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探秘蛋白质的“前世今生”——国家蛋白质科学中心·上海(筹)印象

日期:2015年06月17日
 

      (科技日报 唐婷)

  生活中的乌云总是不期而至。一位正值花季的美国女孩,突然被告知患上了一种非常难治的癌症。基因检测结果显示,她所患癌症的亚型发生率极低。

  在患同一大类癌症的人群中,只有2%的人所患亚型和她一样。幸运的是,针对这一亚型恰好有一种特效药。经过不到3个月的治疗,她痊愈了。

  国家蛋白质科学中心·上海(筹)主任雷鸣用这个真实的案例,向科技日报记者生动阐释了精准医疗的未来图景。但并非所有的癌症患者都和那位女孩一样幸运。在人类通往精准医疗的道路上,蛋白质科学研究将扮演什么角色?身为国家大科学工程之一的蛋白质科学研究(上海)设施(以下简称“上海设施”)对推进蛋白质科学研究将起到怎样的作用?

  为回答这些问题,科技日报记者近日走进国家蛋白质科学中心·上海(筹)一探究竟。

  不容小觑的“仪器集群”

  和以往走进的国家大科学工程相比,上海设施没能在视觉上给人造成强大冲击。

  “我们这里主要是一些体量相对较小的生命科学研究的仪器集群,以至于在立项之初,是否将上海设施列入大科学工程都存在争议。”雷鸣说道。

  可别小瞧这里的“仪器集群”。上海设施自2014年5月试运行以来,前来参观的10多位诺贝尔奖得主和其他国际知名专家对设备的先进性纷纷“点赞”。

  雷鸣回忆道,十多年前,我国在蛋白质科学研究领域虽然已取得一批达到国际一流水平的研究成果,但整体上仍落后于国际先进水平。科研基础设施建设滞后,是制约蛋白质科学发展的关键因素。

  在科学家们的不懈努力下,蛋白质科学研究设施国家重大科技基础设施项目于2008年被批准立项,成为我国生命科学领域第一个大科学工程项目。蛋白质科学研究设施分为上海和北京两部分,上海设施以建设蛋白质结构解析能力为主。

  围绕从生物体的空间尺度和生命过程的时间尺度来研究蛋白质,上海设施构建了由规模化蛋白质制备系统、蛋白质晶体结构分析系统、核磁分析系统、集成化电镜分析系统、蛋白质动态分析系统、质谱分析系统、复合激光显微成像系统、分子影像系统和数据库与计算分析系统组成的9大技术系统,具备规模化蛋白质制备、多尺度结构分析、多层次动态研究、修饰与相互作用分析以及数据库与计算分析5大能力。

  史蒂夫·哈里森是雷鸣在哈佛大学读博士时的导师。参观上海设施后,史蒂夫感觉非常震撼,对雷鸣很年轻就有机会参与如此重大的项目表示赞赏和羡慕。收获羡慕之余,雷鸣多次被问道:“在如此先进的科研平台上,你们能做出哪些世界一流的工作来?”

  独一无二的蛋白质“智能工厂”

  每一个蛋白质就像一个人一样,有自己的脾气秉性。要把它研究透彻,需要时间。

  上世纪六七十年代有句话叫“one protein,one career”,意为一个教授一辈子只能研究透一个蛋白质。“我主要研究端粒,从评上教授到现在,也只解析了数十个蛋白质的结构。”雷鸣说道。

  要摸清蛋白质的“脾气”,首先是要获取高纯度的蛋白质样品。想见到蛋白质的“真身”,就必须打破细胞。而细胞一旦被打破,里面90%的蛋白质就同时被破坏掉了,踪迹难觅。

  找到目标蛋白质后,保存也是个难题。相对于“皮实”的基因,蛋白质要“娇气”得多。记载遗传信息的基因就像是张可以随意摆放的卡片,没有变性的担忧。蛋白质则不同,一旦温度、湿度、光线等环境因素发生变化,就会有变质的风险。

  在传统的生物学实验室里,穿着白大褂的科研人员手持移液枪,往装有不同液体的瓶瓶罐罐里添加试剂是常见的场景。在上海设施的规模化蛋白质制备系统里,这一幕正在被自动化的机器操作所取代。

  高通量克隆构建实验室的中心区域是一个用玻璃超净间封闭起来的自动化机械操作平台。操作台外有一台集成软件的计算机负责“发号施令”。科研人员启动预设程序后,白色的机械臂在平台的各个自动化仪器间来回挪动,轻巧地把一个个96孔板放置到指定的板位上。各个自动化仪器的板位分别可执行加液、振荡、离心、清洗等生物实验操作。

  传统手工操作,一个人每天最多克隆十几个基因。眼前的这套自动化系统,一天可以克隆960个基因,生产效率相当于一个数百人规模的基因克隆企业。“我们希望把自动化概念引入科研中,重复劳动让机器来做,科研人员可以有更多的时间去探索和思考真正的科学问题。”规模化蛋白质制备系统主管邓玮告诉记者。

  上海设施自主设计和研发应用流程的这套系统,如同“智能工厂”一般,能独立完成一整套从分子生物学到细胞生物学的全部实验操作。

  “集成化程度越高的自动化设备,出错的几率就越高。针对完全陌生的样品,我们这套系统的可靠性能达到70%,这已经是一个非常不错的结果了。”雷鸣表示。

  五线六站 透视蛋白质内部结构

  蛋白质并不是由松散的氨基酸随机排列组合而成,每一种天然蛋白质都有自己特定的空间结构。结构决定着蛋白质的功能。

  肌红蛋白是哺乳动物心肌和骨骼肌中贮存和分配氧的胞内蛋白质。1960年,英国科学家肯德鲁(John Kendrew)首次用X射线衍射法测定了来自抹香鲸的肌红蛋白的三级结构。这一发现,使他成为1962年诺贝尔化学奖的获得者之一。

  大多数人都有医院照X光的体验,X射线衍射法相当于是给结晶后的蛋白质拍X光,拍出的是一幅蛋白质晶体原子尺度的三维结构图。

  在建筑外观呈鹦鹉螺形状的上海光源里,有5条光束线和6个专用实验站(五线六站)用于蛋白质科学研究。五线六站包括4个X射线实验站和两个红外光谱实验站,它们构成了上海设施的蛋白质晶体结构分析系统和动态分析系统。

  记者来到五线六站时,上海光源处在停光检修期,复合物晶体线站负责人秦文明正在进行设备调试,为第二天的复工做好准备。排成一长溜的设备间和操作间由厚重的屏蔽门把守,机器的轰鸣声给人置身工厂车间的感觉。

  国家蛋白质科学中心·上海(筹)副主任张荣光,是五线六站的负责人。2009年回国之前,他在美国阿贡国家实验室工作近20年。阿贡的APS(先进光子源)是世界上最先进的同步辐射中心之一,采用X射线衍射法在半小时内测定蛋白质晶体结构曾是阿贡的骄傲。在五线六站,这一时间被缩短为几分钟。

  “我们安装了先进的衍射仪和探测器,收集全套数据最快只需36秒,接着使用自建的软件系统,不到5分钟就能完成对数据的处理和分析,给出蛋白质的三维结构。”张荣光表示,五线六站不仅配备了世界一流的硬件设施,在实验方法和自动化上也有了很大程度的改进和提升。

  过去,科研人员带着蛋白质晶体样品来到线站做实验非常忙碌。因为不能确定收到的数据是否有用,针对同一个晶体样品,要反复不停收集多套数据,带回去做进一步分析。

  “现在很快就能看到结果,一次可以带上一批样品来线站做实验,节省了大量的时间和人力。我们的目标是,用户带到线站上来的是晶体,带回去的是蛋白质的结构。”张荣光说道。

  核磁共振拼搭蛋白质结构“积木”

  不是所有的蛋白质在纯化后都能顺利结晶。结晶了的蛋白质也可能由于晶体质量等原因,难以被X射线“看清”。此外,同步辐射产生的X射线能量很高,小一点的晶体在被它探测时有“粉身碎骨”的风险。

  在晶体学力所不及的领域,同样借助X射线设立的生物小角线站能弥补一二。事实上,溶液状态下的蛋白质表现得更为“动态”和“真实”。小角线站负责人李娜介绍,小角散射技术能快速捕捉到溶液状态下蛋白质的瞬时结构。只需要秒量级,甚至毫秒量级的时间,就能看见两个分子是否形成复合物。

  分辨率不高是小角散射的不足之处。张荣光进一步解释说,就像从远处看两个人的位置关系一样,能看清他们是靠在一起,但具体是手牵手,还是脚靠脚,就不得而知了。要在溶液状态下看清原子尺度的细节和运动,就要靠核磁系统了。

  离开五线六站,记者来到了上海设施的核磁共振实验室。蓝色塑胶地板上,分布着5台白色圆柱状的“大家伙”。其中,体型最大的900兆核磁共振谱仪是目前国内在使用的最高场强的超导磁体设备之一。为了方便把样品放入仪器顶部,还专门搭建了高约四五米的扶梯。

  和光束线站、电镜等设施的直接成像相比,核磁共振扫描得到的是“间接”信息——蛋白质分子里每2个氢原子之间的相对距离,据此勾勒出蛋白质的三维结构。对此,核磁系统技术主管刘志军打了个形象的比方:一个坐着的人,如果能测算出他的头、手、脚等部位两端的距离,就能画出他的大致轮廓。

  “也可以理解为,核磁共振扫描得到的是一盒子拼插积木,接下来的事情就是把积木一块块地搭建起来,难点就在于不知道这些积木分属于哪个部位,是头还是脚,需要先指认,再通过计算来还原成三维结构。”刘志军说。

  为了“指认”方便,刘志军和他的同事们正在构建一个大的数据库。理想状态是,核磁共振扫描溶液状态下的蛋白质后得到的实验信息,可以去数据库中进行对比,如果有类似的“片段”,就可判断出这块“积木”属于哪个部位,再进一步去还原。“搭积木的效率高低,取决于已知信息的多少,还原蛋白质三维结构也是如此”。

  蛋白质研究为药物研发铺路

  蛋白质(protein)的概念最早由瑞典化学家永斯·雅各布·贝采利乌斯在1838年提出。“protein”源自希腊文“protos”,意为“第一的,首要的”。其时,人们对于蛋白质在机体中的核心作用并不了解。

  一直到上个世纪40年代,在美国的教科书里,蛋白质被认为都长着一副橄榄球的模样,为细胞提供黏稠度是它主要甚至唯一的功能。随着DNA(脱氧核糖核酸)双螺旋结构的提出和首个原子尺度的蛋白分子三维结构图的精准呈现,分子生物学时代的大幕开启,人们开始逐渐摸清蛋白质的“长相”和“秉性”。

  细胞是生命体的基本单位。在构建细胞结构、生物催化、物质传输等方面,蛋白质发挥着重要的作用。生物体新陈代谢几乎离不开的催化剂——酶,绝大多数都是蛋白质。

  然而,和DNA测序、基因组研究的耳熟能详相比,蛋白质研究似乎略显低调。事实上,蛋白质研究可视作基因研究的姊妹篇。雷鸣以肺癌为例说道,过去肺癌病人都用一种药物治疗,现在看来并不科学。尽管结果都表现为肺癌,但从分子尺度分析,发病机理千差万别。

  上游致病的基因多种多样,不同基因组会产生数百种或数千种蛋白质组合,形成不同特质的癌细胞。每一种组合背后的原因也不尽相同,因为基因的表达方式错综复杂,同一个基因在不同条件、时期可能会起到完全不同的作用。如何找到精准的治疗靶点成为棘手的难题。

  “通过测序能知道多少种基因有病变,分析出主要矛盾是哪个,但基因检测只能用于诊断,给不了治疗的药物,下一步需要借助于蛋白质科学研究,为生物制药提供对症的‘靶点’。在未来,精准医疗有望给每一种不同亚型的癌症患者提供有针对性的药物。”雷鸣表示。

  (原载于《科技日报》 2015-06-11 01版)

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