DNA(脫氧核糖核酸)雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出和*原子尺度的蛋白分子三維結(jié)構(gòu)圖的呈現(xiàn)，分子生物學(xué)時(shí)代的大幕開啟，人們開始逐漸摸清蛋白質(zhì)的“長(zhǎng)相"和“秉性"。
細(xì)胞是生命體的基本單位。在構(gòu)建細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生物催化、物質(zhì)傳輸?shù)确矫妫鞍踪|(zhì)發(fā)揮著重要的作用。生物體新陳代謝幾乎離不開的催化劑——酶，絕大多數(shù)都是蛋白質(zhì)。
然而，和DNA測(cè)序、基因組研究的耳熟能詳相比，蛋白質(zhì)研究似乎略顯低調(diào)。事實(shí)上，蛋白質(zhì)研究可視作基因研究的姊妹篇。雷鳴以肺癌為例說(shuō)道，過去肺癌病人都用一種藥物治療，現(xiàn)在看來(lái)并不科學(xué)。盡管結(jié)果都表現(xiàn)為肺癌，但從分子尺度分析，發(fā)病機(jī)理千差萬(wàn)別。
上游致病的基因多種多樣，不同基因組會(huì)產(chǎn)生數(shù)百種或數(shù)千種蛋白質(zhì)組合，形成不同特質(zhì)的癌細(xì)胞。每一種組合背后的原因也不盡相同，因?yàn)榛虻谋磉_(dá)方式錯(cuò)綜復(fù)雜，同一個(gè)基因在不同條件、時(shí)期可能會(huì)起到*不同的作用。如何找到的治療靶點(diǎn)成為棘手的難題。
“通過測(cè)序能知道多少種基因有病變，分析出主要矛盾是哪個(gè)，但基因檢測(cè)只能用于診斷，給不了治療的藥物，下一步需要借助于蛋白質(zhì)科學(xué)研究，為生物制藥提供對(duì)癥的‘靶點(diǎn)’。在未來(lái)，醫(yī)療有望給每一種不同亞型的癌癥患者提供有針對(duì)性的藥物。"雷鳴表示。
[來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)]
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