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中国科学家蛋白质组学生物质谱研究受关注
【字体: 大 中 小 】 时间:2007年10月24日 来源:生物通
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美国化学会刊物《蛋白质组学研究》(Journal of Proteome Research)10月(2007,6,3872)的Currents栏目发表了题为Monolithic SCX column for shotgun proteomics的新闻报道。该报道介绍了中科院大连化物所王方军、董靖、叶明亮和邹汉法研究员等人关于强阳离子交换整体柱在蛋白质组学中的应用方面的研究进展。作为蛋白质组学研究领域的权威刊物,JPR每期从各种重要的国际性学术刊物中挑选5篇左右的关于蛋白质组学方面的研究论文作为重要新闻在Currents栏目中进行报道。
生物通综合:美国化学会刊物《蛋白质组学研究》(Journal of Proteome Research)10月(2007,6,3872)的Currents栏目发表了题为Monolithic SCX column for shotgun proteomics的新闻报道。该报道介绍了中科院大连化物所王方军、董靖、叶明亮和邹汉法研究员等人关于强阳离子交换整体柱在蛋白质组学中的应用方面的研究进展。作为蛋白质组学研究领域的权威刊物,JPR每期从各种重要的国际性学术刊物中挑选5篇左右的关于蛋白质组学方面的研究论文作为重要新闻在Currents栏目中进行报道。
这一研究进展发表在9月份美国化学会刊物《分析化学》(Analytical Chemistry ,AC)上(Anal. Chem. 2007, 79, 6599-6606)上。
国际上普遍采用带磺酸基团的单体合成强阳离子交换整体柱进行离子色谱分离分析,而这种类型的整体柱在不同分离缓冲溶液中容易发生溶胀或收缩,且在分离过程中可能掺杂有较强的疏水相互作用,因此不利于在多维色谱分离方面的应用。邹汉法研究员等人首次采用带磷酸基团的单体制备成功了一种新型强阳离子交换整体柱材料,该整体柱材料具有性质稳定、柱压降低、传质阻力小、离子交换容量高的特点,且表现出单一的阳离子交换机理。采用所制备的整体柱作为预柱,以两相柱进样和柱切换的原理建立新的接口模式,成功发展出高性能的用于纳升级RPLC-MS/MS分析的自动进样和柱切换多维分离技术。该系统有效减少进样时间、进样过程中的样品损失,大大提高了分离效率和分离的通量。该新型阳离子交换整体作为预柱被应用于在线多维色谱分离复杂的酵母蛋白酶解物,通过shotgun的技术,鉴定得到了1522个蛋白质(假阳性率仅为0.46%)。
原文摘要:
Chensong Pan, Songyun Xu, Houjiang Zhou, Yu Fu, Mingliang Ye, Hanfa Zou
Recent developments in methods and technology for analysis of biological samples by MALDI-TOF-MS
Anal Bioanal Chem, 2007, 387, 193–204 [pdf]
在生物质谱领域开拓创新
邹汉法,中科院大连化物所研究员,博士生导师,题目组组长,国家色谱研究分析中心主任,中科院大连化物所生物技术部副主任。1961年生于浙江宁波,1983年考入大连化物所,在卢佩章院士和张玉奎院士的指导下从事色谱专家系统的理论基础研究,分别于1986年、1989年在大连化物所获得硕士学位及博士学位。目前所涉及的研究领域有:液相色谱、毛细管电色谱与手性分离固定相的研究;生物质谱及新型生物分离材料的制备和MALDI-TOF MS基体的研究;生物色谱筛选与分析传统中药活性成分的研究;二维HPLC与MS/MS联用技术的研究。特别是在色谱基础理论、毛细管电色谱、新型MALDI-TOF MS基体方面的研究,取得了创新性成果。曾于1990年被中国科学技术协会授予杰出青年科学家称号,1991年获中国科学院杰出青年科学家银奖,1997年获国家自然科学杰出青年基金,1998年获得香港求是科技基金会杰出青年学者奖。曾获中科院自然科学和科技进步三等奖、辽宁省自然科学一等奖各一次。至今,已在国内外重要学术刊物上发表论文200余篇,其中近120篇发表于国外学术刊物,专利10余项。
一、抓住生命科学发展的大好机遇
当今世界,科技发展与进步日新月异。几年前,在世界范围内,各国对复杂生物样品的分析还仅仅停留在设想阶段;几年后的今天,通过全世界众多科学家们的不懈努力,对复杂生物样品的分析已成为现实。这之中,有中国科学家的一份贡献。
1988年,科学家Hillenkamp和Tanaka各自独立地提出将热不稳定基体分子携带进入气相的基体辅助解吸离子化技术,由此产生了基体辅助解吸/离子化时间飞行质谱(MALDI-TOF MS)这一生物质谱新方法,Tanaka获得2002年诺贝尔化学奖。这项技术的成功之处在于通过引入基体分子,使待测分子不产生碎片,解决了非挥发性和热不稳定性生物大分子解吸离子化的问题。这是一次革命性的突破。从此,快速、简便地鉴定样本中含有的蛋白质类型成为可能,化学生物学也成为当今时代的“大科学”。
邹汉法研究员对这个领域的研究颇有建树。作为一名具备丰富的科研经验和阅历的科学工作者,他意识到生命科学领域的发展越来越受到关注,而生物技术进步是生命科学发展的基石。一定要抓住生命科学发展的大好机遇,使中国人在现代生物技术的发展领域占有一席之地。
1995年,刚刚从美国做完访问学者归国的邹汉法就认识到,了解蛋白质之间的相互作用对生命科学中的信号系统非常重要。他提出,生物质谱是分析这种非共价生物分子复合物的有效手段,这一方法无论在速度、灵敏度和鉴别实际的相互作用方面都明显优于其他方法,质谱分析方法又是相对经济并且非常可靠的方法。
这一分析方法目前迅速在世界各地的实验室内传播,拥有一台自己的生物质谱已成为开展研究和发展的前提。在大连化物所领导的关心和支持下,国内的第一台MALDI-TOF MS ( BIFLEX Ⅱ )成功引入该所生物技术部实验室。如今,基体辅助激光解析离子化质谱已经成为多肽、蛋白质和糖结构分析的标准方法。
二、从新材料和新技术着手赶超
大连化物所拥有了用以了解和揭示生命科学中的蛋白质之间相互作用的工具,但此时国外的学术水平和生物技术在生命科学中已取得突飞猛进的发展,怎样才能同国外学术研究水平站在同一个水平线上呢? 作为该学科的带头人,邹汉法认识到,如果延续国外科学家的思路,将永远被他们抛在后面。所以,必须立足于自身特点,创造性地开发自己的研究方法,发挥自身优势,从而达到国际一流水平。
常规的MALDI-TOF MS由于有机基体分子的引入,不可避免地导致在低分子量范围内大量基体分子离子峰的产生,严重干扰低分子量化合物谱峰信号的检测,极大地限制了该技术对低分子量化合物分析和检测。1999年,美国Scripps Institute 的Gary Siudark在《NATURE》上提出了多孔硅上解吸离子化质谱,采用多孔硅晶体材料作为基体成功地应用于多种低分子量化合物的分析与表征,能消除有机基体分子在低分子量范围堆分析物分子的干扰。
任何人面前的机遇都是均等的,能抓住它的人却往往是有准备的人。邹汉法研究员敏锐地意识到,如果要在世界生物质谱技术潮流中占得一席之地,就必须从新材料和新技术着手,只有这样,才能在较短的时间内赶上西方发达国家。
经过认真的科学调研和深思熟虑,邹汉法提出了以多孔硅材料为基础的解吸离子化质谱的设想,并以此为突破口,拓展我国的生物质谱在生命科学的应用范围。
多孔硅上的解吸离子化质谱项目的申请很快得到了国家自然科学基金委和大连化物所的资助。实验的开始是单晶硅材料的选择、实验装置的建立、光源的选择,其中困难最大的是实验装置的建立。由于缺乏类似的经验与设备,一切实验装置都要靠自己搭建组成,工作之初只能模仿美国的实验装置,然后一件件组装起来。
但是,经过多次实验,邹汉法的实验装置上并不能得到多孔硅,实验一度陷入困境。
邹汉法和课题组的其他研究人员认真分析问题的所在,反复研究国外的多孔硅刻蚀的原理,最终认为问题的关键在于光源选择不当,因为光的强度不够时并不能达到刻蚀的催化条件。
经过几个月的调整和反复试验,邹汉法和课题组研制的第一片多孔硅在MALDI-TOF MS 上能替代有机基体实现对小分子化合物分析。这证明邹汉法的思路是正确的。
三、新的理念和新的发现
此时,国外的多孔硅上质谱研究已取得了巨大的进展。邹汉法研究员果断提出,下一步的工作重点应该转移到多孔硅上质谱理论研究,也就是为什么能在多孔硅上实现对小分子化合物的分析。
在这个思路的指导下,邹汉法研究员采用不同孔径多孔硅胶作为基体进行平行分析,实验发现,以孔径不同的硅胶作为基体对同一小分子化合物的解析能力存在差异,从而在理论上说明了多孔硅表面的解吸离子化过程中,多孔硅表面孔结构的大小在解析过程中的作用。
以此为发现,邹汉法研究员撰写出第一篇生物质谱的学术论文,发表在国际生物质谱刊物《Rapid. Commun. Mass Spectrum.》上。这表明他的这项研究成果取得了初步的进展,为以后的工作打下了坚实的基础。
当人体某一部位发生病变并向病变部位输送药物时,血浆中的蛋白质起着非常重要的作用,而且很多蛋白质还负责输送药物出入细胞,所以药物与血浆蛋白的结合,是决定药物在体内分布和发挥作用的一个重要因素。在论文中,邹汉法研究员提出了一个全新的假设:如果建立一个平台,我们就可以把血浆蛋白固定在这个平台上,用质谱作为检测和表征手段,就可以来探讨药物与蛋白的相互作用,因此可用于药物的早期筛选。通常的药物分子都是小分子化合物,而多孔硅又能很好地实现对小分子化合物分析的最好的平台。
虽然有了全新的思想指导,在实施的过程中还是遇到了一个个的难关,最为困难的是怎样建立起这个平台。
为攻克难关,邹汉法采取了很多试验方法,最终采用化学修饰法,通过共价键法把血浆蛋白固定在多孔硅上,制成了活性亲和靶体。在活性亲和靶上,生物质谱成功实现了与靶体蛋白有相互作用的药物分子的检测,通过不同溶剂的清洗,就可以识别不同的药物分子与血浆蛋白结合能力的差别。
新的药物分子设计要能够与蛋白质的结构相匹配,恰如能够打开锁的钥匙。这种方法可用于新药研发的早期对大量的候选药物分子进行“筛选”。这一成果很快在《Angew. Chem. Int. Ed.》杂志上发表,引起了国内外众多学者对邹汉法课题组的关注。
四、在国际生物质谱研究领域辛勤耕耘
尽管在生物质谱表征小分子和大分子的相互作用方面取得了重要进展,但是邹汉法研究员并不满足于现有成果。他认为,生物质谱的发展是生物技术的发展代表,中国的生物质谱技术也应该拥有自己的技术和专利,这样才能在国际上真正占有一席之地。
近年来,阵列微芯片作为生物技术的重大关键技术之一,已被应用于DNA和蛋白质的高通量检测。美国的赛弗吉(CIPHERGEN)生物系统公司已推出蛋白质芯片-表面增强激光解吸附离子化技术,使生物标记物的检测和疾病的早期诊断方面有了突破性进展。该技术的推出不仅有效拓展了常规MALDI-TOF MS仪器的应用范围,而且使常规MALDI-TOF MS仪器专用化而增值巨大。
仪器的昂贵价格激发邹汉法研究员确立了新的目标,研制出自己的微孔阵列硅芯片靶体技术,以硅芯片的微孔作为游离与固定化酶、细胞及微生物的生物催化反应微反应器,建立酶催化反应活性高通量筛选和反应动力学表征的技术平台。
这一创造性仪器改造的想法很快得到了国家自然基金委重大仪器改造项目的专项资金支持。到目前为止,这一项目阶段性研究成果已经发表在国际学术刊物《Electrophoresis》上。
新材料多孔硅的研发使用不仅使小分子分析研究具有自身的特色,而且进一步拓展了用于小分子分析的新基体的发现。最近,发现一定比例的离子表面活性剂与有机基体分子的混合物和碳纳米管作为生物质谱的基体,同样可以有效地消除常规有机基体谱峰信号对低分子量化合物检测的干扰。这些基体的发现有效地拓展了生物质谱分析和检测复杂生物样品的范围,使得更宽分子量范围的生物分子得到有效识别,从而使生物催化反应中的底物、产物的快速检测成为可能。相关研究成果分别发表在《Anal. Chem.》、《Electrophoresis》等杂志上。
辛勤的工作最终取得了丰厚的回报。邹汉法和其课题组的工作成绩引起了国际上同行的广泛关注。目前,《J. Instrument. Sci. Technol.》主编正在邀请邹汉法研究员撰写一篇小分子生物质谱分析的综述。这些成绩的取得凝结着邹汉法研究员睿智与艰辛,更是对他的科学执着追求精神的回报。