元素组学

生命科学研究领域众多，包括基因组学、蛋白质组学、代谢组学等。“‘生命元素组学’是其中一个重要的组成部分，”王京宇说，“目前金属组学是大家比较熟悉的提法，但作为医学院校的科研工作者我更喜欢称之为生命元素组学。”至于为何叫生命元素组学，王京宇教授介绍，生命科学所研究的元素不只局限于金属元素，还包含了非金属元素、类金属元素 另外，元素是构成生命组成细胞、蛋白质、小分子的基本单元，它的规律性一定是存在的，是值得研究的。　　自然界中已发现元素115种，天然存在元素92种，人体中检出81种 人体必须元素研究从1950年的13种、1970年的17种，到2000年时已经有29种......“所以，我认为随着测试技术和分析方法的迅猛发展，人体必须元素的数量也将会进一步增加。在研究生命现象时应该借鉴中医理论体系‘整体论’的观点 尽可能开展多元素分析，探讨元素之间的互作关系，克服以往元素研究‘以偏概全，前后矛盾’的弊端。”北京大学公共卫生学院教授、医药卫生分析中心主任 王京宇教授　　2001年“因地制宜”踏上生命元素组学之路　　【生命元素组学】生命元素组——生命体中具有生物学意义的、以各种形态存在的所有无机元素的集合。元素形态——元素在生命体(物种、器官、组织、细胞… )中的存在形式：生物大分子(诸如金属蛋白、金属酶… )、有机小分子(例如金属化合物、络合物… )、游离离子及其价态 研究范畴——生命体中无机元素的种类、浓度、分布、比例、价态、形态及相应的生物学功能，元素组与其他组(例如：基因、蛋白、代谢组)之间的关系。　　王京宇教授2001年提出生命元素总谱概念，已经包括了元素形态这些内容，但没有上升到“组学”的“高度”。2002年前后，诺贝尔奖获得者提出了金属组学的概念，顺理成章的，王京宇教授将组学的概念借鉴过来，正式提出了“生命元素组学”。　　再回头看看王京宇教授为何会提出、开始从事生命元素组学研究工作的呢?　　2001年，王京宇教授结束海外留学工作回到国内、就任北医教授时，需要确定今后的研究工作方向。在国外做的东西肯定不能全部照搬，需要根据实验室条件“因地制宜”。当时所在实验室的设备在无机方面最强，拥有ICP-MS、AAS、AFS等仪器 而且从软实力来说，王京宇教授出国前的1982年到1986年间一直在做微量元素分析，所以有20多年的经验传承，在样品预处理等方面有着一定的基础。　　“所以，尽管我在国外做的更多的是有机、生物化学方面的研究，但是，我觉得在实验室条件不具备时就必须因地制宜，所以，我决定研究元素与生命，”王京宇说。　　方向确定了下来，王京宇教授马上投入到了查阅文献、撰写回国启动基金申请报告之中。期间，王京宇教授感觉到，在元素分析领域，有很多实验不同课题组做出来的结论是相互矛盾的 例如，与肺癌相关的某一种元素，不同的课题组会得出其含量会随着癌症的发生而升高、降低、不变的三种截然不同的结论。为什么出现这个现象?王京宇教授经过思索认为，当时绝大部分团队只关注2-3种元素，最多10多种元素，然后就得出了结论。但是，人是一个整体，体内的81种元素彼此间不是孤立的、而是相互作用的 如果我们处于一个特定的生活环境，某些元素摄入量的升高很可能会导致另外一些元素的升高或降低，所以，在研究过程中不应该把某一个元素或者一组元素与其他元素割裂开来。　　在这样的认识基础上，王京宇教授在所写的申请报告中提出了“生命元素总谱”的概念，认为一个正常的人会有正常的生命元素谱，有疾病的人有异常的生命元素谱；那么，比对正常谱和异常谱，发现之间存在的差异，就有可能确定疾病和这些元素之间的关系。　　虽然获批的归国启动基金只有区区4万元，但王京宇教授还是毫不犹豫地将之用于从一个老教授那里买下一批珍贵的肺癌组织和癌旁组织样品。研究“肺癌组织和癌旁组织中元素之间的关系”也成为了王京宇教授回国后开展的一项重要工作，该项目历时两年，共研究了55种元素，发现20种元素差异具有显著性，其中有14种元素未见相关文献报道，分别发现了生命元素的组织选择性、生命元素对的组织特异性、生命元素在特定组织内的有序性、生命元素相关类型的多样性，为随后生命元素组学的探索奠定了坚实的基础。　　15年持之以恒的“酸甜苦辣”　　一直以来，王京宇教授的想法不完全为大多数人接受，有院士曾经语重心长的劝他“要把一个或两个元素研究透”。“我能够理解并感谢老前辈的建议，但是我想世界上不缺我一个按照这种思路去研究的人，我还是要坚持自己的想法，”王京宇说到。　　“做科研不容易，‘获认可’是一件更不容易的事情。”　　提到2004年发表的第一篇文章“若干中草药中25种元素在不同提取液中的分布”，王京宇教授介绍到，文章发表后，国外很多科学家写信希望将其翻译成英文，让他非常欣慰。但是这篇文章同时也让他感到特别的遗憾，因为工作开始时是计划做50种元素，不过由于有些同事不理解，导致最后只做了25种元素。　　不过在王京宇教授的坚持下，2006年“肺癌组织和癌旁组织中元素之间的关系的研究”就已经做了55种元素。2008年，与公安部门合作进行了“毒品产地鉴别”的研究项目，为了检验所建方法的可靠性，王京宇教授接受了20份盲样的考核，获得了100%准确的结果；王京宇说到，“这对于我来说是非常重要的一件事，因为‘毒品产地鉴别’很好的验证了多元素组学、特征元素对等生命元素组学的基本假设，更加坚定了我一定要往下做的信心 同时还得到了同事们的认可，与我并肩战斗至今。”　　在2009年的某一次学术会议上，韩济生院士对王京宇教授说，“王老师，你这个想法很有意义，可以尝试用到儿童孤独症的研究中。”后来王京宇教授推荐了一名博士生跟随韩济生院士做博士后，并且多元素组学在儿童孤独症领域中得到了很好的结论。　　这些年王京宇教授一直不遗余力地推销“多元素组学”的想法，抓住每个机会去做报告。“每次报告之后都会有互动，会有很多人围着我继续问问题。随着时间的推移，对生命元素组学感兴趣的人越来越多。”王京宇说，“而且，‘整体论’已经在其他领域得到了应用，有很多人利用同样的想法进行各自领域的研究。记得在某次做过报告之后，一位从事石油勘探研究的人员与我交流，说这种理论在石油勘探领域将会非常有用，后来我也发现确实有相关的论文出现。”　　“这么多年来，总是有新的东西、新的发现，让我觉得很有意思、难以舍弃，让我觉得我们的工作确实不是简单的重复。”　　“未来生命元素组学一定会用于医学临床诊断”　　“多年来，我得到过科技部、国自然、市自然基金的资助，”王京宇说，“但就多元素组学而言则仅获得过一个北京市自然科学基金的支持，更多的是自己凭着兴趣、利用少量横向经费和自有经费在做，所以进展速度相对来说比较慢。另外，所做实验需要得到医院等各方面的配合，难度非常大，做到如今的程度已经非常难能可贵了。”　　王京宇教授在研究中发现正常人和癌症病人的生物无机指纹图谱是不一样的，同时发现正常人和精神分裂症病人的指纹也不一样；进一步的统计学分析表明，癌症病人、精神分裂症病人的指纹也有显著性差异。“通过生命元素组学研究，不但有可能区分正常人和病人，还完全有可能区分是何种病人。所以，该技术可以作为一种很重要的辅助诊断手段。”王京宇说，“目前，该技术正在申请专利，已经有投资人对此感兴趣，相约细谈。”　　“一种技术手段想要用于医学临床诊断，需要有足够的信息量。”王京宇教授正在做的一个试验可以拿到100万个信息量，很有希望满足临床诊断所需 将其用于正常人群和某一特定疾病人群，初步结果显示此项技术对于该疾病诊断的准确率为100%。王京宇教授计划在下一步的研究内容中要增加不同的疾病人群，以期进一步拓宽该技术临床诊断的适用范围。　　“一种技术手段想要用于医学临床诊断，成本也是必须要考虑的事情。”据王京宇教授介绍，元素组学实验相对简单、成本相对较低，完全有可能用于大规模筛查 而不像基因检测等动辄需要数千元钱。　　王京宇教授下一步工作中有一项是研究元素组学和其他组学如蛋白质、代谢、基因组学的相关性，尝试从元素到小分子、蛋白质大分子、细胞建成一种立体体系。未来可以预期，元素组学作为一种相对简单、容易定量的技术可以替代一些复杂、难以定量的实验。　　“不管有钱没钱，我都会继续做下去，一定要做下去”　　“可以说，我为生命科学研究做了一些非常基础的工作，首先我发现了有区别、有差异，下一步大家可以研究为什么有区别，探究所发现的差异是原因还是结果。”　　元素组学有很多研究分支，王京宇教授主要做的是人体样品中元素的分布与形态及其与疾病之间的关系。不过，多元素组学的局限性是暂时还无法区分“因”和“果”的关系，王京宇教授正在设计专门的实验以期寻找到“因和果”。另外，为了应对“人体样品中元素的含量会受环境条件的影响”的质疑，王京宇教授设计了若干个专门实验。结果显示，环境因素对生命体某些组织元素含量的影响是有限的，故而，多元素分析完全有可能用于疾病或者物种的鉴别。　　“我们目前正在尝试将生物样本中的遗传相关和环境相关因素能够分别检测出来，换个说法是分清‘内源’和‘外源’，我个人认为意义非常重大。”王京宇说，“为了疾病我必须要把它分开，为了研究环境我也必须把它分开，还可以研究环境与疾病之间的交互作用，是一举多得的事情。”　　王京宇教授将他自己的工作形象的比喻为“撒网”，网撒出去后会捞上来大量的、各种类型的鱼。而如果只研究一种元素，就相当于在钓鱼，一次只能钩钓上来一种类型的鱼。或许有人认为王京宇教授撒网捞上来的鱼比较杂、不那么专；对此，王京宇则认为，“其实我是在为所有研究鱼的人打基础，我把网上来的鱼分给包括我自己在内各位科学家，大家根据自己的需要去解剖、分析、研究选定的鱼，每个人可以根据自己的口味去烹调，各自做不同层面上的工作。”　　预祝王京宇教授驾驶着元素的拖网渔船，在生命之海上前行，永远朝向绚丽多彩的彼岸。　　采访编辑：刘丰秋　　附录1：王京宇教授简历　　王京宇(Ph.D),1982年至2001年先后在原北京医科大学公共卫生学院、加拿大拉瓦尔大学医学研究中心、日本国家研究院(大阪)从事分析化学及生物化学方面的研究。2001年9月被聘为北京大学公共卫生学院中心实验室主任兼教授(博士生导师)。　　主要社会和学术兼职：北京大学医学部工程系列专业技术职称评审委员会主任，加拿大拉瓦尔大学医学院客座教授，中国医学装备协会实验室与技术分会常务理事，中国稀土学会理化检验专业委员会副主任委员，中华预防医学会卫生检验专业委员会委员。曾任北京大学医药卫生分析中心主任 设备与实验室管理处处长。主要研究方向：(1)生命元素组学 (2)预防医学检验与健康及疾病研究。　　附录2：王京宇教授“网络专家讲座”　　王京宇教授在仪器信息网“网络专家讲座”栏目开堂授课，主讲“ICP-MS/OES与生命及环境科学研究”。目前已经于2015年9月8日讲授了第一堂课——ICP-MS/OES与生命及环境科学研究概论，授课视频见以下链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/video_102806.html

中科院广州地球化学研究所赵振华研究员及研究小组在对河北省张家口东坪特大型金矿中钾化-硅化碱性正长岩研究中，发现了一种新类型的稀土四分组效应—MW复合型，该研究成果已作为科学通报2010年第15期封面文章发表。 　　赵振华研究员是国际上最早发现和研究高分异花岗岩及水岩作用过程中稀土元素四分组效应的地球化学家之一。他发现的稀土四分组效应—MW复合型显示了M型和W型稀土四分组效应同时出现在同一类岩石(矿石)中。对该种岩石中磷灰石和锆石单颗粒矿物的稀土组成原位分析一致显示了熔体结晶(岩浆)及热液流体交代叠加作用，并可能至少有两期热液活动。它揭示了具有MW复合型稀土四分组效应的东坪特大型金矿形成过程中熔体-流体共存及富Cl, CO2和Si, K, Al, 高温、中低盐度热液流体交代作用的叠加。该新发现丰富了稀土四分组效应的类型和内容，并为探讨与碱性岩浆的金成矿作用提供了新资料。 　　稀土四分组效应(tetrad effect)是由于镧系元素4f电子层1/4, 1/2, 3/4, 至完全充满状态其化学性质的差异性变化造成的。即La-Ce-Pr-Nd, Pm-Sm-Eu-Gd, Gd-Tb-Dy-Ho 和Er-Tm-Yb-Lu化学性质分组，Nd/Pm, Gd, Ho/Er 为分界点，每4 个稀土元素为一组，各组在化学过程呈现出更相似的性质。在球粒陨石标准化图解中形成四组上凸或下凹的曲线，分别称为M型和W型四分组效应,它完全偏离了岩石中常见的线性分布规律。在已有研究中发现的高演化岩浆岩、水溶液和热液成因矿物中M型和W型稀土元素四分组效应均是分别单独存在的。

正如二十大报告中反复强调的“必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力”。高等科研院校作为创新工作的第一阵地，却一致受制于机制以及市场信息匮乏的困扰，这也使得大量高新技术长期处于“酒香就怕巷子深”的难题当中。特别是在全球化的背景下，如何开辟成熟的成果转化通道，助力高质量的产学结合，一直都是各个国家科技发展相关政策中的重中之重。拥有125年悠久历史的百年老店——德国元素，为国内外相关科研院校提供可靠的无机碳硫氧氮氢分析仪，助力高质量的产学结合。汽车发动机为汽车提供动力，被称为汽车的“心脏”。而生产发动机零件的高端数控机床，对工艺性能要求极高。建立于1877年的德国达姆施塔特工业大学生产管理学院的工业机床技术系(PTW)则一直致力于开发用于未来生产中的一体化生产方案，通过与3D打印技术相结合，使得人们可以获得更加高效的生产环境。正因如此，PTW采购了两台来自于德国元素的 无机元素分析仪：inductar® CS cube 红外碳硫仪和inductar® ONH cube 氧氮氢分析仪,用于增材制造中金属粉末成分的分析，优化质控环节。Jana Harbig，达姆施塔特工业大学的研究助理来自于PTW的研究助理Jana&emsp14 Harbig给予了德国元素很高的评价：“感谢PTW使用来自于德国元素的仪器，QAMEA项目有潜力增加增材制造的正本效率和资源效率。”在国内，高等科研院所通过赋权的形式，帮助科研成果转化走出了最关键的一步。在这种模式下，创业公司，社会资本与高等科研院所紧密联系，避免了从实验室进入工程化阶段的死亡之谷。西北工业大学太仓长三角研究院作为科研领域的排头兵，多年来专注于核工业以及航空航天金属材料的研究，采购了来自于德国元素的无机元素分析仪：inductar® CS cube 红外碳硫仪和inductar® ONH cube 氧氮氢分析仪为其在材料元素分析方面的工作保驾护航。在科研成果转化链条中的另一端——需求端，相关企业对于科研产品的质量控制分析要求极高。正如《焦点访谈》采访德国元素的老客户江苏集萃先进金属材料研究所有限公司（INMAT）时所提到的，“在搭建中试平台中，需要在上面反复进行工程化、小批量精准验证”。INMAT采购了来自于德国元素的无机元素分析仪：inductar® CS cube 红外碳硫仪和inductar® ONH cube 氧氮氢分析仪用于高温合金中的碳硫氧氮氢分析。inductar CS cube 红外碳硫仪应用领域：黑色系金属合金，有色金属，有色金属，碳化物及陶瓷材料，地质矿物，电极材料的碳硫分析。特点：创新性坩埚设计，无需动力气清洁型燃烧（低灰尘和尘屑），无需外接吸尘器加热的除尘过滤器，配备了高效的风冷水冷装置可自由程序变化输出功率的感应炉 可自由程序变化的注氧流速燃烧过程可由光学摄像系统观察专利球夹设计，实现免工具维护inductar ONH cube 氧氮氢分析仪应用领域：黑色系金属合金，有色金属，有色金属，碳化物及陶瓷材料，地质矿物，氧氮氢分析。特点：无需配备石墨电极清扫刷进行清扫，提高做样效率可编程气体分流，通过睡眠模式进入省气模式无需配备动力气以及外置水冷机，可单坩埚完成测试，节省成本专利的球夹连接，实现免工具维护