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【科技日報】探秘蛋白質(zhì)的“前世今生” ——國家蛋白質(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女孩，突然被告知患上了一種非常難治的癌癥�；驒z測結(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。幸運的是，針對這一亞型恰好有一種特效藥。經(jīng)過不到3個月的治療，她痊愈了。 國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心·上海(籌)主任雷鳴用這個真實的案例，向科技日報記者生動闡釋了精準(zhǔn)醫(yī)療的未來圖景。但并非所有的癌癥患者都和那位女孩一樣幸運。在人類通往精準(zhǔn)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(以下簡稱“上海設(shè)施”)對推進(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，科技日報記者近日走進(jìn)國家蛋白質(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大沖擊。 “我們這里主要是一些體量相對較小的生命科學(xué)研究的儀器集群，以至于在立項之初，是否將上海設(shè)施列入大科學(xué)工程都存在爭議。”雷鳴說道。 可別小瞧這里的“儀器集群”。上海設(shè)施自2014年5月試運行以來，前來參觀的10多位諾貝爾獎得主和其他國際知名專家對設(shè)備的先進(jìn)性紛紛“點贊”。 雷鳴回憶道，十多年前，我國在蛋白質(zhì)科學(xué)研究領(lǐng)域雖然已取得一批達(dá)到國際一流水平的研究成果，但整體上仍落后于國際先進(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)施國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目于2008年被批準(zhǔn)立項，成為我國生命科學(xué)領(lǐng)域第一個大科學(xué)工程項目。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間尺度來研究蛋白質(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)庫與計算分析系統(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、多層次動態(tài)研究、修飾與相互作用分析以及數(shù)據(jù)庫與計算分析5大能力。 史蒂夫·哈里森是雷鳴在哈佛大學(xué)讀博士時的導(dǎo)師。參觀上海設(shè)施后，史蒂夫感覺非常震撼，對雷鳴很年輕就有機會參與如此重大的項目表示贊賞和羨慕。收獲羨慕之余，雷鳴多次被問道：“在如此先進(jìn)的科研平臺上，你們能做出哪些世界一流的工作來?” 獨一無二的蛋白質(zhì)“智能工廠” 每一個蛋白質(zhì)就像一個人一樣，有自己的脾氣秉性。要把它研究透徹，需要時間。 上世紀(jì)六七十年代有句話叫“one protein，one career”，意為一個教授一輩子只能研究透一個蛋白質(zhì)。“我主要研究端粒，從評上教授到現(xiàn)在，也只解析了數(shù)十個蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。”雷鳴說道。 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)就同時被破壞掉了，蹤跡難覓。 找到目標(biāo)蛋白質(zhì)后，保存也是個難題。相對于“皮實”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，就會有變質(zhì)的風(fēng)險。 在傳統(tǒng)的生物學(xué)實驗室里，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，這一幕正在被自動化的機器操作所取代。 高通量克隆構(gòu)建實驗室的中心區(qū)域是一個用玻璃超凈間封閉起來的自動化機械操作平臺。操作臺外有一臺集成軟件的計算機負(fù)責(zé)“發(fā)號施令”。科研人員啟動預(yù)設(shè)程序后，白色的機械臂在平臺的各個自動化儀器間來回挪動，輕巧地把一個個96孔板放置到指定的板位上。各個自動化儀器的板位分別可執(zhí)行加液、振蕩、離心、清洗等生物實驗操作。 傳統(tǒng)手工操作，一個人每天最多克隆十幾個基因。眼前的這套自動化系統(tǒng)，一天可以克隆960個基因，生產(chǎn)效率相當(dāng)于一個數(shù)百人規(guī)模的基因克隆企業(yè)。“我們希望把自動化概念引入科研中，重復(fù)勞動讓機器來做，科研人員可以有更多的時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)的全部實驗操作。 “集成化程度越高的自動化設(shè)備，出錯的幾率就越高。針對完全陌生的樣品，我們這套系統(tǒng)的可靠性能達(dá)到70%，這已經(jīng)是一個非常不錯的結(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，英國科學(xué)家肯德魯(John Kendrew)首次用X射線衍射法測定了來自抹香鯨的肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)，使他成為1962年諾貝爾化學(xué)獎的獲得者之一。 大多數(shù)人都有醫(yī)院照X光的體驗，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個專用實驗站(五線六站)用于蛋白質(zhì)科學(xué)研究。五線六站包括4個X射線實驗站和兩個紅外光譜實驗站，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)和動態(tài)分析系統(tǒng)。 記者來到五線六站時，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。排成一長溜的設(shè)備間和操作間由厚重的屏蔽門把守，機器的轟鳴聲給人置身工廠車間的感覺。 國家蛋白質(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年回國之前，他在美國阿貢國家實驗室工作近20年。阿貢的APS(先進(jìn)光子源)是世界上最先進(jìn)的同步輻射中心之一，采用X射線衍射法在半小時內(nèi)測定蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)曾是阿貢的驕傲。在五線六站，這一時間被縮短為幾分鐘。 “我們安裝了先進(jìn)的衍射儀和探測器，收集全套數(shù)據(jù)最快只需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一流的硬件設(shè)施，在實驗方法和自動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)晶體樣品來到線站做實驗非常忙碌。因為不能確定收到的數(shù)據(jù)是否有用，針對同一個晶體樣品，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線站做實驗，節(jié)省了大量的時間和人力。我們的目標(biāo)是，用戶帶到線站上來的是晶體，帶回去的是蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。”張榮光說道。 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，小一點的晶體在被它探測時有“粉身碎骨”的風(fēng)險。 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一二。事實上，溶液狀態(tài)下的蛋白質(zhì)表現(xiàn)得更為“動態(tài)”和“真實”。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)的瞬時結(jié)構(gòu)。只需要秒量級，甚至毫秒量級的時間，就能看見兩個分子是否形成復(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，就像從遠(yuǎn)處看兩個人的位置關(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)和運動，就要靠核磁系統(tǒng)了。 離開五線六站，記者來到了上海設(shè)施的核磁共振實驗室。藍(lán)色塑膠地板上，分布著5臺白色圓柱狀的“大家伙”。其中，體型最大的900兆核磁共振譜儀是目前國內(nèi)在使用的最高場強的超導(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個氫原子之間的相對距離，據(jù)此勾勒出蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。對此，核磁系統(tǒng)技術(shù)主管劉志軍打了個形象的比方：一個坐著的人，如果能測算出他的頭、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，接下來的事情就是把積木一塊塊地搭建起來，難點就在于不知道這些積木分屬于哪個部位，是頭還是腳，需要先指認(rèn)，再通過計算來還原成三維結(jié)構(gòu)。”劉志軍說。 為了“指認(rèn)”方便，劉志軍和他的同事們正在構(gòu)建一個大的數(shù)據(jù)庫。理想狀態(tài)是，核磁共振掃描溶液狀態(tài)下的蛋白質(zhì)后得到的實驗信息，可以去數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行對比，如果有類似的“片段”，就可判斷出這塊“積木”屬于哪個部位，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)的概念最早由瑞典化學(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“第一的，首要的”。其時，人們對于蛋白質(zhì)在機體中的核心作用并不了解。 一直到上個世紀(jì)40年代，在美國的教科書里，蛋白質(zhì)被認(rèn)為都長著一副橄欖球的模樣，為細(xì)胞提供黏稠度是它主要甚至唯一的功能。隨著DNA(脫氧核糖核酸)雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出和首個原子尺度的蛋白分子三維結(jié)構(gòu)圖的精準(zhǔn)呈現(xiàn)，分子生物學(xué)時代的大幕開啟，人們開始逐漸摸清蛋白質(zhì)的“長相”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�，蛋白質(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。雷鳴以肺癌為例說道，過去肺癌病人都用一種藥物治療，現(xiàn)在看來并不科學(xué)。盡管結(jié)果都表現(xiàn)為肺癌，但從分子尺度分析，發(fā)病機理千差萬別。 上游致病的基因多種多樣，不同基因組會產(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，因為基因的表達(dá)方式錯綜復(fù)雜，同一個基因在不同條件、時期可能會起到完全不同的作用。如何找到精準(zhǔn)的治療靶點成為棘手的難題。 “通過測序能知道多少種基因有病變，分析出主要矛盾是哪個，但基因檢測只能用于診斷，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，為生物制藥提供對癥的‘靶點’。在未來，精準(zhǔn)醫(yī)療有望給每一種不同亞型的癌癥患者提供有針對性的藥物。”雷鳴表示。 |
