| 生命科学研究的重要手段
<P> 技术方法日渐成熟</P>
<P> 2007年美国《科学》杂志出版了《单分子研究专刊》，指出单分子技术将能对细胞中单个分子的行为进行实时“拍摄”，得到细胞过程的分子“电影”，从而揭示生命过程的机制和奥秘。这是《科学》杂志继1999年以“单分子：化学前沿”为封面登出“单分子研究专刊”以后的第二个专刊。日前在北京举行的以“生物体系中的单分子成像、光谱及操纵”为主题的香山科学会议上，中国科协主席韩启德院士、中国科学院常务副院长白春礼院士强调，发展用于生命过程研究的单分子技术有着十分重要的意义，并希望我国能有更多的学者参与这一前沿领域的研究。</P>
<P> 本次会议由中国科学院化学所方晓红研究员、美国哈佛大学谢晓亮教授和庄小薇教授、北京大学赵新生教授担任会议执行主席，来自化学、物理、生物、医学、纳米科学等领域的国内外50多名专家学者应邀参加了会议。</P>
<P> 生命科学研究的重要手段</P>
<P> 与会专家指出，从DNA双螺旋结构的发现、酶晶体结构的解析到人类基因组测序，过去半个世纪生命科学研究所取得的重大进展，无一不是借助于物理化学的新技术和新手段的应用来实现的，包括X射线晶体学和DNA测序仪等。当前生命科学领域面临许多新的挑战，20世纪末期开始迅速发展起来的单分子技术为揭示复杂生命过程的奥秘开辟了新途径。</P>
<P> 最早从事单分子研究的美国斯坦福大学W.Moerner教授在题为“单分子光谱和成像：从早期研究到活细胞高分辨成像”的报告中指出：20多年前，研究人员在低温下首次实现了单个分子的光学检测和成像，那时人们已认识到，可以利用单个分子来探测生物和非生物体系的纳米尺度环境变化以及体系的动态过程。从20世纪90年代中期开始，许多研究人员转向室温生物体系的单分子研究，并实现了对活细胞单分子生化反应的高特异性、毫秒时间分辨率的探测和分散的单分子纳米尺度的分子定位，发展了能达到几十纳米空间分辨的超分辨成像技术。</P>
<P> 由于单分子技术具有避免集群研究的平均效应，捕获瞬态中间产物和表征非均一行为等优势，近年来在生物体系中的应用已经使生物学的许多领域取得重要突破。单分子实验的研究结果不仅是对以往集群平均研究方法的有力补充，而且在许多方面也成为研究生命科学问题独一无二的方式。利用这一技术，将有助于破解“各种蛋白质和酶通过什么机制和过程实现其生物功能”、“不同的酶分子在活细胞中如何一起工作”、“细胞中不同的基因如何开启和终止表达”等生命科学之谜。</P>
<P> 技术方法日渐成熟</P>
<P> 单分子技术主要包括单分子成像、单分子光谱测量和单分子操纵技术。</P>
<P> 在单分子成像和光谱研究方面，由于光学检测具有无损、检测样品深度大，以及可与多种时间分辨和频率分辨的谱学技术相结合的优势，其成为生物单分子研究的常用方法。荷兰科学家建立了单个纳米颗粒的光热检测法，通过检测单个荧光标记的蛋白质分子在温度循环升降下的荧光信号变化来研究蛋白质的折叠。美国科学家发展了激光交换激发的单分子荧光光谱，可用于蛋白质折叠的研究。</P>
<P> 在超分辨成像研究方面，研究人员利用单分子荧光性质已研制出超分辨随机光学重构显微镜（STORM）和光活化定位显微镜（PALM），发展了基于受激辐射耗尽（STED）原理的超分辨光学成像技术。光活化/光转化单分子荧光探针与PLAM等技术相结合，能简便地实现三维超分辨成像。</P>
<P> 活细胞体系单分子荧光成像已成为研究生命过程分子机制的新手段。与会专家提出了多种活细胞成像的方法，包括单分子荧光成像和受激激发成像等，从而发展了定点探测和频闪照明两种策略，以此来研究活细胞中DNA与蛋白质之间的相互作用。通过对单个膜蛋白分子的活细胞成像和追踪，将有助揭示细胞信号转导的分子机制。</P>
<P> 在分子水平理解生物过程，力和能量同样是决定性参数，单分子操纵技术在研究生物过程的分子机制方面将发挥重要作用。随着磁镊、光镊和原子力显微镜(AFM)等单分子操纵技术的发展，目前研究人员已经可对单个DNA等生物大分子施加力或力矩，并与生物化学反应耦合进行实时大分子动态行为的观测。如通过利用单分子磁镊方法，研究人员研究了一种DNA解链酶的机制，发现DNA弯曲和扭曲的结构变化与解链酶的激活直接相关；建立的AFM力钳法，可以监测蛋白质小于0.1纳米的构象变化和研究外加力对于蛋白质折叠、去折叠和生化反应的影响。</P>
<P> 充满机遇与挑战</P>
<P> 与会中外学者认为，发展生物单分子研究手段和方法有着重要意义和前景。一方面，随着单分子技术的不断改进，超分辨成像、新探针等新的技术的不断涌现，以及单分子检测仪器的商品化等将不断推动单分子技术在生命科学领域的应用和发展；另一方面，不断发展的单分子技术也使得运用单分子检测正在变得越来越容易，它已发展为一个成熟而且强大的工具，通过其来揭示生命奥秘的时代已经到来。</P>
<P> 已有的单分子技术在生物体系研究中的初步应用成果，使人们认识到无论是在体还是离体，这一技术都将为新的生物学发现带来令人兴奋的机遇和突破。单分子技术的应用将使许多基本的生物物理问题得到解决：如DNA-蛋白质的相互作用、酶的工作过程、分子变构效应的机理、基因调节和网络化的过程、非平衡态下少量分子体系的动力学行为等。利用单分子技术将极大地提升生物分子识别、细胞信号转导分子的计量学、蛋白质折叠、细胞凋亡等的研究水平。</P>
<P> 专家指出，生物分子马达和分子机器是单分子研究的重要方向之一，实现活细胞或在体条件下的实时观测是生物分子马达研究的前沿。由于目前大部分细胞中的单分子成像靠荧光蛋白标记，荧光蛋白本身的分子量过大，需要研制能在细胞中直接进行标记的小分子荧光探针，因此发展合适的活细胞分子标记和探针是活细胞单分子研究的关键技术之一。</P>
<P> 专家强调，单分子技术研究领域还存在着一些挑战性问题，如需要进行多学科交叉的研究人才的培养；需要生物、化学、物理、信息学、纳米科学等不同学科研究人员进行有效和投入的合作；研究花费较高，需要得到较大的经费支持。发展适合于生物体系的单分子技术并将其应用于重要生命科学问题的研究，是一个充满了科学创新机遇的领域。</P></FOUNDER-CONTENT><INPUT style="DISPLAY: none" value=0 type=checkbox name=titlecheckbox sourceid=""> |
