小分子反应监测

表面增强拉曼技术(Surface-enhanced Raman Spectroscopy，SERS)是无损、高灵敏、高特异性光谱技术，在反应监测、生物医学检测、环境监测等学科中颇具应用价值。近年来，半导体SERS基底的性能调控备受关注。然而，半导体SERS增强效果普遍较弱，难以应用于散射截面较小的无机物质的检测，因此研究人员致力于寻找可以提升半导体基底SERS性能的策略，从而提升半导体SERS基底对无机物质的响应性。 　　基于这一研究目标，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员赵志刚团队设计了一系列不同尺寸的氧化钼纳米晶和量子点，发现了小尺寸的量子点在晶格缺陷和尺寸效应的双重作用下SERS性能显著提升，提出了基于多重共振耦合电荷转移路径实现高效化学增强效应的SERS作用机制，并实现了对无机小分子联氨(N2H4)的低浓度检测。 　　如图1所示，量子点产生了明显的带隙变化和荧光发光现象，可以归结为尺寸限域效应和小尺寸半导体中产生多重缺陷能级的共同作用。如图2所示，量子点对多个探针分子产生了灵敏SERS响应，其中，对无机小分子联氨具有良好的SERS性能。研究通过进一步的表征得出量子点表面联氨分子的检测性能具有明显的尺寸依赖性，且在2 nm尺寸下的极限浓度为4*10-5 mol/L。如图3所示，研究分析不同尺寸下能带结构的变化，提出了2nm量子点高效SERS效应的机制为由于尺寸限域效应和晶格缺陷共同作用下能带结构中存在的多重共振耦合电荷转移路径。 　　该研究首次实现了半导体SERS基底对无机小分子直接、灵敏的检测，对拓宽半导体SERS基底的应用具有重要意义。相关研究成果以Quantum Effects Enter Semiconductor-Based SERS: Multiresonant MoO3xH2O Quantum Dots Enabling Direct, Sensitive SERS Detection of Small Inorganic Molecules为题，发表在Analytical Chemistry上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院等的支持。图1.量子点能带结构和荧光发光效应表征图2.量子点的SERS性能表征谱图图3.量子点高效SERS性能作用机制示意

近日，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所的宋一之团队与尹焕才团队在高灵敏增强拉曼气体传感方面取得进展。研究团队开发了一种具有超高灵敏性的柔性多孔三维玫瑰花枝状纳米增强基底，可实现气相与液相中有机小分子的高灵敏检测。研究成果发表在Analytical Chemistry上。高灵敏微量气体传感在环境污染研究、人体挥发性有机物（VOCs）检测中具有重要现实意义。迄今为止，已有多种分析技术被用于气体检测，但大多存在成本高、操作复杂、分析过程耗时等缺点。表面增强拉曼散射（SERS）作为一种有力的痕量分子检测工具，可利用基底的表面等离子体共振耦合和电荷转移效应大幅增强目标分子的拉曼散射信号，具有高灵敏、简单、快捷、无损和特异指纹识别的特点，在气体传感领域具有突出的优势。对此，该研究通过化学生长与微纳加工相结合的方式在柔性多孔滤膜上制备了纳米氧化锌金属三维异质结构（图1），并利用酰胺反应选择性地捕获腐胺和尸胺分子，实现了低浓度气体分子的高灵敏定量检测（腐胺检测限：1.26×10-9 M，尸胺检测限：2.5×10-9 M），比同类研究报道的检出限高出2~3个数量级（图2）；另外，还实现了在液相中的超高灵敏度定量检测（腐胺检测限：3.2×10-16 M，尸胺检测限：1.6×10-13 M），比同类研究报道的检出限高出6~9个数量级，充分证明了该SERS传感器在液相与气相有机小分子检测的巨大潜力。鉴于该三维柔性SERS基底的多孔特性和优异的增强性能，将其与微流体装置和便携式拉曼光谱仪集成，搭建SERS快速检测系统，有望实现气溶胶中细菌、病毒和污染物的高效捕获与富集，充分发挥该三维基底在气溶胶的高灵敏检测领域的技术优势。研究工作得到国家自然科学基金委、江苏省重点研发产业前瞻项目、中科院科研仪器装备研制项目等项目的经费支持。 　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.1c05013图1 基于三维玫瑰花枝状SERS传感基底构筑方法及有机气体分子检测策略图2.液相中（a-f）与气相中（g-l）不同浓度腐胺与尸胺的SERS光谱

近日，上海之江生物研发的AutraMic mini4800 Plus全自动核酸检测平台获国家药监局批准上市（国械注准：20223221119，简称“小青耕”），成为目前体积最小、自动化程度更高的一体化磁珠法+荧光PCR核酸检测系统。以快制快已成为防控共识，提高核酸检测的速度，不应单纯局限于加大人手，要提高核酸检测实验室全自动工作效率，要利用科技赋能抗疫速度。上海之江生物“小青耕”可实现100%核酸检测“样本进、结果出”，集成多项黑科技，具有以下技术优势：全自动、无人值守在一台“小青耕”中，可以自动化完成样本管开关盖、移液前处理、纳米磁珠法核酸提取、PCR体系构建、荧光PCR扩增等核酸检测全流程，即可实现无人值守：“样本进，结果出”。检测过程人员与样本零接触，可有效规避因人员疲劳等导致操作失误的风险，缓解目前核酸检测专业人员数量不足问题。高效率、快速检测“小青耕”搭载了48个PCR扩增反应孔，可在2小时内完成48管样本的检测。如果搭配20混1方案，2小时内至少可完成960人份样本。“小青耕”单次检测通量1-48样本灵活设置，可有效提高门、急诊核酸筛查与复核效率，缓解人员不足的突出矛盾。可快速提升医疗机构、疾控中心、机场口岸等的全自动核酸检测能力。省空间、高度安全“小青耕”将核酸检测流程的各模块高度集成，占地面积小于0.4㎡，极大程度节约实验室紧张的空间，有限空间内最大程度提升核酸检测能力。同时搭载全封闭负压系统、紫外消杀和HEPA高效过滤系统，达到生物安全二级标准，全面保护检验人员操作安全。

当我们提到GABA（γ-氨基丁酸）的时候我们会想到什么？GABA是一种主要的抑制性神经递质，调节神经元间的通讯。在大脑之外，在肠道、脾脏、肝脏和胰腺中也检测到了GABA这种神经递质的存在【1,2】。但是GABA在免疫系统中是否会“跨界”发挥作用还不得而知。2021年11月3日，日本横滨理化研究所Sidonia Fagarasan研究组发文题为B cell-derived GABA elicits IL-10+ macrophages to limit anti-tumour immunity，发现B细胞来源的GABA诱导巨噬细胞从而限制抗肿瘤免疫反应，为免疫系统中除了细胞因子和膜蛋白之外的小分子代谢产物的免疫调节功能提供了新的见解。小分子水溶性代谢产物不仅是细胞内生物化学反应过程的重要中间产物，也是释放到细胞外环境中的“信号分子”，从而影响临近的细胞【3-5】。淋巴细胞受到多种受体和可溶性小分子代谢产物的调节，但是仍然有很多小分子代谢产物的功能尚未被了解清楚。因此，作者们希望能够找出其中发挥关键调节作用的水溶性代谢产物，该代谢产物可能作为环境线索发挥作用从而介导免疫细胞之间的相互作用。为了找出参与免疫系统的小分子水溶性物质，作者们对处于稳态以及激活状态淋巴细胞中进行水溶性代谢产物的分析。这两种淋巴细胞之间有200种左右的代谢产物存在显著的不同。其中主要涉及的代谢特征的不同是丙氨酸、天冬氨酸以及谷氨酸通路的差异，另外嘌呤和嘧啶代谢以及三羧酸环也与免疫激活密切相关。在这些代谢产物中，一个以前被广泛认为在神经系统中发挥作用的因子GABA引起了作者们的兴趣。先前并没有研究表明B细胞能够产生GABA，因此GABA在免疫系统中的作用也很不清楚。首先，作者们确认了免疫系统中的B细胞的确是GABA产生来源，并且通过对GABA合成的关键酶分析发现小鼠和人类B细胞中GAD67（Glutamate decarboxylase 67）而非GAD65的表达水平会上升。该结果说明无论是小鼠还是人类中谷氨酸的代谢的确能够刻画B细胞谱系的变化。那么B细胞中所产生的GABA是如何在免疫系统中发挥作用的呢？为此，作者们采用了MC38结肠癌模型，该模型中B细胞已经被证明通过抗原非特异性机制抑制抗肿瘤T细胞反应【6】。作者们发现B细胞缺乏的小鼠品系中肿瘤的生长比野生型的肿瘤控制的更好。另外，与接受安慰剂的小鼠相比，植入缓释GABA颗粒会导致B细胞去除的小鼠肿瘤生长显著增加。通过加入GABA受体激动剂木防己苦毒素，作者们发现会限制肿瘤的生长并提高肿瘤浸润性CD8+T细胞的细胞毒性活性。因此，作者们发现减少GABA或影响GABA受体信号通路会增强细胞毒性T细胞反应和抗肿瘤免疫，而分泌GABA使宿主对肿瘤生长产生免疫耐受。那么GABA影响免疫功能系统的细胞生物学机制是如何的呢？先前的研究表明肿瘤相关巨噬细胞（Tumour-associated macrophages，TAMs）可以抑制抗肿瘤免疫反应。作者们发现GABA影响巨噬细胞生理的过程，促进向抗炎表型极化的反应。进一步地，作者们想知道GABA如何调节巨噬细胞。研究表明TAMs起源于单核细胞（Monocytes），因此，作者们猜测GABA是通过影响单核细胞向巨噬细胞的分化来调节巨噬细胞的。为了验证这一假设，作者们将GABA加入到培养基中，发现会导致细胞数量增加、细胞存活增加同时也促进抗炎巨噬细胞特征因子FRβ（Folate receptor β）的表达。基因转录本分析也证明细胞周期相关以及叶酸代谢相关的基因出现了明显地上调。因此，作者们确认GABA促进具有抗炎特性的巨噬细胞的分化、扩张和存活。进一步地，为了确认B细胞中GABA的作用，作者们构建了特异性在B细胞中敲除GAD67的小鼠品系，发现条件性失活GAD67后会导致B细胞中GABA含量显著降低，而且发现B细胞产生的GABA会显著限制抗肿瘤T细胞反应。总的来说，该工作发现作为代谢产物以及神经递质的GABA会通过激活的B细胞被合成和分泌出来，作为细胞间相互交流的线索影响机体免疫系统的响应。该工作说明B细胞谱系产生的小分子代谢产物具有炎症调节的作用，可能会成为未来免疫反应调节的药物靶点。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04082-1

01研究背景尿酸盐，是尿酸在人体存在的主要形式，也是血清中的强效抗氧化剂，在清除活性氧方面起着关键作用。然而，尿酸盐的过度积累（也称为高尿酸血症）是导致痛风发生的主要风险因素。在肾小管上皮细胞基底膜上，尿酸转运体GLUT9蛋白可以将尿酸从细胞转运至血液，提升血液中的尿酸含量，是一个非常有潜力的药物研发靶点。然而，由于缺乏强选择性且高效力的抑制剂，开发一种针对GLUT9有效且安全的可以用来治疗痛风的药物仍然是一个很大的挑战。这次我们带来的这篇文献，借助NanoTemper公司的专利微量热泳动（MST）技术--无标记检测方式成功揭示了GLUT9蛋白与其底物尿酸 (UA) 和天然小分子抑制剂芹菜素 (API) 结合的分子机制，为后续的相关药物设计和优化奠定了重要基础。https://doi.org/10.1038/s41467-024-49420-9IF: 14.7 Q1 IF: 14.7 Q1 02研究内容深圳转化医学研究院潘孝敬团队联合清华大学和西湖大学等单位在解析了GLUT9-UA复合物的基础上，通过MST技术分别测定GLUT9不同突变体与底物UA的结合亲和力，深入分析和验证了GLUT9与底物UA的相互作用。还通过将只转运葡萄糖的GLUT1替换 GLUT9的对应残基，使用MST测定亲和力，揭示了GLUT9的独特底物偏好性的分子基础。图1：MST实验测定GLUT9突变体与尿酸的结合亲和力。结果表明，N333A、E364A、Y327A和W336A的结合亲和力降低，可验证其为关键结合位点。图2：MST实验测定尿酸与GLUT9替代体（来自GLUT1的对应位点替换）的结合亲和力。结果表明，L332I 对尿酸盐结合的影响很小，而 W336F 和 Y327Q显著降低的结合亲和力表明其在确定底物偏好方面发挥关键作用。此外，由于GLUT9与高尿酸血症、痛风等相关疾病具有高度关联性，GLUT9蛋白的特异性小分子抑制剂也是目前研究的热点。 因此，课题组以具有一定选择性，且结合力相对高的天然小分子API为例（IC50=0.69 ±0.11 μM），使用MST微量热泳动技术验证了GLUT9蛋白与API分子的结合。GLUT9蛋白分子量为60 kDa，而API的分子量仅为270Da，分子量相差200倍，如若课题组使用仅其他基于分子量变化的互作技术进行检测，则可能会因信噪比低的问题而检测不到结合。 得益于MST检测技术不依赖于分子量的改变，并且通过无标记的检测方式就可以在溶液中直接检测蛋白与小分子的相互作用，因此有效避免了固定蛋白干扰其检测活性，成功验证了API分子在GLUT9蛋白中的结合和抑制作用效果（图3），同时也揭示了小分子对GLUT9蛋白抑制作用的分子机制，为后续的相关药物设计和优化奠定了基础。图3：MST实验测定了GLUT9突变体与API的结合亲和力。结果表明，N458A、Y327A、W336A 和 C427A 的结合亲和力显著降低，表明其为影响结合的关键位点，而I209A 和 E364A 对 API 结合无显著影响。03技术优势在这篇研究中，通过MST技术成功揭示了GLUT9蛋白与其底物尿酸 (UA) 和天然小分子抑制剂芹菜素 (API) 结合的分子机制，在检测时无需对GLUT9蛋白进行标记或固定处理，通过检测蛋白内源荧光的变化来进行分子互作亲和力的检测。Monolith系列仪器不依赖于分子量的改变，蛋白用量少，受缓冲液体系限制小，可以在溶液中表征GLUT9蛋白与小分子的亲和力，在小分子结合机制研究中有显著优势。Monolith分子互作检测仪 直接在溶液中检测亲和力，无需固定 无惧分子量的变化，轻松检测各种类型小分子 检测一个Kd仅需10min 无微流控系统，无需清洗维护

电影《侏罗纪公园》中有一处情节：一只活在侏罗纪的蚊子吸食了恐龙的血，机缘巧合下它被封在了树脂形成的琥珀里，避开了亿万年的沧桑。到了人类文明的20世纪，它再次出土，科学家从它体内提取到了侏罗纪恐龙的DNA，进行扩增复制，使恐龙得以&ldquo 复活&rdquo ，并建立了&ldquo 侏罗纪公园&rdquo 。虽然是电影，该桥段却点出了核酸扩增的中心概念，即通过极微量的DNA，可以以几何倍数复制到可观的数量，从而对事物原本的样貌进行还原。 　　基因技术的不断进步正在缩短现实与幻想的距离。在现实中，美国生物化学家穆里斯1985年发明的聚合酶链式反应（下称PCR，即Polymerase Chain Reaction））技术便是突破的一步。其原理是通过高温打开DNA双螺旋结构，使双股DNA链分离成单股，再用聚合酶让其复制，待温度降低后，互补的单股又可自行配对，重新形成双股。这一过程重复若干次之后，可将原核酸数量扩增几百万倍。 　　该技术的发明者穆里斯因此获得了1993年诺贝尔化学奖。到2013年，PCR已发展到了第三代技术。但是，PCR流程的特点，也决定了它的局限性。 　　其一，由于复制过程对温度控制的要求极其严苛，需要在极短时间内达到精准温度，必须通过大型仪器设备来完成，这使PCR技术很难&ldquo 走出&rdquo 实验室。其二，基于PCR对仪器设备的依赖，为求结果精准，对实验室及设备的管理和维护也造成很大负担，如果发生样本交叉污染，错误的检测结果也会被放大呈现。 　　在1995年的美国&ldquo 辛普森杀妻案&rdquo 中，PCR技术的这些弊端就使得在案件现场发现的辛普森DNA样本无法成为给其定罪的有效证据。法庭上，辩方律师提出不该使用PCR法进行DNA血液检验，理由是从被告辛普森身上抽取作为参照的60毫升血液样本在操作流程中被发现缺少了10毫升-12毫升，该部分很有可能对从现场采集的PCR检测样本造成了污染，进而影响检测结果。 　　现在，一家名为优思达的公司所做的努力是设法让PCR走出实验室，摆脱对昂贵大机器的依赖，甚至可以在几分钟内看到结果。曾经因为对机器和实验室的高精度要求而无法在辛普森案中发挥作用的PCR技术现在有了更广阔的应用空间。它使得通过核酸扩增分子诊断进行的疾病筛查，在基层医院、现场环境下都可以应用。 　　8月18日下午，杭州优思达生物技术有限公司（以下简称&ldquo 优思达&rdquo ）与比尔及梅林达· 盖茨基金会（以下简称&ldquo 盖茨基金会&rdquo ）在杭州正式签署资助协议。此次盖茨基金会将为优思达提供为期3年共计1127万美元（约合人民币7000万元）的注资，支持其&ldquo 艾滋病病毒载量床边诊断技术&rdquo 和&ldquo 结核病分子检测技术&rdquo 的研发，并为其产品的生产和注册提供技术支持。这笔注资中的527万美元为无偿资助，另600万美元为财务投资，这也使优思达成为盖茨基金会在中国进行直接财务投资的第一家公司。 　　如同大型机和笔机本的区别 　　对于基因检测，优思达改变的是什么呢？ 　　首先，交叉引物恒温核酸扩增技术，其反应体系可在恒温条件下运行。扩增的理想反应温度在58摄氏度左右，且上下几度的温度浮动并不会影响结果，整个反应甚至在一个保温杯里就可以完成。 　　其次，其反应容器是一个只有烟盒般大小的塑料检测盒，再加上一个浴锅、注射器、振荡器、计时器，就可满足整个检测的器材要求。便于携带，加上无须冷链可常温运输的玻璃化反应试剂，使得基于DNA扩增的分子检测技术，得以走出实验室。值得注意的是，该检测盒是一种一次性装置，如此就规避了交叉污染的风险。 　　更重要的是，由于器材便于携带，检测可在现场完成，受验人当场就能知道结果。检验结果最快能在1-2分钟内呈现，最慢不超过2小时。而传统的PCR办法，需要将采集到的样本集中，再送至实验室批量处理，等受验者拿到结果，往往已是几天后了。如果受验者患有传染病，很可能导致错过最佳隔离时期。 　　真正让核酸扩增分子检测能够&ldquo 到基层去&rdquo 的，是它的成本。优思达的投资方之一&mdash &mdash 君联资本的合伙人蔡大庆告诉记者：&ldquo 优思达的试剂和检测盒成本只要几十块钱，浴锅也是几十块，一台振荡仪最多1000块。1000多块钱，就可以配齐全部设备。而传统的PCR监测机器，价格却要上万元。&rdquo 　　这些特点，使优思达的检测手段相较于传统PCR技术，更适合在位置偏远、经济医疗条件落后的基层区域使用。目前，优思达的第一代产品已经在印尼、菲律宾等地销售。而且，正如公司创始人尤其敏所言：&ldquo 我们真正在做的，不是制造一个检测盒或发明一种试剂，也不是针对某种疾病检测的研究。我们的核心竞争力是在经过大量试验后设计出的核酸反应体系，该体系成为一种平台，在此平台上我们能做进一步研发，检测出更多疾病。&rdquo 盖茨基金会也正是看中了优思达技术在解决&ldquo 第三世界&rdquo 传染病检测问题的前景，才对优思达第二代产品进行投资。 　　不过，优思达产品的这些优势，并不能让其完全取代传统的PCR技术。目前的优思达平台仍局限于结核病、艾滋病、性病等少数传染病的检测。且得到中国国家食品药品监督管理总局（CFDA）批文可投入量产的仅有结核病一项。相比较PCR技术的多用途、大批量，优思达还有很长的路要走。 　　用蔡大庆的话来形容：&ldquo 并不是说谁能替代谁，如果传统PCR技术是IBM大型机，那么优思达的核酸扩增就是笔记本电脑，两种东西都有需求。&rdquo 凑出来的1000万启动资金 　　优思达总部和生产基地均位于杭州滨江高新区，公司已经建立了多个快速分子检测技术平台，其中包括SNP/基因突变检测技术平台和临床鉴别诊断检测技术平台，基于这些平台，优思达开发了多种新型快速分子诊断试剂盒。 　　公司创始人尤其敏生于1954年的温州。同那个时代的大多数人一样，经历了上山下乡。16岁那年，尤其敏来到大兴安岭，加入铁道民兵部队一起修 铁路。高考恢复那年，小学没毕业的尤其敏考上了佳木斯医学院。毕业后曾在大庆油田卫校教过书。后来，尤其敏拿到加拿大维多利亚大学全额奖学金攻读博士，后 又到美国宾夕法尼亚大学攻读博士后。 　　自1995年以来，尤其敏先后在BD公司（Becton Dickinson & Co.），摩托罗拉公司（Motorola）生物芯片部和优创公司（Xeotron Corporation）工作，他是11项已批准的美国专利和33项世界专利的发明人。 　　2003年，尤其敏回到中国，加入以基因测序技术著称的华大基因公司，怀揣着从DB公司就已萌生的将核酸恒温扩增技术做成普及型产品的想法，尤 其敏带领一个小团队开始研发工作。但由于其研发项目与华大基因主营的基因测序业务方向不一致，尤其敏不久后就带领其团队从华大基因独立了出来。离开时，华 大基因还给了尤其敏100万元的经费。 　　但就在尤其敏准备注册公司的时候，这100万元的启动资金也用完了。无奈之下的尤其敏来到了他的老家温州，找到了当年一起在大兴安岭的同伴。这 群昔日的小伙伴大部分都已回到温州工作，虽然不是富翁，也有一点积蓄。他们听了尤其敏的情况后，对他说：&ldquo 我们下乡的180人，就你一个海归博士，不能让 你轻易回美国。我们凑一笔钱给你创业，如果失败了你尽管回美国，钱不用还。&rdquo 　　就这样，尤其敏带着伙伴们的信任和凑到的1070万元，于2005年1月跟他的搭档胡林在杭州注册成立了优思达。之后的五年时间里，尤其敏带着团队花光了几乎所有的钱，在2010年完成了技术平台的开发。 　　尤其敏的夫人回忆当时的情况：&ldquo 当时账户里就剩十几万了，眼看着工资都发不下去，我每天担心得睡不着觉，但他（尤其敏）还跟没事儿一样照吃照睡。&rdquo 　　然后优思达迎来了它的A轮&mdash &mdash 来自浙江瓯信基金的2200万元的投资。之后，君联资本、软银赛富等更大的投资机构相继加入。2011年，优思达 在盖茨基金会与加拿大相关机构合作的&ldquo 大挑战&rdquo 评比中，从全球250多个项目里脱引而出，获得无仪器样本处理方法和交叉引物恒温扩增技术二项创新诊断技术 的研发资助。之后，才有了盖茨基金会的进入。 　　尤其敏告诉记者，随着投资的不断增加，公司暂时不会考虑营利，资金将被进一步投入到产品研发中。&ldquo 我们计划的下一步，就是从此次资助里拿出2000万元，为二代产品建造厂房。&rdquo 尤其敏说。

p 　　近日，国家自然科学基金委员会化学科学部在北京召开了2017年度“科学仪器基础研究专款”项目结题验收会。唐波教授作为山东师范大学获批的首个科学仪器基础研究专款项目“适用于单细胞内活性小分子物种检测的荧光分析仪”的负责人参加会议，并进行结题汇报。 /p p 　　该项目在以活性小分子为重点对象的新型荧光探针研究的基础上，以设计的多功能微流控、单细胞分析芯片、双激光诱导荧光三色检测以及信号采集与系统控制等关键技术为单元模块，研制出了适用于单细胞内活性小分子物种检测的荧光分析仪 建立了单细胞内浓度差别大的多种重要小分子(活性氧、活性氮、巯基化合物、金属离子等)的同时定量检测新方法，获取了单细胞内这些活性小分子的含量、水平变化与细胞分子事件的相关性信息。 /p p 　　项目研制的仪器，解决了目前商品化荧光光谱仪不适应单细胞、激光共聚焦与流式细胞仪难以准确定量单细胞内活性小分子的不足，为单细胞分析、小分子检测等领域提供了一种重要的科学仪器。项目建立的分析方法，突破了难以同时获取单细胞内多种重要小分子定量信息的瓶颈，将在单细胞水平上为活性小分子相关的生理病理机制研究提供一种全新的分析方法。项目执行期间发表SCI论文74篇，总引用1676次 申请发明专利14件，授权5件 研究成果获得省部级奖励2项，并在人才培养方面取得了显着成效。 /p p 　　验收专家组听取了项目负责人的汇报，审阅了相关资料，观看了研制仪器核心部件及仪器正常工作状态的录像，经质询、评议，认为该项目研究工作全面完成了研究计划，取得了突出进展，以综合评价优秀的优异成绩通过验收。 /p p br/ /p

质谱仪因其准确的定性和定量能力，在科学仪器领域占据的地位越来越重要，被公认是近年来发展最快的分析仪器之一。据仪器信息网统计，目前国际排名前十的仪器厂商中有五家在从事质谱仪的生产 自2006年起，到目前为止已有超过40家国产企业开始涉足商业化质谱仪的生产。2023年伊始，让我们来看看顶级分析化学家、质谱专家都看好哪些质谱技术和热点研究方向。(点击了解：2023年质谱行业风向标)　　上一篇著名质谱学家Graham Cooks教授谈到蛋白质质谱技术与离子淌度质谱技术具有巨大的发展潜力，并看好液滴化学反应领域的科学研究发展(点击了解)。本文中，美国印第安纳大学化学系特聘教授 David Clemmer 讨论了电荷检测质谱、电喷雾电离以及分析科学在解决环境问题中必须发挥的作用等内容。　　美国印第安纳大学化学系特聘教授 David Clemmer曾荣获2006年和2018年荣获美国质谱学会的Biemann奖章，以表彰他将离子迁移率分离与多种质谱技术相结合所做出开创性的贡献，Clemmer教授开发了用于离子迁移质谱(IMS / MS)的新型科学仪器装置，包括研制第一台用于嵌套离子迁移飞行时间质谱的仪器设备。此外，Clemmer教授还与共同获Biemann奖章的Martin Jarrold教授成立了专攻电荷检测质谱技术(CDMS)的初创企业——Megadalton Solutions，该公司也于2021年被全球著名的质谱仪器公司Waters收购。　　Q：过去 10 年分析科学领域最重要的科学发现?　　Clemmer：低温电子显微镜 (cryo-EM) 广泛应用于大型复杂分子成像，其分辨率接近原子尺度，例如完整的病毒，这是革命性的技术进步，并且该技术在过去十年中已成为分析研究工作中的常规工具。现在，我们可以直接看到分子结构细节，并且随着仪器技术的灵敏度越来越高，生物分析化学研究也取得了显著的进步，尤其是在基因组表达分析方面。我们有能力观察小分子和脂质，我们可以看到正在发生的状态(脂质和小分子)，最近发生了什么(蛋白质和基因表达)，以及是什么导致我们观察到的现象(遗传学)。这些因素可以非常快速地测量，并且在某种程度上什至可以在单个细胞中测量，从而为理解活生物体开辟了一个新的范例。　　另外，最近验证微滴表面的快速反应也是革命性科学发现。Graham Cooks(普渡大学)、Richard Zare(斯坦福大学)、Xin Yan(德州农工大学)等提出了界面反应可以发挥极其重要作用的科学设想——我们从来不知道这些反应有多快、有多有效，而且液滴化学反应在其他科学领域同样具有变革潜力。　　除此之外，Martin Jarrold(印第安纳大学)和 Evan William(伯克利)的实验室取得了另一项具有变革潜力的进展，他们的团队一直在开拓电荷检测质谱法，使各种分子的质量测量成为可能。马丁和我基于能够快速确定超过 10 兆道尔顿范围的质量的电荷检测质谱技术创立了 Megadalton Solutions。该技术与 Orbitrap上的电荷感应不同，Orbitrap 上只能测量离子群的部分电荷，Martin的仪器通过迁移管来回输送大质量的离子，这样大分子和粒子的全部电荷就会作为一个独立的信号被感应出来，这允许确定每个离子的确切电荷，并且当结合质荷比测量时，可以确定每个离子的质量。我们与印第安纳波利斯校区的 Subhadip Ghatak 小组合作，一直在测量与伤口相关的外泌体和囊泡的质量，这些囊泡的分子量在数十到数百兆道尔顿范围内 这些测量结果为伤口液中存在于细胞外的其他未知细胞器提供了证据。它们为什么会被排泄?他们为什么在那里?能够对如此大的分子进行质量测量的新仪器的存在使我们能够开始解答这些问题。　　关于电荷检测质谱技术，仪器信息网曾做过专题报道，详情了解。　　Q:您能否详细说明为什么您认为微滴表面的快速反应是革命性的?　　Clemmer：你认为足够了解水的性质，直到你开始看到其中的一些反应。事实证明，许多不同类型的反应在这些界面处被加速到难以想象的程度。我们需要数小时甚至数天才能在烧杯中完成测量100 多年前发现的三组分缩合Bignelli 反应。目前我们的成果还未发表，但液滴中的反应非常有效，我们的结果表明，即使是液滴中三种成分中的每一种的单个试剂分子也可以在液滴的整个生命周期内凝结成产品，反应最多只有几毫秒。液滴化学反应可能在几微秒内发生，但它在液滴中只有三个试剂分子的可能性。从化学的角度来看，通过将分子数量控制到单个试剂分子与容器中的另一个分子(在本例中为液滴)结合来控制反应是不可想象的。　　我经常认为，测量仪器一旦发明，在某种程度上就被视为理所当然，往往是基于仪器技术开展的应用研究会获得最大的关注。所以我呼吁关注促进过去几十年科学进步的分析科学家们发现工作，希望他们都能受到赞扬!　　Q: 你认为分析科学家通常会得到他们应得的荣誉吗?　　Clemmer：我认为分析化学家，尤其是那些参与推进创新的化学仪器的分析化学家都过谦了。例如，当对人类基因组进行测序时，大部分功劳都归功于生物学家，他们可能无法使用标准技术对人类基因组进行测序。但这确实是 Jim Jorgensen(北卡罗来纳州)、Norm Dovichi(巴黎圣母院)等研究学者的开创性工作，他们率先加快了这一进程。现在仪器灵敏度、电离方法和分辨率都取得了进步，我们有可能考虑下一步。寻找脂质中的双键是一件棘手的事情，但分析化学家正在努力推进技术进步，这将对我们开展细胞研究产生重大影响。　　Q:回顾过去 10 年，哪些商业化技术脱颖而出，特别具有创新性?　　Clemmer：我们确实编写了 IMS-TOF (离子淌度-飞行时间质谱)专利，该专利也已被纳入商业仪器，比如沃特世公司已经取得了这些专利技术的许可。Dick Smith 已将 IMS 引入 SLIMS 以获得真正高分辨率的离子淌度测量。布鲁克取得了一项名为TIMS的离子淌度技术，并打造了一种高分辨质谱仪器。当然，Makarov(Thermo)的 Orbitrap 为 Marshall(佛罗里达州立大学)使用高场磁铁进行的革命性和创造性的 FTMS 测量提供了一种简单的方法。(仪器信息网曾制作离子淌度质谱技术专题，点击了解)　　但我发现自己还是最容易被新兴的创新所吸引，例如，Scott McLuckey(普渡大学)的离子-离子反应研究工作让我感到惊讶，这些测量技术具有直接的商业价值，因为它们能够分散和解析否则无法解析的离子。在接下来的十年里，真正的创新可能会出现在一些意想不到的化学反应中。例如，亨特小组开创的广泛使用的电子转移解离方法是一种由负离子与正离子相互作用而产生的新化学。不仅如此，我认为因固相肽合成而获得诺贝尔奖的 Bruce Merrifield 会惊讶地发现 McLuckey 的团队正在质谱仪内以毫秒为单位合成分子。我也很期待看到新策略(例如 AI 方法)如何利用离子分子反应的大量动力学和热化学数据，这些数据在过去四十年中获得并用于训练理论量子化学方法，这将会很有趣。　　Q:在过去的10年里，你有什么美好的回忆吗?　　Clemmer：我想当我第一次看到 Martin Jarrold 正在测量的乙型肝炎病毒的质谱时，真的让我大吃一惊，我简直不敢相信会在对应的质量下看到质谱峰!这真的让我感到惊讶，并让我重新评估什么是可能的。如果你看到过 Martin 和我们的同事George Ewing在大型水团簇上制作的宽阔的、有点难看的质谱图峰，您会感激这样的谱图能被观察到。他的团队现在已经展示了在 100 兆道尔顿范围内具有尖峰的腺病毒质谱图。我仍然对电喷雾电离的微小尖端所能做的事情印象深刻。我以前的一位同事莱恩贝克 (Lane Baker) 将一个纳米孔放在质谱仪前，真正开拓了这个领域。 令人尴尬的是，我当时没有意识到这个技术的突破会有多深远的影响。我认为这些小技巧对于捕捉分析样本非常有价值，因为这样的小液滴干燥和冷却的速度非常快。几周前，我和我的学生进行了粗略计算，结果表明小液滴的温度每秒下降超过106 度。这种热淬火速率与低温电子显微镜相似，在低温电子显微镜中，您将分析样本浸入液氮中，它们会以很快的速度冷却——从而可以保留物质结构。这表明许多微妙的、短暂的结构可以被电喷雾电离捕获。　　Q：您认为未来 10 年会是什么样子?　　Clemmer：我认为分析化学家还需要努力，更上一层楼，这十年面临着巨大的挑战。 例如，塑料问题，我们开始在所有东西中发现人造草皮——因为我们制造的这种材料在分解时会不断破碎成更小的碎片。另外，全球科学界还需携手联合解决如何储存碳，以及如何减缓燃烧化石燃料对环境的影响。虽然分析检测领域有一套独特的技能来解决其中的一些问题。但从化学家的角度来看，我们无法想象我们会燃烧这些奇妙的分子。化学家多年来一直致力于能量转移以及如何在分子之间来回传递能量，这些技术需要在全球范围内重新构想和应用。此外，我相信分析科学将在负责任的制造中发挥重要作用——重要的是我们要考虑我们使用的材料和产品可能对生命健康产生的影响。

p style=" text-align: center " img title=" 001.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201712/insimg/c0290159-fbc4-4ab5-91e7-f62c88308bf5.jpg" / /p p 　 strong 　新闻事件 /strong /p p 　　昨天基因泰克宣布将与DiCE Molecules合作开发小分子药物。DiCE的技术平台是DNA编码化合物库(DEL)合成、指导演化、组合化学的复合体，从几亿到上十亿的化合物开始、利用独特优化系统号称可以为任何靶点找到类药配体。这个合作主要研究现在公认的非成药靶点。根据协议，DiCE将获得一定首付和各种里程金，但具体金额都没有公开。 /p p 　　 strong 药源解析 /strong /p p 　　DiCE 是斯坦福大学Pehr Harbury教授于2013年创建的新技术公司，主要利用DEL技术搜索化学空间，为困难靶点寻找小分子配体。去年已经与赛诺菲签订了5年、最多12个靶点的合作计划，获得5000万首付和潜在每个靶点1.8亿各种里程金(总额可达23亿)。昨天是第二次与大药厂合作。 /p p 　　第一代DEL只是用DNA作为一个条形码记录每个化合物的合成历史。这与其它条形码、如不同长度的烷烃没有本质区别，但因为DNA可以通过PCR放大所以反应可以用很少量反应物、因此DEL库可以非常大，上10亿的库并不困难。后来David Liu等人利用DNA的互补双链不仅标记反应物、还可以作为模板控制哪些反应物参加反应。Liu创建了Ensemble并与多家大药厂合作开发困难靶点药物，但今年宣布解散。DEL到目前为止最大的成功据我所知是葛兰素的RIP抑制剂。这个发现不仅利用了DEL，而且还有很多其它最前沿的药物化学技术，值得大家学习一下(这里)。找到的RIP抑制剂选择性和其它性质在激酶抑制剂里确实非常优秀。 /p p 　　DiCE的平台虽然细节很少，但号称是加上筛选压力和遗传变异机制。选择压力比较容易想象，所有筛选平台都要找到个别“适者”、多数情况下就是与靶标蛋白结合的化合物，然后淘汰绝大多数不合时宜的化合物。DiCE的平台是多轮DEL合成。所谓遗传大概是指保留苗头化合物的需要性质，变异则应该是改变分子的某个模块。和天然蛋白只有20个氨基酸不同，DEL的模块可以远远多于20个。这个过程也可能重复合成第一代化合物库里面已经包括的化合物，但更系统的SAR可以增加筛选准确性(去除假阳性、回收假阴性)。 /p p 　　DEL可以在更广阔化学空间更高效筛选先导物，但适合DEL的化学反应是有限的、每个化学反应可以买到的起始原料是有限的。DEL涵盖的空间很大、但对寻找新药不一定最重要。虽然很多技术号称可以合成天然产物类似物，但多数只能合成简单的分子类型，DiCE似乎还只能合成多肽类似物。当然更重要的障碍是筛选压力(即优化系统)。优化指标现在还基本是一本糊涂账，我们即不知道哪些性质候选药物需要有、也不知这些万里挑一的化合物有哪些致命隐私。对于抗体药物选择性可以比较可靠地假设已经合格，但小分子药物城府要深得多，经常在关键时刻才交代脱靶活性。虽然GSK的RIP1抑制剂说明DEL可能非常有用，但Ensemble的倒闭也说明DEL也只是诸多技术中的一个。 /p p /p

DNA序列中稍有变异就会对身体产生深远的影响。现代基因组学研究已经表明，只要一个突变就占领了决定是否成功治愈一种疾病还是使该病猖獗地蔓延到全身各部位的制高点。 　　研究人员通过一种新的方法检测特定DNA片段，找出单一突变位点，从而帮助疾病(如癌症、肺结核)的诊断和治疗。DNA序列中这些微小变化是导致疾病或某些传染性疾病具有抗生素耐药性的根源所在。 这项最新的研究结果已经发表在《自然化学》杂志上。 　　&ldquo 相较之传统的检测方式，我们的方法的确有所改善。它不需要任何复杂的反应或添加一些活性酶，唯一使用的就是DNA。这就意味着该方法对温度变化及环境变量的敏感性很低，极适合低资源配置下的诊断应用。&rdquo 华盛顿大学的电气工程和计算机科学与工程系助理教授 Georg Seelig说。 　　随着基因组学研究的发展，人们深知哪怕仅有一对碱基对发生变化(突变、插入或删除)都会引起重大的生物学后果。基因位点的突变也可用来解释疾病的发生或某些疾病产生抗生素耐药性的原因。 　　&ldquo 以肺结核为例，其对抗生素的耐药性往往是由于特定基因的少数序列发生突变引起，如果某位患者对治疗肺结核的抗生素产生耐药性，证明很可能存在某个位点的突变。&rdquo Georg Seelig说。现在，研究人员有能力做到检查该突变的可预见性。 　　Seelig、莱斯大学的 David张和威斯康星大学的电气工程学博士Sherry 陈设计了一组探针，可检测目标DNA片段中单一碱基对的突变。该探针可详细检测DNA长序列中的某些突变片段，范围达到200碱基对，而当前的基因突变检测方法其范围仅能达到20个碱基对。 　　测试探针与怀疑突变的DNA序列绑定在一起，研究人员首先创建一个免费的双螺旋DNA分子，将分子混合于含盐水的试管中，如果碱基对完好无损，双链DNA会采取配对原则结合在一起。相对传统技术而言，新的分子检测探针可检测目标DNA双螺旋链的特异突变，而不是单一的仅一条链，这也解释了该探针的特异性所在。如果分子探针和目标DNA 达到最大匹配度，将发出荧光。如果探针没有发射荧光，意味着目标DNA没有与其达到最佳匹配度，即发生了突变。 　　研发人员已为该技术申请了专利，并希望它能够应用于疾病的诊断与测试。

p 　　1月8日，2018年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂隆重举行。复旦大学化学系教授周鸣飞领衔项目“瞬态新奇分子的光谱、成键和反应研究”荣获国家自然科学二等奖。 /p p 　　该项目专注于通常条件下不能稳定存在的瞬态分子物种。利用自行研制的具有世界先进水平的分子光谱探测仪器，结合量子化学理论计算，项目首次确定元素周期表中元素可以形成的最高氧化态为+Ⅸ价 发现硼-硼三重键(B≡B)及主族元素?-?配键 并观察到一系列全新瞬态反应中间体。项目成果丰富了人们对化学键的认知，为相关分子物种宏观合成提供了新思路。 /p p 　　清华大学李隽教授，复旦大学化学系王冠军、陈末华副教授，中国科学院上海应用物理研究所龚昱研究员同为该项目主要完成人。项目得到国家重点基础研究发展计划(973计划)和国家自然科学基金等资助。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201901/uepic/e12a2aea-9733-4952-b9e1-8cb3f14e4c71.jpg" title=" 1_副本1.jpg" alt=" 1_副本1.jpg" / /p p 　　 strong 证实+Ⅸ氧化价态： /strong /p p strong 　　“改变教科书的内容” /strong /p p 　　“这一发现为许多工业化学反应开辟了新的可能性，更新了成键规则，改变了教科书的内容。”(“The finding opens new possibilities for myriad industrial chemical reactions as well as rewriting the rules of bonding. It changes all the textbooks”)《科学新闻》杂志曾如此评论该项目中发现铱元素+Ⅸ氧化态的研究工作。 /p p 　　氧化态是化学中常用的基本概念之一，亦是门捷列夫发现元素周期律的重要基础。它是元素的固有性质，能够反映元素在化合物及反应过程中得失电子的能力。100多年来，实验已知所有化学元素最高氧化态为+Ⅷ价，直至四氧化铱正离子([IrO4]+)将之改写。 /p p 　　尽管具有9个价电子的过渡金属元素铱(Ir)曾被推测最有可能存在高于+Ⅷ价的氧化态，一直以来，实验已知含铱化合物中铱的最高价态却仅为+Ⅶ价。确认铱元素亦可以如钌、锇和氙一般形成稳定的+Ⅷ价态化合物，是周鸣飞等项目研究者的探索起点。 /p p 　　采用脉冲激光溅射方法产生金属铱原子并和氧气分子反应, 研究者们在惰性氩基质中顺利制备得到中性四氧化铱分子。红外吸收光谱实验结合量子化学理论计算证明该分子具有所有IrO4异构体中最稳定的D2d结构，其中铱具有d1电子组态，处于+Ⅷ氧化态。 /p p 　　在此基础上，项目组利用自主发展建立的基于串级飞行时间质谱技术的高灵敏红外光解离光谱实验装置，通过对脉冲激光溅射-超声分子束载带技术制备的贴附了 1-4 个氩原子的气相四氧化铱正离子络合物的红外光解离光谱研究，实验证实气相四氧化铱离子具有正四面体构型，其中铱具有d0电子组态，处于+Ⅸ价态。 /p p 　　从+Ⅷ价态到+Ⅸ价态，化学元素最高氧化态的刷新，令该项研究在2014年10月顺利发表于《自然》(Nature)杂志。美国化学会《化学与工程新闻》(Chem.& amp Eng. News)杂志亦将之评为2014年度十大化学研究。 /p p 　　据周鸣飞介绍，稳定的高氧化态化合物时常被用作工业反应中的氧化剂和催化剂。若能够找到[IrO4]+离子的宏观合成方法，一些重要的氧化和催化反应应用或有望得到开发。 /p p 　　 strong 发现硼-硼三重键： /strong /p p strong 　　为零价或低价主族化合物的宏观合成提供新策略 /strong /p p 　　通过硼原子与一氧化碳分子反应的方法在低温惰性气体基质中首次制备得到的OC-B≡B-CO分子是该项目取得的又一项重要成果。 /p p 　　尽管在元素周期表中与碳相邻，因价电子数少于价轨道数而被称为缺电子原子的硼却有着与碳截然不同的成键特性，容易形成缺电子多中心键，很难形成多重键。然而OC-B≡B-CO分子却有些“一反常态”：它具有B≡B三键特性，表明硼是继碳和氮元素之后，可以形成三键的第三个主族元素。 /p p 　　作为一个线性单重态分子，OC-B≡B-CO分子的B-B键键长较之典型B=B双键和B-B单键都要短。成键分析表明，B-B之间包含一个?键和两个?键，B2单元和两个CO配体之间通过类似过渡金属羰基化合物的?-?配键方式结合。这一结果表明过渡金属配位化合物的?-?配键理论可以推广到主族化合物体系，从而为零价或低价主族化合物的宏观合成提供了新策略。可喜的是，采用同样的配位成键策略，德国维尔茨堡大学教授不伦瑞克(Braunchweig)等人利用比CO更大的有机卡宾配体成功合成了室温条件下稳定的具有B≡B三键特性的NHC-B≡B-NHC化合物分子，相关结果于 2012年发表于 《科学》(Science)杂志。在其引文中提到，正是周鸣飞等项目研究者的发现“激起了一阵风似的对B≡B三键分子的理论研究。”(“This finding prompted a flurry of theoretical studies of molecules with B-B triple bonds.”) /p

p style=" text-indent: 2em " 北京时间5月24日凌晨，北京软物质科学与工程高精尖创新中心、北京化工大学生命学院冯越教授研究组在 strong i Nature /i /strong 在线发表了题为 span style=" color: rgb(79, 129, 189) " i Structural basis of ubiquitin modification by theLegionella effector SdeA /i /span 的研究长文(Article)，报道了 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 嗜肺军团菌内一种新型的泛素修饰与连接酶——SdeA及其与泛素复合物的晶体结构，揭示了其修饰泛素及催化新型泛素化过程的工作机理 /span 。这是北京化工大学历史上首篇发表在 strong i Nature、Science、Cell /i /strong 三大国际顶级学术期刊主刊的研究论文。 /p p style=" text-align: center " img title=" 1.jpg" style=" float: none " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/dbfb3a2a-d837-40e3-9ed6-2700d7be0684.jpg" / /p p 　　泛素化是泛素在特定酶的作用下，对底物蛋白进行特异性修饰的过程，几乎参与一切生命活动的调控，与肿瘤、心血管等疾病的发病也密切相关【1】。常规的泛素化过程是由E1、E2、E3三个酶的级联反应催化的，最终将泛素蛋白转移到底物的赖氨酸残基上【2】。然而，美国普渡大学罗招庆研究组在2016年的 i strong Nature /strong /i 文章中报道，嗜肺军团菌(嗜肺军团菌是一种条件性致病菌，引起人的以非典型性肺炎为主要症状的军团菌病，该菌通过其Dot/Icm IV型分泌系统输送超过300个效应蛋白到宿主细胞内，改变宿主的多种信号通路以构建其在宿主内的最适生长环境)中以SdeA为代表的SidE家族可以通过一种全新的、完全不同于经典泛素化的方式修饰泛素，并催化其对几种内质网相关蛋白的泛素化过程，实现all-in-one的泛素化模式【3】。紧接着，在2016年底，Ivan Dikic研究组报道了对该反应过程的进一步研究，明确了SdeA的mART和PDE结构域经过两步催化反应最终完成对底物的泛素化过程【4】。在该过程中，泛素第42位的精氨酸先在mART结构域的作用下被修饰成ADP核糖基化泛素。随后，该修饰形式的泛素在PDE结构域的作用下生成磷酸核糖基化泛素，并转移到底物或SdeA自身的丝氨酸残基上。此外，罗招庆实验室的另一项工作证明SidJ具有去泛素化功能以逆转由SidE家族蛋白对底物的修饰，其活性不依赖于活性的半胱氨酸残基【5】。 br/ /p p 　　巧合的是，在Ivan Dikic组Cell文章在线发表的同一天(2016年12月1日)，冯越研究组获得了SdeA核心区231-1190区域的初步结构信息(图1a)，确认了SdeA中mART和PDE组成活性中心，C端结构域形成scaffold的基本结构组成方式(图1b)。通过结构分析和功能实验，冯越研究组发现，与PDE结构域自身即具备催化活性(即可以以ADP核糖基化泛素作为底物催化该新型泛素化反应)不同的是，mART结构域则需要PDE结构域的稳定作用才能维持正常的活性。在维持mART活性的结构要素中，mART结构域一段伸到PDE结构域中的loop(789-797段氨基酸)发挥了重要功能，在该文章中被命名为“Plug” loop。随后，冯越研究组又进一步获得了该区段SdeA与泛素复合物、及与泛素-NADH复合物的晶体结构，从而揭示了泛素与mART结构域的结合模式。 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 在二者结合的过程中，mART结构域的ARTT和PN loop，以及α-helical lobe均发挥了重要作用 /span (图1c)。而泛素分子中参与结合的则主要是其C端区域，尤其是泛素的R72和R74两个氨基酸分别结合到mART结构域表面的两个带负电的凹槽中(图1d)，起到最关键的锚定作用。这两个氨基酸的单突变均可使得泛素失去被SdeA的mART结构域修饰的能力。 /p p style=" text-align: center " img title=" 2.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/ecdeddf9-3bc8-480c-94b1-0a95e6a21c9d.jpg" / /p p style=" text-align: center " 图一& nbsp /p p 　　在SdeA mART和泛素-NADH复合物结构中，最令人吃惊的一点在于，R72要比被修饰的R42更靠近活性中心(作为亲核基团的R42的ε氨基N原子距离作为亲电基团的NAD+中与烟酰胺基团相连的核糖C1原子之间的距离为11.7埃)。从直观上看，这与R42被mART修饰是相矛盾的。经过查阅文献，冯越研究组发现部分mART蛋白的催化机制被认为是SN1反应，即烟酰胺基团会先从NAD+中脱离，使得NAD+转变为活性中间体(oxocarbenium cation intermediate)，之后发生亲核攻击反应。受此启发，冯越研究组将复合物结构中的NADH替换成该活性中间体，并对该体系进行了分子动力学模拟。其结果显示，R72在模拟过程中远离了活性中心，而R42则进入活性中心并占据了之前R72所在的位置，最终使得R42的亲核基团和NAD+的亲电基团之间的平均距离缩短至4.46埃。 br/ /p p 　　文章的最后部分还对SdeA的C端结构域的功能进行了研究，通过体外pull down和凝胶过滤层析实验，冯越研究组证明了SdeA的C端结构域结合IcmS-IcmW蛋白复合物，并且其1191-1350区域可与IcmS-IcmW及DotL的C端形成四元复合物。这表明 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " SdeA的C端结构域可能在SdeA转移到宿主细胞的过程中发挥功能 /span 。 br/ /p p 　　 strong SdeA是目前为止世界上首个鉴定出的新型泛素连接酶，其与泛素复合物结构的解析揭示了一种全新的泛素化结构机理 /strong 。由于哺乳动物也含有类似结构，同时其他细菌可能也具有类似的、尚未发现的泛素化系统，所以在未来，该研究将帮助鉴定出其它新型泛素化系统，从而丰富我们对细胞生命过程的认知 同时，嗜肺军团菌是军团菌肺炎这一潜在致死性肺炎的致病微生物，SdeA的结构解析也为设计针对该家族蛋白的小分子抑制剂，作为治疗军团菌肺炎的潜在抗生素奠定了重要基础。 br/ /p p 　　据悉，北京化工大学硕士研究生 strong 董亚南 /strong 、 strong 穆雅娟 /strong 、 strong 解永超 /strong 及清华大学博士研究生 strong 张玉鹏 /strong 依次为本论文的共同第一作者， strong 冯越 /strong 教授为本文的通讯作者， strong 北京软物质科学与工程高精尖创新中心 /strong 及 strong 北京化工大学 /strong 为第一完成单位。 /p p style=" text-align: center " img title=" 3.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/bd22f066-6d36-42e6-8e93-c7244d62eb5c.jpg" / 　 /p p style=" text-align: center " 冯越教授课题组合影 /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 80) " BioArt后记：冯越研究组的这篇文章是与Ivan Dikic研究组和美国康奈尔大学的Yuxin Mao研究组一起以back-to-back的形式共同向Nature投稿的( span style=" color: rgb(127, 127, 127) " 2017年9月24日投稿，2018年3月28日接收 /span )。在这三篇文章中，冯越研究组以mART结构域为主要研究对象，而另外两个研究组的重点则是PDE结构域。在三篇文章投到Nature四个多月后，中科院生物物理所高璞组将SidE家族的另一蛋白SidE的结构功能研究投稿到Cell杂志，该文章也于日前发表( span style=" color: rgb(79, 129, 189) " Cell丨高璞组揭示新型泛素化修饰的作用机制——胡荣贵、王丰点评 /span )。值得一提的是，在这四篇文章中，冯越研究组报道的结构所包含的SidE家族蛋白的长度是最长的，同时该文章也是四篇文章中最早接收的。 /span /p p style=" text-align: center " & nbsp img title=" 4.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/7f148278-a4e4-4914-a656-49f2a40ebdae.jpg" / /p p style=" text-align: center " Nature同期发表的Ivan Dikic研究组和Yuxin Mao研究组的研究论文 /p p span style=" color: rgb(192, 0, 0) " 冯越教授简介： /span /p p style=" text-align: center " 　　 img title=" 5.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/43fed980-f71b-488b-9b41-08880433a4b5.jpg" / /p p 　　冯越，1985年生，辽宁锦州人，教授、博士生导师。2013年7月博士毕业于清华大学结构生物学中心，经高层次人才引进进入北京化工大学生命科学与技术学院工作，主要以蛋白质结构生物学为手段，对多酶生物分子机器及重大疾病相关蛋白质的结构与功能进行研究。共发表SCI论文23篇，其中第一作者或通讯作者论文11篇，分别发表在Nature (两篇，第一作者和通讯作者各一篇)、Nature Plants (通讯作者)、PNAS (共同第一作者)等国际著名期刊上。作为项目负责人主持国家及省部级项目3项，其中国家自然科学基金青年项目和面上项目各一项，北京市自然科学基金项目一项。 /p p span style=" color: rgb(192, 0, 0) " 参考文献 /span /p p 1. Hershko, A., A. Ciechanover, and A. Varshavsky, Basic Medical Research Award. The ubiquitin system.Nat Med, 2000. 6(10): p. 1073-81. /p p 2. Komander, D. and M. Rape, The ubiquitin code. Annu Rev Biochem, 2012. 81: p. 203-29. /p p 3. Qiu, J., et al., Ubiquitination independent of E1 and E2 enzymes by bacterial effectors. Nature, 2016.533(7601): p. 120-4. /p p 4. Bhogaraju, S., et al., Phosphoribosylation of Ubiquitin Promotes Serine Ubiquitination and Impairs Conventional Ubiquitination. Cell, 2016. 167(6): p. 1636-1649 e13. /p p 5、Qiu, J., Yu, K., Fei, X., Liu, Y., Nakayasu, E. S., Piehowski, P. D., ... & amp Luo, Z. Q. (2017). A unique deubiquitinase that deconjugates phosphoribosyl-linked protein ubiquitination. Cell research, 27(7), 865. /p

近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院理论与计算化学研究组副研究员宋宏伟与美国加利福尼亚大学伯克利分校教授Daniel M. Neumark团队、美国新墨西哥大学教授郭华合作，结合慢光电子速度成像光谱实验和量子动力学理论，获得了多原子分子反应过渡态区域目前最为完整的图像，对于剖析多原子分子反应的反应机理具有重要意义。 　　化学反应过渡态决定化学反应的基本特性。对于多数化学反应，反应过渡态的寿命非常短，实验观测非常困难，因此，直接观测反应过渡态被认为是化学研究的“圣杯”。共振态是反应体系在过渡态区域形成的具有一定寿命的准束缚态，为探索化学反应在过渡态附近的行为提供契机，因而可以通过研究共振态的结构与动力学揭示化学反应的微观机理。　　该研究结合慢光电子速度成像光谱实验和量子动力学理论，观测到多原子分子反应 F + NH3 → HF + NH2过渡态区域的多个振动Feshbach共振峰（图1）。共振波函数表明这些Feshbach共振态位于产物端势阱、过渡态和反应物端势阱等区域（图2），成因于单个或多个反应体系振动模式的激发。由于部分Feshbach共振态的能量高于反应物势能，因而可能影响化学反应的速率和量子态分布。本研究获得了多原子分子反应过渡态目前最完整的图像，表明过渡态光谱方法已具备探究多原子分子反应过渡态区域复杂动力学行为的能力。　　Feshbach共振态是特殊的量子动力学现象，其标记依赖精确的量子动力学计算。宋宏伟自2016年开始致力于开发计算五原子分子体系光电谱的理论方法，提出了高精度势能面的构建方法（J. Phys. Chem. A 126, 352 (2022)）和精确的量子动力学计算方法（Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 22298 (2021)），为标记实验光电子谱和理解多原子分子反应微观机理打下良好的理论基础。　　相关研究成果发表在《自然-化学》上。研究得到国家自然科学基金创新研究群体项目和面上项目的支持。实验测量与理论计算的F-NH3光脱附谱F-NH3负离子基态与不同Feshbach共振态波函数的分布

p 　　近日，中科院大连化物所研究员韩克利带领复杂分子体系反应动力学研究团队，在全无机钙钛矿光电探测器动力学研究中取得新进展。该研究团队发现全无机钙钛矿微晶激发态载流子存在快速扩散行为，以此制备出的光电探测器具有超高灵敏度和快速时间响应。相关研究成果发表在《先进材料》上。 /p p 　　光电探测器在信号处理、通讯、生物成像等领域发挥着重要作用。研究人员发现钙钛矿薄膜具有较高陷阱态密度，而基于钙钛矿单晶光电探测器的电荷收集效率很低。因此基于这些材料的光电探测器通常灵敏度较低，响应时间长。 /p p 　　该研究团队于2016年成功制备出有机—无机杂化钙钛矿微晶。在此基础上采用溶液法快速合成了具有较低缺陷态密度的全无机钙钛矿微晶。研究发现单光子激发的荧光衰减动力学依赖其发光波长，而双光子激发的荧光衰减动力学与发射波长无关。分析表明全无机钙钛矿微晶激发态载流子存在快速扩散行为。通过构建全无机钙钛矿微米尺度的光电探测器可以实现高效的电荷收集，该光电探测器具有超高的响应度，刷新了目前有报道的全无机钙钛矿光电探测器的最高值，而且可以同时实现单光子和双光响应。该工作为制备高性能光电探测器提供了新思路。 /p p /p

化学创造着千变万化的物质世界，在这其中每一个单分子起到基本的作用。传统化学和生物学研究大量分子参与的反应和变化。著名物理学家埃尔温薛定谔曾评论过：“我们从来没有用一个单电子、单原子或单分子做过实验。我们假设我们可以在思想实验中实现，但是这会导致非常可笑的后果。”观察、操纵和测量最为微观的单分子化学反应是科学家面临的一个长久科学挑战。针对这一挑战，浙江大学化学系冯建东研究员致力于发展跨学科的单分子测量方法和仪器，实现多维度的溶液体系单分子物理和化学过程观测、新现象研究和应用建立。近期，其团队发明了一种直接可以对溶液中单分子化学反应进行成像的显微镜技术，并实现了超高时空分辨成像。该技术在化学成像和生物成像领域具有重要的应用价值，允许看到更清晰的微观结构和细胞图像。北京时间8月11日，这项研究成果作为封面论文刊登在国际顶级期刊《自然》。论文第一作者为浙江大学化学系博士生董金润和博士后卢禹先；论文通讯作者为浙江大学化学系冯建东研究员。 浙大团队的研究对象是电致化学发光反应。电致化学发光是利用电极表面发生的一系列化学反应实现发光的形式。相比于传统的荧光成像技术，由于不需要光激发，电致化学发光几乎没有背景，是目前对于灵敏度有着很高要求的体外免疫诊断领域的重要手段，其在成像分析等方向也具有一定价值。目前，电致化学发光存在两个重要的科学问题，其一是微弱乃至单分子水平电致化学发光信号的测量和成像，这对于单分子检测非常重要。其二是在电致化学发光成像领域实现突破光学衍射极限的超高时空分辨率成像，即超分辨电致化学发光成像，这一点对化学和生物成像具有重要意义。3年来，冯建东团队致力于这两大难题的研究，通过联用自制的具有皮安水平电流检出能力的电化学测量系统以及宽场超分辨光学显微镜，搭建了一套高效的电致化学发光控制、测量和成像系统。首次实现了单分子电致化学发光信号的宽场空间成像；并在此基础上成功突破了光学衍射极限，第一次实现了电致化学发光的超分辨成像。这项单分子电致化学发光显微镜技术不需要光激发即可实现单分子超分辨成像，有望影响化学测量和生物成像领域的应用。 在时空隔离中达到单分子反应测量极限教科书上的化学反应都是以单分子形式进行概念描述，但传统实验中得到却是大量分子的平均结果。单分子实验是从本质出发解决许多基础科学问题的重要途径之一，是研究方法的质变。这也是化学测量学面临的一个极限挑战。电致化学发光过程中，为什么难以开展单分子信号的捕捉呢？这主要是因为单分子反应控制难、追踪难、检测难。冯建东介绍：“单分子化学反应伴随的光、电、磁信号变化非常微弱，而且化学反应过程和位置具有随机性，很难控制和追踪。” 图1：单分子电致化学发光信号的时空隔离和随机性。为此，浙大科研人员搭建了灵敏的探测系统，将电压施加、电流测量、光学成像同步起来，通过时空孤立“捕捉”到了单分子反应后产生的发光信号。“具体从空间上通过不断稀释，控制溶液中的分子浓度实现单分子空间隔离。时间上，通过快速照片采集，最高在1秒内拍摄1300张，消除邻近分子间的相互干扰。”博士生董金润介绍到。利用这套光电控制和测量平台，浙大科研团队首次实现了单分子电致化学发光反应的直接宽场成像。“由于不需要光源激发，这一成像的特点在于背景几近于零，这种原位成像将为化学和生物成像领域提供新的视野。” 在单分子空间定位中突破光学极限显微镜是物质科学和生命科学研究的重要研究工具，传统光学显微镜在数百纳米以上的尺度工作，而高分辨电镜和扫描探针显微镜则可以揭示原子尺度。“在这个标尺中，能够用于原位、动态和溶液体系观测几个纳米到上百纳米这一尺度范围的技术仍然非常有限。”冯建东提到，主要原因在于光学成像分辨力不足，受到光学衍射极限限制。为此，冯建东团队接着着手从时空孤立的单分子信号实现电致化学发光的超分辨成像。 受到荧光超分辨显微镜（2014年诺贝尔化学奖）的启发，浙大研究者利用通过空间分子反应定位的光学重构方法进行成像。这就好比当人们夜晚抬头看星星时，可以通过星星的“闪烁”将离得很近的两颗星星区分开一样。“化学反应的随机性，通过空间上的发光位置定位，再把每一帧孤立分子反应位置信息叠加起来，构建出化学反应位点的‘星座’。 ” 图2：单分子电致化学发光显微镜在微纳结构成像上的论证。 冯建东说，为了验证这一成像方法的可行性以及定位算法的准确性，团队通过微纳加工的方法在电极表面制造了一个条纹图案作为已知成像模板，并对之进行对比成像。单分子电致化学发光成像后的结果与该结构的电镜成像结果结构上高度吻合，证明了成像方法的可行性。单分子电致化学发光成像将传统上数百纳米的电致化学发光显微成像空间分辨率提升到了前所未有的24纳米。 图3：单分子电致化学发光显微镜固定（死）细胞成像。 研究团队进而将该技术应用于生物细胞显微成像，不需要标记细胞结构本身意味着电致化学发光成像对细胞可能是潜在友好的，因为传统使用的标记可能会影响细胞状态。团队进一步以细胞的基质黏附为对象，对其进行单分子电致化学发光成像，观察其随时间的动态变化。成像结果与荧光超分辨成像可以进行关联成像对比，定量上表现出可以同荧光超分辨显微镜相媲美的空间分辨率，同时该技术避免了激光和细胞标记的使用。 图4：单分子电致化学发光显微镜活细胞成像。 未来，这项显微技术将作为一项研究工具为化学反应位点可视化、单分子测量、化学和生物成像等领域提供新的可能，具备广泛的应用前景。在同一期上，《自然》期刊专门邀请了领域专家对这一突破性技术的前景进行了亮点评述和报道。 该研究受到了国家自然科学基金委（项目号：21974123）、浙江省自然科学基金委（项目号：LR20B050002）、中央高校基本科研业务费校长专项（项目号：2019XZZX003-01）和浙江大学百人计划的经费支持。

p 　　结构确认、生物分析、表征和质量控制方法等的研究是药物研发过程中的重要环节，这些研究必须尽可能准确、灵敏且具有选择性。在过去30年里，液相色谱和串联质谱(LC-MS-MS)技术一直是许多小分子药物分析的首选方法。在此期间，分析技术的高速发展为灵敏、可靠方法的开发提供了支持。但是当前制药/生物制药行业仍然渴求更强大的工具和更多样的方法，尤其是在市场上出现越来越多的大分子治疗药物的情况下。本文讨论了目前小分子及大分子药物生物分析过程中的问题，以及分析方法开发中的新趋势等。 /p p 　　液相色谱-质谱联用技术从上世纪90年代起即广泛应用于药物发现和研发实验室，因为这种技术有能力在含有成百上千种其他物质的样品中快速识别和量化低浓度化合物。LC-MS-MS技术在小分子药物的结构分析、ADME及生物分析研究中尤为重要。在化合物浓度不断降低的情况下，这项应用的难度在于对方法精确性和重现性的高标准要求。近年来，生物药物的发展非常迅速，这些大分子药物的分析也面临着一系列挑战，同时也推动了技术和方法的新进展。 /p p 　　 strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 小分子药物生物分析 /span /strong /p p 　　几十年来，药物开发人员一直在样本收集过程中使用生物分析手段来测定给定样本中药物的准确浓度。这些研究的准确性取决于分析方法以及实验室分析仪器的可靠性，所使用的方法及仪器应能够选择性、特异性地量化目标化合物。由于生物分析样本(如血浆、血液和其他复杂的基质)中经常含有高含量结构相关或非相关化合物，这一分析一直特别具有挑战性。这些因可能会导致亲缘试剂或其他不相关化合物共洗脱的交叉反应会影响实验的准确性和重现性。 /p p 　　多年来，为了应对这些挑战，人们开发了很多基于LC-MS-MS的方法，改善了药物定量实验的灵敏度、通量、准确性和重现性。一种常用的方法是在三重四级杆质谱系统中使用多重反应监测(MRM)技术来降低噪声，同时提高量化的选择性与准确性。最近这种方法已经扩展至MRM sup 3 /sup 技术，通过增加碎片化步骤而改善选择性。如今，三重四级杆质谱系统已被用于开发浓度低至pg/ mL的小分子药物的检测方法，且具有良好的重现性、线性范围和信噪比。 /p p 　　由于基质干扰，某些化合物在生物样品中特别难以分离，这可能会导致出现未分辨的峰或基线噪音过高，从而影响数据重现性、准确性和动态范围。通常，这这类问题可以是通过额外的样本处理过程或使用速度较慢的色谱来解决。然而，由于样品通量所带来的压力，这样的解决方式会为大多数药物开发实验室增加额外的时间、金钱和劳动力成本。过去的几年内，出现了有效的替代技术，即将离子迁移谱与LC-MS技术相结合，从而提高选择性。它可以以离子迁移装置的形式连接到TOF或者三重四级杆质谱的前端，或者也可以直接内置在TOF质谱系统内，但这种方法大都无法满足生物分析实验中速度、选择性和耐用性之间的平衡。最近，在分析的LC和MS阶段之间，已经开发出了多种不同的离子迁移分离装置。这些使离子根据迁移轨迹的不同而分开，而不是根据时间而分离，这样就去除了背景化合物的影响，从而提供了一个耗费更短MRM周期时间的系统，以便快速准确地检测复杂基质中的低浓度化合物。 /p p 　　目前，越来越多生物分析实验室采用基于微流LC的方法来分析低浓度水平的化合物。这项技术使用更小的色谱柱(直径小于1mm)和电极，以获得更快速、更灵敏以及更高分辨率的结果，同时将柱后分散降到最低。较低的流速也提高了电离效率、减少了离子抑制，同时大大降低了样品及溶剂的使用量，为制药开发过程带来了经济和环保方面的优势。微流LC所需要的样品体积较低，这也恰好符合制药行业在采用显微取样技术进行毒物学和生物分析研究等方面的需求。此外，微流LC还可以结合不同离子迁移质谱，从而灵敏地对生物样品中的化合物进行选择性分析。 /p p 　　 strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 大分子药物生物分析 /span /strong /p p 　　生物分析方法的准确性、耐用性和重现性仍然是药物研发人员以及监管部门所关注的关键问题。然而，传统的用于小分子药物生物分析的LC-MS方法通常并不适用于研究大分子药物，如抗体、生长因子、寡核苷酸和重组肽等。这些分子具有更大的尺寸以及复杂性，这就意味着在分析它们之前通常需要大量的样品制备过程，且它们的吸附特性以及背景蛋白的干扰会进一步影响定量的准确性。 /p p 　　LC-MS-MS方法经过优化后可直接分析10kDa以下的小肽 而在定量分析之前，通常需要应用免疫反应介导的样本提取和/或样品富集步骤来增强选择性。而对于更大的蛋白质，通常需要更复杂的工作流程，包括在使用LC-MS方法对代表性肽进行分析之前的蛋白质水解。这种间接分析的方法被实验人员广泛采用，但却非常复杂，并会受到诸如可变肽释放等的影响。此外，监管部门也还尚未对这些方法的验证方法发布指导原则。 /p p 　　如ELISA等的配体结合分析(LBAs)方法是一种成熟的蛋白质定量技术，且对于生物分析来说，它们的优势还在于其有能力同时检测人体循环中的游离药物以及药物的活性结构。然而，LBAs方法也有许多局限性，影响了它们在高通量药物开发中的应用。在最近的一项研究中，研究人员已经开始将LBAs方法与LC-MS方法结合起来。这些方法上的进展得益于三重四级杆及QTRAP质谱系统等技术的改进，包括灵敏度的提高，即可在低至毫克至微克的水平上检测大分子。这些新技术改善了电离与采样效率，增加了动态范围和可切换质量范围，而且允许不同质量的离子通过探测器。因此才开发除了很多经过验证的方法用以测定各类具有分析难度的药物，如细胞因子抑制剂、阿达木单抗、升糖激素、胰高血糖素、胰岛素类似物、胰岛素以及如用于自身免疫性疾病的英夫利昔以及用于乳腺癌的曲妥珠单抗等的抗体治疗药物。 /p p 　　 strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 大分子表征 /span /strong /p p 　　多数大分子药物在生产过程中容易发生序列改变和生物转化不一致的现象。这些改变对于药物的有效性、生物利用度和安全性都会造成影响。因此，药物分析实验室会定期进行蛋白质的表征研究，以监测序列降解和转录后修饰，如氨基酸的改变和糖基化。这些研究通常采用LBAs或毛细管电泳(CE)技术。CE技术是一种强大的、耐用的方法，但在完整的表征过程中却非常耗费人力和时间，特别是在处理复杂药物如抗体药物偶联物(ADC)时，其表征可能需要不同分析方法的反复运行以及复杂的数据处理过程。 /p p 　　近年来，技术的进展引发了几种蛋白质表征方法的改进。另外，CE技术与电喷雾离子化技术(CESI)的整合也促使了CESI-MS技术的发展，大大加速与简化了蛋白质分析。将CE技术的高分离效率与纳流LC结合，能最大限度地提高电离效率，并减少离子抑制。CESI-MS系统采用开管毛细管，最大限度地减少了死体积，从而提高了灵敏度和峰值效率。同时由于没有固定相，也避免了肽的丢失或过度保留。在最近的一个案例中，在使用单一蛋白酶消化后应用CESI–MS方法的单次运行之后，抗乳腺癌药物曲妥珠单抗被完全表征。该方法包含了100%的序列，而且鉴别了几个关键的氨基酸修饰 在同一分离中还完成了完整的糖肽分析。 /p p 　　生物转化如脱酰胺、氧化以及结构的改变是LBAs等的传统方法所面临的挑战。曲妥珠单抗结构中的一个关键位置在体内会发生脱酰胺作用，而在经过验证的ELISA方法中并无法识别这种脱酰胺现象。人们最近开了一种LC-MS-MS方法来定量监测这种生物转化作用，采用胰蛋白酶消化的方法，使用选择反应监测(SRM)对特征肽进行定量。实验结果表明，该方法能同时有效地定量分析脱酰胺信号敏感肽及其脱酰胺产物。 /p p 　　 strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 结论 /span /strong /p p 　　成功的药物开发及药物安全性研究依赖于大分子药物在研发或表征过程中某些步骤，及一系列相关分析测试过程。这些分析方法的准确性和重现性对工业界以及患者来说是非常重要的。多年来，由于激烈的竞争形势以及制药行业严格的监管特性，我们看到了分析技术的持续发展。尤其是近年来仪器本身及方法开发上的一系列进展，帮助人们开发了很多全新的治疗药物及更加复杂的化合物。在未来，这些研究还将需要更多快速的、选择性强的和精准的分析方法。 /p p 　 strong 　注：本文为仪器信息网翻译，原标题为“Trends and Challenges for Bioanalysis and Characterization of Small and Large Molecule Drugs”，作者为SCIEX全球制药/生物制药高级市场经理Suma Ramagiri博士。 /strong /p p br/ /p

5月30日，国家食品药品监督管理局(SFDA)发布了《2011年国家药品不良反应监测年度报告》(以下称“年度报告”)。 　　药品不良反应主要是指合格药品在正常用法用量下出现的与用药目的无关的有害反应，通过此类监测发现药品安全信息，以指导临床和公众安全使用药品，与因药品质量引起的问题并不相同。 　　年度报告显示，2011年，全国共收到药品不良反应报告数量852799份，每百万人口平均病例报告数量为637份 其中，新增和严重不良反应报告数为145769份，占报告总数的17.1%，与2010年基本持平。 　　在药品不良反应报告的来源中，医疗机构仍占主体，达到了83.1%，企业和个人的报告比例分别为13.7%和3.2%。年度报告特别指出，药企的报告比例仍然不足。 　　“企业作为药品安全的第一责任人，目前在安全意识方面仍不强。”国家食药监局药品安全监管司副司长颜敏指出，“而且，企业目前的专业监测能力仍显不足，部分监测责任不得不由政府的监测中心来分担。” 　　抗感染药物不良反应比例高 　　药品不良反应监测主要作用是发现药品安全性信息，控制药品使用的风险。我国自1988年开始试行药品不良反应监测制度。 　　根据国家食药监局发布的2011年的年度报告，由于医药企业的监测能力不足、报告比例低，这使得我国目前的药品不良反应报告主要来自医疗机构，占到总报告数量的83.1%。而与此相关的两个特点是：化学类药品中抗感染类药物连年排在首位，静脉注射给药途径风险较高。 　　年度报告显示，2011年，抗感染药物报告数占化学药总例次数的51.2%，比2010年下降了1.4个百分点，但仍自2009年以来连续三年排在化学类药品的报告首位。 　　针对抗感染药物不良反应比例高的问题，国家药品不良反应监测中心副主任杜晓曦指出：“抗感染药物主要在医疗机构的临床使用，而且使用量大、使用的领域比较广泛，造成了这类药物不良反应比例较高。” 　　在所有抗感染药物严重报告中，头孢菌素类占34.8%，青霉素类占14%，喹诺酮类占12.2%，与2010年基本一致。 　　在2011年药物不良反应报告的给药途径中，静脉注射占到了55.8% 而在严重药物不良反应的报告中，静脉注射所占比例达到了73.4%。年度报告认为，这些数据表明静脉注射给药途径风险较高。 　　中老年用药需警惕 　　年度报告中，关于药物不良反应的监测数据大部分与2010年接近，但报告中特别提到，2011年总体病例报告的年龄分布方面，45-64岁患者不良反应的比例升高，占31%，65岁以上老人的比例明显升高，已达到了14.3%。 　　目前，我国老龄人口的医疗问题正在引起多方关注。卫生部等15部门印发的我国慢性病防治规划(2012-2015)就指出，老龄化进程加快等原因造成我国慢性病发病人数快速上升，已达2.6亿人，导致的疾病负担已占总疾病负担的70%。 　　在老龄人口慢性病的治疗当中，药物的使用起到很大的作用。由于中老年患者药物不良反应报告数的升高，年度报告认为应加强针对中老年患者的用药监护。 　　由于老年人的肝肾功能减弱，年度报告中还提到对于中药注射剂的使用应该慎重。目前，中药注射剂依然是中药制剂的主要风险。年度报告提供的数据显示，2011年全国共收到中药注射剂报告65572次，其中严重报告的数量为4034次。 　　2011年中药注射剂不良反应排名前3名的药品分别是清开灵注射剂、双黄连注射剂和参麦注射剂。 　　“分析还发现，中药注射剂的严重不良反应在基层医疗卫生机构较为突出。”年度报告特别提示，基层医疗卫生机构应该加强中药注射剂的合理使用，谨慎合并用药，并做好药物不良反应的救治。 　　这从另一方面也反映出，基层中医药技术力量和人才资源的薄弱。 　　按照刚刚公布的中医药“十二五”规划，到2015年的目标是为县级医疗机构培养1.5万名中医临床技术骨干，对5万名符合条件的乡村医生和乡镇卫生院中医人员进行中医药专业大专学历教育，为城乡基层培养3万名中医类别全科医生。

小分子作为分子量小于 1000 道尔顿的化合物，在生命活动中发挥着重要的作用。对小分子进行检测和分析，无论是在生物医学领域，还是在疾病的早期诊断中，都是非常必要的。目前，市场上已出现不少小分子检测方法，包括光谱学、电化学等技术，但它们也同时存在着各种缺点，比如操作复杂、通量小、设备昂贵等。与上述传统的检测技术相比，场效应晶体管（field-effect transistors，FET）这种传感器平台则具有诸多优点，如灵敏度高、响应速度快、即时检测等。在该平台中，石墨烯作为导电通道，当其与小分子相互作用时，和电荷转移相关的化学掺杂效应会改变它的电势，导致石墨烯 FET 通道的电导发生实时变化。其中，必须说明的是，小分子的电荷量或分析物的氧化还原性，对化学门控调制起着决定性作用。也就是说，这种晶体管传感器，更适用于检测那些带电量较多的分子，而无法很好地检测那些电荷很少、且氧化还原性能较弱的小分子。复旦大学魏大程研究员带领的课题组，以新型场效应晶体管材料的研发为研究重点（课题组主页：www.weigroupfudan.com）。近期，该课题组发现了一种光化学门控效应，可以通过引入额外的光门控调制，来提高小分子的检测灵敏度。基于此，他们在石墨烯 FET 通道上，生长了具有良好光敏性的共价有机框架材料，能够吸收大量的光能量，并产生丰富的光电子，进而放大对化学信号的电流响应。图丨团队合照（来源：魏大程）接着，该团队采用光门控和化学门控协同的策略，开发了一款光增强化学晶体管传感器，实现对不同小分子，包括中性分子在内的高灵敏检测。利用该器件，他们成功检测到由细胞产生的、浓度低于 10−19M 的二羰基代谢物甲基乙二醛（methylglyoxal，MGO），至少比现有的技术低 5 个数量级。需要说明的是，MGO 是糖尿病、心血管病等疾病的重要参与分子，此前传统的小分子检测方法，很少能够实现对浓度低于 10−9M 的 MGO 的检测。在检测 MGO 的基础上，该器件还可以通过在共价有机框架材料上设计活性位点的方式，实现对其他具有不同电荷性质的小分子的检测。并且，对共价有机框架材料的分子结构进行调整，还能满足对其他疾病标志物的检测，比如蛋白质、离子、核酸等。图丨光增强化学晶体管（来源：Journal of the American Chemical Society）据魏大程介绍，该研究开始于 2018 年左右，整个过程持续了两到三年时间。“我们先是发现了一些光增强的电学响应信号现象，但并不清楚其中的机理，后来做了很多对比实验，同时也进行反复的讨论分析，才明白其实际上是光栅效应和化学效应的协同作用导致的。”他说。同时，他也表示：“我们利用光增强技术的好处是，能够对信号放大，使晶体管传感器发展成一个通用平台，既可以检测带电量较高的小分子，也可以检测带电量较低的小分子。”图丨光增强化学晶体管（来源：Journal of the American Chemical Society）2023 年 4 月 25 日，相关论文以《用于小分子超灵敏检测的光增强化学晶体管平台》（Photo-Enhanced Chemo-Transistor Platform for Ultrasensitive Assay of Small Molecules）为题在 Journal of the American Chemical Society 上发表[1]。图丨相关论文（来源：Journal of the American Chemical Society）复旦大学硕士研究生王乾坤、艾昭琳为该论文的共同第一作者，复旦大学魏大程研究员为论文的通讯作者。整体来看，该研究拓宽了晶体传感器平台的应用范围，具有快速、易于操作、高灵敏等优点的传感器件，有望在生物医学研究、健康监测和疾病诊断中实现应用。魏大程表示：“我们实验室主要想将晶体管传感器与医疗相结合，开展一些生化检测方面的研究。不过，实现小分子检测只是研究的一部分，这里面还有许多科学问题和技术问题有待解决。比如，我们想实现对癌症的检测。虽然这方面也已经有了很多相关技术，但在进一步提高检测的准确性上还有研究的空间，所以接下来我们也计划朝着这个方向进行探索。”此外，生化传感领域，尤其是晶体管传感技术，目前尚处于实验室阶段，现在，临床上还没有在大规模使用的产品。该团队也正在和相关企业进行交流，希望能够基于所开发的技术，打造一些具有较强实用性的产品，推动产业领域的应用。

单分子检测技术是一种在单分子层次上揭示组装基元/生物分子间相互作用的精妙方法，能够提供隐藏在系综实验中的分子结构与功能之间的丰富信息，因而被广泛应用于单个相互作用事件的动力学研究。针对传统的单分子荧光检测手段可能遇到的问题，如需要荧光标记、具有光漂白以及时间分辨率不足的问题，最近北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组结合电学检测具有无损、无标记和实时检测的优点，分别从硅纳米线生物传感器和石墨烯基分子器件出发，发展了单分子动力学研究的电学新手段。相关成果分别发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9035)和Science子刊Science Advances上(Sci. Adv. 2016, 2, e1601113)。　　在基于硅纳米线器件的单分子检测研究方向，他们已在前期工作中通过结合微纳加工技术和界面化学修饰成功地构建了单分子生物传感器(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5038)，并希望能将该单分子检测技术延伸到单个生物分子间相互作用的研究中。为此目的，他们结合具有超快采样率和超高信噪比的锁相放大器，搭建出时间分辨率达到亚微秒级别的单分子电学测试平台。利用该平台进行测试，他们捕获到了用单个发卡状DNA分子修饰的硅纳米线生物传感器在PBS溶液中呈现出的双稳态震荡信号。通过一系列的温度梯度电学测试获得了单个DNA分子折叠与展开过程的热力学和动力学详细信息，这些信息与传统的光学手段测得的结果完全吻合，验证了该单分子电学检测平台的可靠性。更重要的是，依赖于该测试平台的高灵敏度和高时间分辨率，他们从实验上直接观察到了具有单个碱基对分辨率的杂交动力学过程，并提出动态拉链式模型来解释单碱基对逐一的杂交过程。该工作已发表在《德国应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9035)，被审稿人称为是“Pioneering”的研究工作。　　在基于碳基分子器件的单分子检测研究方向，郭雪峰课题组长期致力于碳基单分子器件的制备方法学研究，已解决了单分子器件制备难、稳定性差的挑战性问题。在此基础上，课题组在前期工作中已将石墨烯电极成功地应用于构建单分子光电子器件(Science 2016, 352, 1443 Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 8666)和生物传感器(Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 12228 Chem. Sci. 2015, 6, 2469 J. Mater. Chem. B 2015, 3, 5150)。最近，他们与美国西北大学J. Fraser Stoddart(2016年诺贝尔化学奖获得者)课题组合作，以石墨烯基分子器件为测试平台，将“分子机器”中最常见的轮烷分子连接在石墨烯电极之间，研究了轮烷与甲基紫精的主客体分子间的反应动力学。相比传统的研究主客体分子相互作用的研究手段如质谱和核磁技术等，石墨烯基分子器件具有无标记、实时监测的优点且不依赖大型测试仪器，该方法开启了单分子器件在分子反应动力学研究的新篇章，未来在探究反应动力学和揭示有机反应机理上具有潜在的应用。该工作于11月25日发表在Science子刊Science Advances上(Sci. Adv. 2016, 2, e1601113)。　　该工作得到了国家自然科学基金委、科技部和教育部基金的资助，特别感谢西北大学J. Fraser Stoddart教授，北京师范大学齐传民教授和天津大学苏纪豪教授。

3月15日，BIOCHINA 2024(EBC)第九届易贸生物产业展览(EBC)大会正在苏州国际博览中心盛大举行，量准在BIOCHINA 2024(EBC)上隆重推出了WeSPR One Auto全自动生物分子相互作用仪新品。WeSPR™ One Auto全自动生物分子相互作用仪WeSPR One Auto搭载纳米超表面等离子共振（MetaSPR）生物传感器，能够实时分析多种生物分子间(比如小分子药物和蛋白、抗原和抗体之间)的相互作用，无需标记，即可提供高质量的动力学、抗体筛选、表位鉴定以及浓度测定等生物学信息，在抗体开发、药物筛选、细胞治疗及基因治疗等研究中发挥了不可或缺的作用，为全球科研工作者提供了强大的工具支撑。WeSPR One Auto采用先进的微流控技术，结合智能化的数据分析系统，可实现从样品处理、反应运行到结果分析的全流程自动化操作。无论是蛋白-蛋白、蛋白-核酸、抗原-抗体、还是小分子与生物大分子间的复杂互作关系，它都能以极高的灵敏度和更低的分子量检测下限进行深入探究和分析。三大优势：一、高精度的液路控制系统采用全新的容积泵和注射泵的流体驱动方式，克服了传统的蠕动泵带来的流动脉冲和管路磨损问题，大幅度提升了液路的稳定性，降低了数据检测的信号噪声。二、精准的进样控制方式内部集成了装有高精度定量环的进样阀及注射泵，实现了无人值守测样，保证样品体积的一致。三、稳定的恒温控制系统检测区域配置了4-40℃范围的恒温控制系统，温度控制精度达到了±0.5℃，能确保在整个实验流程中环境温度得到有效控制。

采用SmartMS技术，操作便捷且符合法规要求，有效助力常规分析实现精确质量测定沃特世公司（纽约证券交易所代码：WAT）隆重推出采用SmartMS技术的ACQUITY RDa检测器，为沃特世飞行时间(Tof)质谱(MS)系列再添一款智能化新品。这款精确质量数检测器专为制药、学术研究、食品和法医学应用中的小分子分析而打造，可以迅速部署并投入使用，助力分析人员在多种应用中更快做出明智决策。图.Waters ACQUITY RDa质谱检测器沃特世公司全球产品高级副总裁Ian King博士表示：“ACQUITY RDa检测器质量精度高、设置自动化、且工作流程简单，是为帮助实验室轻松完成日益复杂的小分子分析项目专门打造的高性能质谱仪。其易于掌握的用户界面让质谱仪操作变得不再复杂，分析科学家不必担心仪器运行情况，可更高效地专注于检测器给出的高质量、可重现的结果。”简化设置和操作，加速可靠决策 ACQUITY RDa检测器从仪器设置到结果生成的各个环节都以易用性为目标进行设计，拥有直观的系统健康状态检查功能并采用以结果为导向的专用工作流程。得益于SmartMS技术，用户在常规应用中可使用稳定可靠的工作流程来更准确地鉴定分析物，得到更可靠的评估结果。与此同时，RDa检测器搭载简便的一键式启动功能，可有效减少培训需求、缩短停机时间，确保得到一致、可重现的结果。 “沃特世RDa检测器有望帮助制药行业攻克目前尚无理想解决方案的监管和生产难题。” Pharmaphysic总监Marc Foulon表示道。Pharmaphysic是一家致力于为化妆品、化工和制药行业提供分析服务的分析方法开发实验室。 对小分子分析产生积极影响ACQUITY RDa检测器针对那些尤为注重质量、合规性和数据完整性的小分子应用进行了优化，包括杂质分析、强制降解研究、脂质筛选、天然产物分析、食品总污染物分析、查获药物和管制药物分析，以及常规的精确质量数测定。 为提升适用性并加速结果生成，ACQUITY RDa检测器搭载了waters_connect，这款开放式软件平台拥有多项新功能、新特性，可同时提供不同的系统验证选项，有助于RDa为实验室带来更大价值。waters_connect可对数据采集、处理和报告过程进行全面审计追踪，确保分析过程严格合规并保证高标准的数据完整性。ACQUITY RDa检测器具备一系列稳定的功能，且操作简单、设计小巧，以精简的工作流程实现高性能的精确质量数测定。 沃特世现已面向全球供应ACQUITY RDa检测器。 其他参考资料 阅读产品手册：《ACQUITY RDa检测器：应用SmartMS技术进行质量数测定》 阅读应用纪要: 《将沃特世ACQUITY RDa检测器作为简单易行的解决方案用于强制降解研究中的常规精确质量数测定》 《ACQUITY RDa在常规食品分析中的应用 - 检测蜂蜜中的异常物质》 《使用ACQUITY RDa检测器筛查查获药物》 访问沃特世网站了解更多有关ACQUITY RDa检测器的信息。 关于沃特世公司沃特世公司（纽约证券交易所代码：WAT）是全球知名的专业测量仪器公司，作为色谱、质谱和热分析创新技术的先驱，沃特世服务生命科学、材料科学和食品科学等领域已有逾60年历史。公司在全球35个国家和地区直接运营，下设15个生产基地，拥有约7,000名员工，旗下产品销往100多个国家和地区。关于沃特世中国自上世纪80年代进入中国以来，沃特世的规模与实力与日俱增，在大陆及香港、台湾均设有运营中心，拥有六百多名本地员工，并在上海、北京、广州、成都设立实验中心和培训中心。自2003年成立沃特世科技（上海）有限公司以来，今天的中国已成为沃特世全球营收仅次于美国的第二大市场。作为分析科学家的合作伙伴，沃特世始终坚持提高本地技术能力、支持本地技术人才培育，并推动制药、食品安全、健康科学、环境保护等相关行业标准和法规的建立和完善。凭借出众的人才与全球布局，沃特世已经为其商业合作伙伴创造了显著的价值，并致力于满足广大中国消费者对更美好生活的需求。

用棉签往嘴里一探，收集到脱落细胞，就可通过分析进行诊断。记者从光谷生物城获悉，留美华裔科学家李先强研发的分子诊断试剂实现快速、准确检测出呼吸道疾病的&ldquo 元凶&rdquo ，这项多重分子检测技术为业内首创。目前，他创办的中帜生物正和多家企业一起，在蓬勃兴起的分子诊断领域，形成光谷集群。 　　据了解，他领衔研发的呼吸道产品作为湖北省首个创新医疗器械产品，上报国家药监局审核。李先强介绍，目前国内已上市的呼吸道病原体检测产品一般为单项检测，而且多检测抗体或抗原，而中帜生物的产品则可以同时检测多项病原体核酸，这在国内还是首创。在儿科、呼吸科、感染科等领域都可运用。 　　传统抽血检测一般有&ldquo 窗口期&rdquo ，有时生病体内反应要到一周后才能被检测到，而到底是衣原体、支原体、细菌还是病毒造成不得而知，从而影响治疗效率。分子诊断则可以大大提前诊断时间。 　　生物制药是武汉打造的千亿产业，分子诊断则是最具活力的部分之一，通过产品带动产业、带动产业链，武汉将大有可为。 　　统计机构数据显示，今年全球体外诊断市场的规模可达到500亿美元，而分子诊断市场的总需求达到了60亿美元。在中国，体外诊断市场约为150亿元人民币，而分子诊断则是增长最快的一部分，年增速达20%以上。

教科书上的化学反应均以单分子形式进行概念描述，但实验中得到的却是大量分子的平均结果。一瓶380毫升的水，约含有10的25次方个水分子，投入金属钠会产生激烈的反应。不妨试想，宏观可见的化学现象，具体到单个分子是怎样的表现?　　单分子实验是从本质出发解决许多基础科学问题的重要途径之一。近年来，虽已有单分子荧光显微镜技术，冷冻单分子电镜技术等诺贝尔奖级别的成果问世，观察、操纵和测量最为微观的单分子化学反应仍是科学家面对的长期挑战。　　8月11日，浙江大学化学系冯建东研究员团队在国际顶级期刊《自然》发表封面文章。浙大团队以电致化学发光反应为研究对象，发明了一种可以直接对溶液中单分子化学反应进行成像的显微镜技术，并实现了超高时空分辨成像。该技术可实现更清晰的微观结构和细胞图像，在化学成像和生物成像领域具有重要应用价值。　　捕获分子发光信号 1秒内连拍上千张图片　　电致化学发光，是指具有发光活性的物质在电极表面通过化学反应实现发光的形式，可令分子产生光信号，在体外免疫诊断、成像分析等领域已有应用。　　“在溶液体系还难以开展单分子化学反应的直接光学捕捉。”冯建东介绍，单分子化学反应伴随的光、电、磁信号变化非常微弱，而且化学反应过程和位置具有随机性，很难控制和追踪。　　如何实现微弱乃至单分子水平电致化学发光信号的测量和成像?如何在电致化学发光成像领域实现突破光学衍射极限的超高时空分辨率成像，即超分辨电致化学发光成像?3年来，冯建东团队致力于这两大难题的研究，通过联用自制的具有皮安水平电流检出能力的电化学测量系统以及宽场超分辨光学显微镜，搭建了一套高效的电致化学发光控制、测量和成像系统。　　“团队通过搭建灵敏的探测系统，将电压施加、电流测量、光学成像同步起来，通过时空孤立捕获到了单分子反应后产生的发光信号。” 论文第一作者、浙大化学系博士生董金润介绍。　　从空间上，研究团队通过不断稀释，控制溶液中的分子浓度实现单分子空间隔离。时间上，通过快速照片采集，最快在1秒内拍摄1300张，消除邻近分子间的相互干扰。　　利用这套光电控制和测量平台，团队首次实现单分子电致化学发光信号的空间成像，其成像特点在于无需借助外界光源，可在暗室操作。　　多重曝光合成叠加 实现纳米级超高分辨率　　现如今，传统光学显微镜在数百纳米以上的尺度工作，而高分辨电镜和扫描探针显微镜则可以揭示原子尺度。“但能够用于原位、动态和溶液体系观测几个纳米到上百纳米这一尺度范围的技术非常有限。”冯建东提到，主要在于受到光的衍射极限限制，光学成像分辨力不足，即相邻很近的两个点难以分辨。　　为此，冯建东团队在获取单分子信号图像基础上，着手研究电致化学发光的超分辨成像。受到超分辨荧光显微镜技术的启发，研究团队利用通过空间分子反应定位的光学重构方法进行成像。　　“好比人们夜晚抬头看星星，可以通过星星的‘闪烁’将离得很近的两颗星星区分开一样。”冯建东介绍，技术原理即通过空间上的发光位置定位，再把每一帧孤立分子反应位置信息叠加起来，就能构建出化学反应位点的“星座”。　　为验证这一成像方法的可行性以及定位算法的准确性，研究团队通过精密加工的方法，在电极表面制造了一个条纹图案作为已知成像模板，并进行对比成像，条纹间隔为几百个纳米。　　记者看到，该微纳结构的单分子电致化学发光成像与电镜成像结果高度吻合。而且，单分子电致化学发光成像将传统上数百纳米的电致化学发光显微成像空间分辨率提升到了前所未有的24纳米。　　研究团队进而将该成像技术应用于生物细胞显微成像，以细胞的基质黏附为对象，对其进行单分子电致化学发光成像，观察其随时间的动态变化，成像结果与荧光超分辨成像可关联对比，其分辨率也可与荧光超分辨成像相媲美。　　“相比于荧光成像技术，电致化学发光成像不需要对细胞结构做标记，意味着不易影响细胞状态，对细胞可能是潜在友好的。”冯建东表示，未来，这项显微镜技术将作为一项研究工具，在单分子水平揭示更多化学奥秘，也有助于揭示更为清晰的生物结构和看清生命基本单位细胞如何工作。

鉴定和定量蛋白质生物标志物是精准医疗的迫切需求。功能蛋白质组学的最新进展表明，仍有许多未开发的蛋白质对病理状况的进展具有潜在的影响。一般来说，蛋白质生物标志物在致癌条件下上调。这些生物标记物的临床检查对预后、诊断和治疗都有帮助。因此，利用对各种生化刺激的快速信号反应，研发高度特异性和敏感性的蛋白质传感方法至关重要。3月20日，《Nature Communications》发表题为《A generalizable nanopore sensor for highly specific protein detection at single-molecule precision》的论文。在文章中，他们介绍了自己设计出的一种微小的纳米传感器。这种传感器被戏称为“鱼钩和鱼饵”，能够以单分子精度检测样品中的蛋白质标志物。研究者们制定的一类传感元件：一个可编程的抗体模拟粘合剂融合到一个单体蛋白质纳米孔。这些传感器将有一种模拟抗体的蛋白质粘合剂，通过一根像鱼钩一样的柔性系绳，在tFhuA纳米孔(一种单体β桶状支架)上进行工程设计。蛋白质识别元件，而不会破坏其膜嵌入结构和成孔特性，从而实现“精准垂钓”。设计原理在针对不同抗体的时候仅需要改变粘合剂的一小部分即可，通过这种方式，极大地扩展了纳米孔传感器对许多蛋白质的效用，同时保留了它们的结构、特异性和灵敏度。研究者们通过开发和试验证明了这些传感器可用于在大小、电荷和结构复杂性方面发生巨大变化的蛋白质分析物。这些分析物产生的独特的电特征取决于它们的身份和数量以及纳米孔尖端的粘合剂-分析物组装。虽然该研究还只是一个概念原型，但在未来在诊断癌症时，这些纳米传感器将在一定程度上替代成像和活组织检查，并为预后、诊断、治疗提供具有参考价值的信息。这项工作的结果可以通过为生物流体中的生物标志物检测提供基础，影响生物医学诊断。

MALDI-TOF对小分子化合物分子量的快速确认小分子通常指分子量小于1000 Da（尤其小于400 Da）的有机化合物，包括天然产物（生物体合成）及各类人工合成的有机小分子。质谱技术由于可以精确测量各类化合物的质量，被广泛应用于小分子的分子量表征及结构鉴定工作。通常小分子分子量表征常用手段是LCMS，实则MALDI-TOF同样可以用于小分子化合物的分子量确认，且具有更高的效率。MALDI-TOF MS表征小分子分子量的方案特点：1快！每天可分析数千个样品2直接上样分析，无需样品分离3所需样品量较少，单次上样体积只需1 μL以内4除可溶性样品外，还能够分析难溶性样品MALDI-TOF分析小分子的工作流程小分子测试案例分享01各类化合物（原料、物料、产品）分子量及杂质检测在药品、化工品等产品生产过程中，对投入的原料、物料以及终产品进行分子量和杂质检测，是生产质量控制的重要内容。下图中，通过质谱信息可以直接了解寡核苷酸合成原料亚磷酰胺单体的分子量及杂质信息。寡核苷酸合成原料亚磷酰胺单体质谱图02小分子有机合成反应跟踪、产物确认在有机合成中，鉴定反应产物和了解反应进程极其重要。MALDI-TOF MS可以快速测量化合物进行半定量反应跟踪和产物确认。通过化合物单同位素峰的分布，还能轻松识别出溴和氯的存在与否。下图中原料双（氯甲基）苯的信号强度在反应18小时后降低，产物双（溴甲基）苯在反应18小时后强度增加。反应不同时间获得的反应产物的质谱图比较03有机功能材料合成确认有机功能材料包括有机光电材料、有机导电材料、有机磁性材料、有机催化材料等。MALDI-TOF MS可以快速进行有机功能材料的合成确认。下图中，通过样品同位素分布模式及质量数的实际检测结果与理论值的比较，可以准确判断产品合成是否成功。半导体材料及有机发光二极管材料的质谱图04难溶性颜料分子量分析颜料通常不溶于水和一般有机溶剂，常见的颜料包括无机颜料、偶氮颜料、钛菁颜料等。由于颜料的难溶解性，不能使用传统LCMS或GCMS方法进行分子量检测，而MALDI-TOF MS由于不需要分离，分析时不受溶解性限制，可以检测不溶性颜料的分子量，用于鉴别颜料种类或者颜料生产合成质控。难溶性颜料钛菁红的质谱图结语MALDI-TOF MS具有前处理简单、能够快速获取从低分子量到高分子量各类样品的分子量信息，无需分离、不受样品溶解性限制等优点，为医药行业药物发现、有机合成产物确认、化工领域颜料、乳化剂等各类化工产品分子量分析、有机功能材料的合成确认提供快速检测手段。撰稿人：顿俊玲本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

Alpha助力发现小分子化药耐药性大部分化疗药物如铂类药物等，都是通过破坏肿瘤细胞中的DNA来抑制细胞的生长，从而达到治疗效果。然而，“聪明”的肿瘤可以采用另一种替代性的DNA跨损伤合成(translesion synthesis,TLS)途径来完成复制并获得耐药性。针对TLS的靶向化治疗是非常有前景的开发方案。来自麻省理工学院和杜克大学的研究人员发现一种可阻断TLS途径的小分子化合物并发表在CELL上。同时，用这种化合物和顺铂联合治疗体外肿瘤细胞和荷瘤小鼠时，都有显著的效果。这样有临床应用潜力的明星分子是如何被发现的呢？在哺乳动物细胞中，TLS的发生包括两个步骤，首先插入TLS DNA聚合酶，如POL kPOL i、POL h或REV1，在损伤处引入一个核苷酸；接下来是募集b族聚合酶复合物POL z (POL z4: REV3L/REV7/POLD2/POLD3)进行3’端的延伸。而其中起主要作用的是约100个氨基酸的REV1 C-terminal domain (CTD)，它可以招募插入TLS的其他聚合酶POL k、POL i和POL h，并通过与REV7的相互作用来招募POL z。基于此，作者首先分别构建了His8-tagged REV7/3和FLAG-tagged POL k RIR-REV1 CTD表达系统并对融合蛋白进行纯化，然后基于ELISA方法对化合物库中高达~10000种化合物进行筛选，并将目标锁定了JH-RE-06。然后作者采用高灵敏定量AlphaScreen技术，通过抗FLAG供体微珠、抗His受体微珠构建匀相反应体系，进一步确定了化合物JH-RE-06对REV1-REV7的阻断作用，并得出了其IC50值为0.78 mM。随后，作者在分别在多种人类癌细胞和人类黑色素瘤小鼠模型上进行了验证，证实此化合物可以提高癌细胞对顺铂类化合物的敏感性和长期化疗的有效性，并对其他以DNA为作用靶标的类似药物，都有同样的类似效果。作者用清晰的思路论述了筛选和验证化合物的过程，并进一步讨论了化合物耐药性机制：JH-RE-06能与Rev1结合并生成二聚体，而一旦形成这样的二聚体结构，则不能与Rev3 / Rev7 TLS DNA聚合酶结合，直接阻止了TLS的发生和癌细胞的快速复制，同时，也更进一步制止了突变产生的可能性，避免了癌细胞获得耐药性。在整个实验过程中，采用ALPHA技术对初筛得到的化合物JH-RE-06的功能验证是非常重要的一步：ALPHA的方法采用单体氧作为能量扩散的载体，其扩散距离可以达到200nm，发光原理为化学反应发光，具有背景干净、信噪比高的特点，同样适合于复杂样品的检测，如组织液、血清、组织裂解液等，步骤少、方法简单、均相反应、不需要洗涤，因此实验结果质量更高。同时推荐选择具有HTS ALPHA检测模块的多功能酶标仪进行抗体的筛选，可以大大缩短检测时间。参考文献Jessica L. Wojtaszek, Nimrat Chatterjee, etal. (2019).A Small Molecule Targeting Mutagenic Translesion Synthesis Improves Chemotherapy. Cell. 178, 1–8,June 27

投稿作者：南京农业⼤ 学草业学院作者自述：我是来⾃ 于南京农业⼤ 学草业学院的一名博士生，研究⽅ 向是苜蓿耐寒分⼦ 调控机制的解析，主要研究⼀ 个编码类钙调蛋⽩ 的基因，我们的猜想是这个类钙调蛋⽩ 可能会与 Ca2+结合。我们的故事鉴于上述研究课题的相关猜想，因此我们需要设计⼀ 个实验去验证下这个蛋⽩ 能否结合 Ca2+, 以及 Ca2+能否促进它与其互作蛋⽩ 的结合。通过查阅这种蛋⽩ 与蛋⽩ 或⼩ 分⼦ 物质结合的⽂ 献，我们发现MST实验⾮ 常适合我们，⼗ 分巧合的是，南京农业⼤ 学国家重点实验室正好引进了NanoTemper分子互作检测仪器，并且也正好有相应的讲座，之后我们便开始着⼿ 准备相应的试剂和耗材等筹备工作。通过国家重点实验室⽼ 师的指点以及操作平台上⾃ 带的教学视频和产品操作⼿ 册，我们购买了荧光标记试剂盒(图左)和上机使⽤ 的⽑ 细管(图右)尽管第⼀ 次尝试新的实验，但是荧光标记试剂盒中提供的详细操作步骤和注意事项让我熟练完成我的⽬ 标蛋⽩ 标记，并且通过上机检测和稀释等操作，将荧光采集强度控制在⼀ 个可视的范围 (图 A, B)在实验过程中，我们遇到了⼀ 些曲线不光滑问题 (图 上A)，通过仔细查看培训时曾在群⾥ 分享过的操作⼿ 册，⼀ 下就找到了问题所在，是因为我的样品在测定过程中出现了团聚，因此之后我们在样品中混⼊ 了适量的吐温后立马就解决了问题，实验结合得到了很好的改善 (图 下B)，至此成功使⽤ NanoTemper微量热泳动分⼦ 相互作⽤ 系统验证我的实验。未来，希望NanoTemper发展越来越好，在⽣ 命科学等领域出更多产品和技术，为全世界发展做出巨⼤ 贡献。NanoTemper感言感谢用户的信任与支持！我们非常自豪的看到越来越多的研究人员将MST技术视为蛋白与蛋白，蛋白与小分子检测的首选工具，除了有海量的文献可以参考，也是因为MST技术其精准、快速的检测，极其容易上手的操作方式可以为科研人员真正的解决实验问题，节省大量时间提高效率，无疑是助力CNS上分的神器。NanoTemper分子互作检测仪器NanoTemper将始终与客户站在一起，在生命科学的道路上携手前行，不断创新。我们也会为广大用户带来更多的实用的技术与福利！相关阅读：我与NanoTemper的故事(1) 北大瞿礼嘉课题组_MST连续3年助力发表CNS_诺坦普科技（北京）有限公司 (instrument.com.cn)

p 　　发展适合于现场快速检测海洋生物大分子及海洋细菌的生物传感器技术，对于及时快速地开展海洋环境监测和评价具有重要意义。目前，对生物大分子的检测，一般采用酶联免疫法、生物化学测试法、聚合酶链式反应法等技术 对全细胞的检测，则通常需要通过细胞培养实验来完成。然而，上述方法存在仪器复杂、设备昂贵、检测耗时长等缺点，仅适用于实验室分析。 /p p 　　在海洋环境中，贻贝可通过其足丝分泌贻贝粘蛋白，该蛋白具有优越的粘滞性和良好的生物相容性。近期，中国科学院烟台海岸带研究所研究员秦伟课题组利用聚多巴胺类仿贻贝粘蛋白材料，成功构建了表面分子印迹聚合物电位型传感器，实现了对蛋白质分子及细胞体的高灵敏、高选择、快速电化学检测。他们采用基于仿贻贝粘蛋白的表面分子印迹技术，在电位型传感器表面原位构建了生物分子选择性识别印迹层 利用表面分子印迹层与待测生物分子之间的高选择性识别作用，实现了样品中生物分子在传感器表面的高选择性分离与富集 利用聚离子作为指示离子，指示富集前后传感器膜界面的电位变化，从而实现了对蛋白质分子及细胞体的免标记电化学检测(如下图)。该方法有效解决了电化学生物传感器难以实现免标记分析的难题，有望应用于海洋病毒及海洋致病菌的现场快速检测中。 /p p 　　相关研究成果已于近日发表在化学期刊《德国应用化学》(Rongning Liang, Jiawang Ding, Shengshuai Gao, Wei Qin*. Mussel-Inspired Surface-Imprinted Sensors for Potentiometric Label-Free Detection of Biological Species. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, doi: 10.1002/anie.201701892)。此外，秦伟课题组也于近期在该期刊发表了关于电化学生物传感研究的其它成果(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 13033–13037)。 /p p style=" text-align: center " img width=" 600" height=" 495" title=" W020170526571669789953.jpg" style=" width: 600px height: 495px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201705/insimg/dfa6e65f-ceeb-4ed3-8f15-be9f33a61853.jpg" border=" 0" vspace=" 0" hspace=" 0" / & nbsp p /p p & nbsp 基于海洋贻贝粘蛋白的仿生电化学生物传感器检测原理 /p p /p p /p /p

2012和2013年，由北京大学多个研究团队合作完成的世界首个高精度人类男性和女性个人遗传图谱相关论文相继发表于《科学》和《细胞》杂志。这一工作采用的单细胞DNA扩增技术MALBAC，与以前的技术相比,该技术将单细胞全基因组测序的精确度大幅度提高，以至于能够发现个别细胞之间的遗传差异。　　MALBAC技术是由北京大学生物动态光学成像中心(BIOPIC)主任、哈佛大学终身教授、美国科学院院士谢晓亮领导的团队发明。他们的工作不仅大大拓展了单细胞基因组学研究技术，而且给现代医学带来了革命性的突破，是“精准医学”的一个最佳范例 。　　通过与BIOPIC的汤富酬教授团队、北京大学第三医院院长乔杰团队的合作，2014年下半年，两对携带遗传疾病致病基因的夫妇在MALBAC技术的帮助下成功生下了健康的婴儿。此外，MALBAC技术还正在用于探索针对肿瘤患者的个体化诊断和治疗方案。　　2015年7月18日，谢晓亮应邀在“未来论坛”上发表题为“单分子水平上的生命——通往精准医学之路”的演讲，回顾并展望了他在单分子基因组学上的基础研究和生物医学应用的探索之路。　　北京大学生命科学院饶毅教授在现场介绍他时说：“谢晓亮的第一个基础研究工作是1998年开展的单分子酶学，他开创了在单分子层面对生命过程的研究。近年他又开始探索在医学上的应用。中国引进现代医学后，在现代药学方面只有少数几个药物作用领域的发现，在现代医学技术上唯一的发明和应用就是谢晓亮和汤富酬、乔杰三个团队合作诞生的‘MALBAC婴儿’。”　　中国医学科学院院长曹雪涛认为，谢晓亮的MALBAC技术能够改变整个生物医学，其对未来精准医学的发展和应用的贡献是不可限量的。　　“获得终身教授的人很多，但真正能够在人类历史上，特别是科技史上留下印记的科学家非常少见，而谢晓亮将理论和技术结合，用技术解决科学问题，是引领整个科学界发展的真正的一流科学家。”曹雪涛评价说：“他是一个让你无法预知将来还会做出什么创造性工作的科学家。这是一个科学家具有潜在创造力、影响力、引领力的标志。”　　以下是根据现场录音和演讲PPT整理的演讲全文，全文已由谢晓亮教授审阅。　　女士们、先生们：　　我今天的讲座内容跨度会比较大，从物理学到化学、到生物、到医学。　　著名的物理学家理查德?费曼(Richard Feynman)曾经说过：“如果要用一句话来描述我们拥有的最重要的科学知识，这句话应该是：所有物质都是原子组成。”原子在宇宙中比比皆是，但是如果只有独立的原子，我们的世界会变得非常无趣，没有生命、没有爱。原子间的相互作用导致分子的产生，分子们进行化学反应，产生新的分子，这才有了生命。　　那么如果要用一句话来形容过去半个多世纪生命科学的主要进展，这句话应该是什么?我想应该是：生命过程可以在分子水平上得到解释。　　单分子成像技术开启研究生涯　　我在北大读本科时学的是化学，生物是到美国才学的。我1985年离开北大，来到美国加州大学圣地亚哥分校，攻读物理化学博士学位。我因从小就喜欢动手，在美国学的是用超快激光来研究化学反应动力学。　　在化学和生物化学的教科书里，分子相互作用和化学反应总是在单分子的水平上描述的，可是迄今为止，我们的化学知识几乎都是从含有大量分子的实验中得到的，量大到摩尔(mole)的数量级。1摩尔是2克氢分子的分子数目，被称作“阿伏伽德罗常数”。阿伏伽德罗是意大利的化学家、物理学家，虽然他定义了阿伏伽德罗常数，但他只知道这是一个非常大的数，直到死也不知道到底是多大。现在我们知道，阿伏伽德罗常数是6.023x1023，这是个天文数字，我估算了一下，1摩尔1立方毫米的沙子，如果平铺在中国大地上，可以形成一个60米深的沙漠。　　90年代初，我在美国太平洋西北国家实验室开始了我的独立研究生涯，带领一个团队研究在常温下用荧光来检测单个分子(见上图)。当时的研究非常令人兴奋，有几个小组在竞争，去年因为超分辨率荧光显微技术获得诺贝尔化学奖的两位科学家Eric Betzig和W.E. Moerner那时也在做同样的事。1994年7月，我第一次在《科学》杂志上发表了文章，研究单分子的动态过程。在此前的研究生和博士后阶段，我还没在《科学》或《自然》杂志上发表过文章。　　这篇文章是和我的第一个博士后Bob Dunn合作的。当我们把这些技术发展起来以后，我有了一个预感，单分子技术在生物化学和分子生物学上将有重要的应用。所以我们就开始研究酶。　　酶是生物过程的催化剂，加速生物化学的反应。我们把带有荧光的胆固醇氧化酶分子固定在99%的琼胶中，让它们不能游动，以便我们长时间地观察胆固醇酶催化的胆固醇氧化反应。　　这个酶有两个态，在氧化态下，它有天然的荧光，在还原态下，它不会发光。酶作为生物催化剂，它在这两个态之间循环，自己最后是没有变化的。所以当我们观测单个酶分子的荧光时，每一次荧光的“亮/灭”就对应着一个酶分子催化状态的循环。这使我们第一次实时观测到了单个酶分子的化学反应。在单分子层面上，化学反应是随机发生的，即化学反应发生所需的等待时间是随机分布的，而不像在拥有大量分子系统中的反应里，有可被推测的结果。因此单个酶分子的荧光强度随时间变化的曲线是不会在下一个实验中重复出现的，尽管这个曲线的统计结果是可以重复的。　　因为这个工作，哈佛大学给了我一个资深教授的职位。这个工作之所以重要，是因为很多生物大分子，比如DNA是以单分子或者少量几个分子的形式存在于细胞之中的，这个工作让人们能对单分子的生物化学反应进行实时观察。　　大家知道，20世纪最重要的生物学发现是沃森(Watson)和克里克(Crick)解出遗传分子DNA的双螺旋结构。DNA是由四种碱基(A、T和C、G)配对构成的。遗传信息储存在碱基的序列里。　　单分子酶学也具有实际应用意义。比如有人做了与我们类似的实验，造出了两个单分子DNA测序仪，其中一个美国加州的公司做的Pacbio测序仪,通过监测单个合成DNA的酶分子，将有荧光标记的四个碱基逐个加入到DNA模版上，以直接读取DNA分子的序列。这个技术的特点是它能够测很长的DNA序列。　　在基础研究领域，单分子生物学增进了我们对许多生物大分子工作机理的深入了解，让我们在活细胞里直接观测蛋白质分子的逐个产生。分子生物学的中心法则告诉我们，在DNA上的遗传基因会转录成mRNA，在翻译过程中mRNA导致蛋白质的合成。　　由于一个基因在单个活细胞里只有1到2个拷贝，基因表达过程就跟单个酶分子反应一样，也是随机发生的，所以单分子生物学与单细胞生物学是密切相关的。我们对单个活细胞的基因表达进行了非常详细的研究，从而使得分子生物学的中心法则得到了定量的描述。　　上图右边的机体细胞有同样的基因和基因组，我们说它有同样的基因型，但它们有不同的表型，一个有荧光，一个没有荧光。这个细胞从一个表型变到另外一个表型，从没有荧光的状态变到有荧光的状态，可以证明这个过程完全是由于单个蛋白质分子从DNA的单链上随机脱落下来造成的。我觉得这是一个非常普遍的现象，单分子的小概率事件可以导致非常重要的生物学结果。　　基因突变也是这样。这个基因型和表型的关系跟我生活中最大的奥秘是相连的，我的两个女儿是同卵双胞胎。同卵双胞胎被普遍认为有相同的基因组，我的双胞胎女儿确实非常相似，但她们有各自的特点，也许这跟基因表达的随机性是相关的。最近有研究表明，同卵双胞胎的基因组实际上是不一样的，因为我们的基因都是随时间变化的。不管怎么说，基因型和表型的关联是生物学中非常重要的一个问题。　　破解基因组的奥秘　　生物遗传学起源于孟德尔的遗传法则。孟德尔是一位牧师，他的伟大是去世之后才被人们认可的。几个月前，我应邀在捷克斯洛伐克给了一个“孟德尔讲座”，有幸在他曾经工作过的修道院(见下图)做了报告。(右图是孟德尔种植豌豆的田地，其上是他的雕像)　　孟德尔的实验(见上图左图)是把绿色的豌豆和黄色的豌豆杂交，开始是用纯种豌豆杂交，杂交的结果还是绿色的，后来他把两个杂交出的绿豌豆再次杂交，就发现有1/4的几率可以得到黄色的豌豆。通过这个实验，他推断每个豌豆有2个等位基因，分别来源于上一代，一个是显性基因(绿色)，一个是隐性基因(黄色)。　　后来人们发现，人类也遵循类似的遗传法则。人的体细胞与豌豆一样，正常情况下都是双倍体，有46条染色体，其中23条来自父亲，23条来自母亲。染色体存在于细胞核内，是46条不同的DNA分子。它们有60亿对碱基，携带2万个基因。(编者注：人类基因组由30亿对碱基构成，分布于23条独立的染色体中。人类的体细胞是双倍体含有46条染色体，生殖细胞是单倍体，含有23条染色体。体细胞中的两套染色体分别源于父亲和母亲，它们所包含的碱基有微小的差异，因此人的全基因组包括约60亿对碱基)。　　基因组的主要变化是点突变(SNV)和基因拷贝数的变化( CNV)。我们每个人之间的不同就是由于点突变，也就是单碱基发生了变化。60亿对碱基中大约只有千分之一的碱基在人与人之间是不同的。另外一个基因组产生变化的是基因拷贝数的变化(CNV)。一般来讲，基因拷贝数应该是2，一个来自于父亲，一个来自于母亲，形成两个等位基因。但有的时候，特别是发生癌症的时候，拷贝数可以变成1，3或者4，这叫染色体不正常。　　2001年人类基因组计划完成，也就是这30亿对碱基的顺序被测定了，这是人类历史上的一个里程碑，意义重大。当时美国的一个私人公司(领导人是Craig Venter)和美国组织的国际团队(领导人是现任美国国家卫生局主任Francis Colon)展开了激烈的竞争，他们分别在《科学》杂志和《自然》杂志上发表文章。这项工作花了30多亿美金，用的方法是第一代电泳技术。这是1980年获得诺贝尔奖的技术，是由Fred Sanger(1918-2013)做出的。这是一个传统的办法，通过测DNA的长短来测序。　　以这个技术为基础研发的第一代测序仪由美国公司ABI生产，该产品是产学研结合的范例。加州理工学院的教授Leroy Hood和他的研究生Mike Hunkapiller先在他们的实验室里改造了传统的 DNA测序方法，把电泳的方法用到毛细管里，用激光来代替放射性DNA监测仪，然后成立了ABI公司。这是一家车库公司，但后来这家公司很快垄断了世界测序仪市场。刚才说的参与人类基因组计划测序竞争的私人公司领导人Craig Venter就是买了250台这种仪器来完成的人类基因组的测序。　　Craig Venter的一大科学贡献是把人类的基因库组装起来，他发明的方法是很有意思的“鸟枪法”。比如说我要知道《三国演义》这本书里文字的序列，但是我能得到的只是打碎的一行一行的片段。Venter的方法是找很多本《三国演义》，然后打碎成一行一行的，由于是随机的，所以每行的断裂都不一样，然后把得到的千千万万碎片上下重叠起来，就可以得到《三国演义》中原始的文字序列(见下图)。当时没有人觉得这个方法可行，而Venter坚信可以由此得到百分之八、九十的人类基因序列，虽然不是100%，但已经很了不起了。　　如今十几年过去了，测序仪技术有了突飞猛进的发展。2007年以来，新一代的DNA测序仪层出不穷，主要是因为CCD(电荷耦合元件)的应用，使得大家可以在很多不同的位置上观测大量的序列，提高测序通量，这样一来，测序价格的衰减比指数衰减还快。现在如果你想测你的基因组，一天之内就可以完成，价格大概1000美金。其中Illumina公司的仪器占据了90%的市场。第三代测序仪是单分子测序仪，但它现在在成本、准确性和通量方面还不能与基于大量分子的DNA测序仪相竞争。　　我的哈佛实验室也做过一个测序仪，但是我们起步比较晚，这是因为到哈佛以后要学怎么做教授，怎么教书，怎样申请基金。 我们只发表了一篇文章，没形成产品。中国目前还没有自己的测序仪，但就像中国需要自己的飞机一样，中国也需要自己的测序仪。这几年我和北大的黄岩谊教授一直在合作做这个工作。　　哈佛实验室的新发明　　新一代测序仪对医学的贡献是革命性的，它使个体化医疗成为可能。什么是个体化医疗?就是通过个人的基因组测序，为预防、检测和治疗疾病提供个体化的解决方案，所以基因测序成为了个体化医疗的基础。　　一个著名的例子是，美国好莱坞影星安吉丽娜?茱莉公开宣布她切除了乳房，因为她知道自己携带一个有缺陷的基因BRAC1，她的医生估算过，她有87%的几率患乳腺癌，50%的几率患卵巢癌。她宣布切除乳房的这一天，是2013年5月13日，当时我正好在美国卫生局进行一个申请项目的答辩。我的实验室有一种技术，可以让父母避免把严重的遗传病遗传给胎儿。评审委员会听到朱莉的新闻后就问我，如果把我的技术用来避免把有缺陷的基因遗传给下一代，伦理上行不行?我当时还没想好，结果这个项目没有在美国启动。关于伦理问题，我到今天也没有一个好的答案。但我今天想告诉大家，我们这两年在北京大学的一个工作，是伦理上可以接受的。　　这个新技术对我来讲是一个新的单分子实验。如果给我一个人的体细胞，我能告诉你这个人的基因组，就是46条染色体的序列是什么样的。　　我们以前是测多细胞的，抽10毫升血来测。那么我们为什么要测单细胞的基因组?因为由于种种原因，基因组对每个细胞来讲都不相同。比如说人类生殖细胞(精子、卵子)在分裂时发生随机重组，使得每个生殖细胞都不相同。另外癌细胞中剧烈的基因组变化，也使得原发肿瘤中的细胞之间存在高度不同。　　刚才说到在一个细胞中最常见的基因组改变包括点突变和基因拷贝数变化。这种变化是单分子的变化，所以是随机的，不同细胞是不同步的，不知道它什么时候发生，也不知道它在哪发生，因此每个细胞都拥有不同的基因组，这使得单细胞测序成为必须。只不过以前技术上不可行。到目前为止，还没有一台单分子测序仪可以把46条染色体从头测到尾进行测序，我们必须借助于单细胞基因组的扩增，就是把46条染色体放大，然后进行高通量的测序。　　第一种方法是PCR(聚合酶链式反应)技术，这是一个在1985年获得诺贝尔奖的技术，有单拷贝的高灵敏度。在犯罪现场，只要拿到一个DNA分子，我们就可以把信号放大到被检测的点。但是如果用它来覆盖全基因组，指数放大覆盖率只有6%。因为PCR技术是指数放大，让一个DNA变成两个，两个变成四个。这种指数放大过程不够精确，因为它是对拷贝进行拷贝，一旦拷贝件出错，错误就会被传下去，结果就不准了。　　2012年，我在哈佛的实验室发明了新的单细胞扩增方法——“多重退火环状循环扩增法”(MALBAC)。它的最大优势是线性扩增，而不是指数扩增，不针对DNA拷贝再做拷贝，我们只拷贝原始DNA。就像一台复印机把原始的一份文件复制成多份，如果一次复制出错的话，在扩增后的产物里是微不足道的。哪怕单个细胞的30亿个碱基对里有一个碱基错了，我们都能看出来，而且没有假阳性。这种方法比此前广泛应用的MDA(多重置换扩增)方法能更准确地检测SNV(点突变)和CNV(拷贝数变异)，将覆盖率大大提高到了93%。　　做出这个工作的是我哈佛实验室的博士后宗诚航和我当时的博士研究生陆思嘉。目前，宗诚航正在 Baylor College of Medicine 做助理教授。陆思嘉在哈佛的博士论文就是关于MALBAC技术。他想看到他毕业论文的社会效应，所以两年前回国跟我创立了做单细胞测序的公司——亿康基因。他目前担任亿康基因的CTO。　　我们当时做的第一个实验就是测单个精子的序列。精子作为生殖细胞，是单倍体，有23条染色体，其中一半基因来自父亲，一半基因来自母亲。　　如图所示，绿的是父源DNA，红的是母源DNA，每条染色体都是父源和母源基因的组合。由于基因组合交结的地方不一样，所以每个精子的序列都是不一样的。这就是为什么兄弟姐妹都不一样。　　这项工作是与我以前BIOPIC的同事李瑞强教授合作的。精子来源于一位华人教授，我们检测了他的99个精子，发现了几个染色体不正常的精子细胞，其中一个缺第19号染色体，一个6号染色体出现了2个拷贝。好在这个人还算正常，因为任何一个正常的男子都会有～5%的精子出现拷贝数不正常的现象。这种不正常是由于细胞分裂时染色体没有正常分裂。这种染色体不正常的精子会导致生殖障碍、流产、胚胎停育或者唐氏综合症等遗传疾病，尽管父母看起来完全健康，但就是有5%的出错几率。对男子而言，这5%的几率是不随年龄变化而变化的。但对女士的卵子来讲，染色体不正常的几率在30岁之前是25%，此后很快随年龄的增长而上升，到40岁的时候是70%。这就导致发生生殖障碍的比率和流产的比率随年龄的增长而增加，生育成功率则随年龄的增长而递减。　　利用MALBAC技术，我们可以选择一个染色体正常的受精卵来提高生育成功率，特别是对高龄产妇。这是可能的，因为她们染色体不正常的几率并不是100%，即使在43岁以后，妇女仍然有正常的卵细胞，只不过几率小一些。即使是50多岁的妇女，只要有一个染色体正常的受精卵，不管是本人的还是别人捐献的，她怀孕的成功率就和年轻妇女一样。也就是说有一个好的卵子是正常生育的前提条件。　　中国是一个人口大国，出生缺陷率高，遗传疾病患者多，大概有1%。不孕不育的夫妇也越来越多,高达育龄夫妇的10%，全国大约有一千万对育龄夫妇存在不孕不育问题，渐渐成为一个严重的社会问题，此外，随着现代化进程的推进，头胎生育年龄逐渐增加，这个问题也会日益严重。不孕不育和遗传疾病不仅为患者个人带来了巨大的痛苦，也大大增加了家庭、社会与政府的负担。　　MALBAC宝宝的诞生　　世界上第一个试管婴儿诞生于1978年，迄今已有超过600万个孩子是通过试管婴儿技术出生的。Robert Edwards是试管婴儿的创始人，他于2013年去世了。然而直到他去世前两年，也就是2010年才荣获诺贝尔奖，并获得爵士封号。可以想象他当年的研究工作困难有多大，绝不仅仅是技术上的困难。　　中国第一个试管婴儿于1988年在北医三院诞生，由张丽珠教授完成，她是现在北医三院院长、著名妇产科医生乔杰教授的导师。当时张教授比Edwards晚了10年，而这次乔杰院长走在了世界的前列。为了将单细胞基因组学在生殖医学中进行应用，我和乔杰院长、汤富酬教授，还有亿康基因公司展开合作。汤富酬是北京大学“生物动态光学成像中心”(BIOPIC)的一位年轻有为的科学家，BIOPIC成立于2010 年，致力于技术推动生物医学的研究。作为BIOPIC的主任，在过去的几年里，我不断往返于北大和哈佛之间。我们的合作是怎么开始的呢?我当时需要一份精子活力的报告，找到乔院长帮忙，乔院长了解我们的技术以后，就说你可别光研究精子，一定要研究卵子，因为研究女人要比研究男人有意思得多。2010年，我们的“北京大学生物动态光学成像中心”(BIOPIC)成立了，立志于用技术推动生物医学的研究。　　我们要做的实验是对单个人卵细胞进行高精度的全基因组测序分析。下图是一个卵母细胞，里面有两根DNA是从父亲来的，两根DNA是从母亲来的。刚才讲过，基因在重组时的交结点不一样，使得每个卵子和精子都不同。卵母细胞成熟过程中，会在旁边产生一个第一极体和第二极体作为卵细胞减数分裂的产物，它们分别是双倍体和单倍体，这两个极体细胞是没有用的，会在生殖细胞发育过程中被降解。我们为了不影响受精卵正常发育，所以选择分析两个极体细胞的全基因组来推断这个受精卵的全基因组是否正常。　　不正常的第一种情况是染色体拷贝数不正常。 原因是细胞分裂时染色体分裂异常，即使父母完全健康。这种染色体不正常会导致生殖障碍或者唐氏综合症等遗传疾病。　　还有一种情况，如果父亲或母亲的基因有点突变，导致严重的遗传疾病，它们也会传给下一代。如果发生突变的基因只在极体内，受精卵没有点突变，那就没事 如果传到了受精卵里，就会让下一代患上遗传疾病。　　用MALBAC技术来进行单细胞基因组扩增，我们可以同时检测并避免上述两种情况，来提高生殖细胞健康发育的成功率，避免遗传疾病发生。具体做法就是用激光打一个小洞，把毛细血管插进去，吸出两个极体细胞来测序。如果疾病遗传自母亲， 我们用这个办法。如果疾病遗传自父亲，我们则在受精第5天时取1—3个囊胚细胞来测序。　　2013年，乔院长在北医三院开始了临床实验，利用MALBAC技术进行胚胎遗传诊断。我们第一个病例，是一位患有遗传性多发性软骨瘤(HME)的男性患者，他从10岁开始，几乎每过两三年就长一个瘤子，所以他的身上充满了金属。这种病是由于名为EXT2的基因发生单碱基杂合缺失，造成移码突变。与孟德尔推测豌豆遗传类似，他和正常女性生育的后代会有50%的概率患病。与豌豆实验不同的是，这是人命关天的事，不能出任何差错，所以我们特别需要MALBAC技术的精确性。　　通过体外受精技术，共得到这对夫妇的18个胚胎，经过致病突变位点检测和染色体筛查，发现共有7个胚胎是既没有点突变，也没有染色体异常的，乔院长从中选了第4号胚胎进行移植。　　2014年9月19日，世界首例MALBAC婴儿诞生了，我们去看这个孩子的时候，她真是完美，她一声都没哭，一直冲我笑。　　第二个病例是一位携带少汗型外胚层发育不良致病突变基因的女性，她和丈夫已经有了一个遗传了这种疾病的儿子，没头发、没汗腺、没牙齿，他们想要二胎生一个正常的孩子。此病的发病率是十万分之一，美国电影演员迈克尔?贝瑞曼(Michael Berryman)也患有这种病，他没有毛发、汗腺和指甲，一直在呼吁医学界对他这种遗传病进行研究。这个致病基因EDA1是在X染色体上，如果生男孩，患病的概率是1/2，如果生女孩不会发病，因为女孩有两个X染色体，而致病基因EDA1是个隐性基因，但该女孩有1/2的概率携带这种致病基因。　　通过试管婴儿技术，共得到这对夫妇的5个胚胎，其中2个胚胎既不携带致病基因，也没有染色体异常，乔院长选了一个看上去最健康的移植。这个孩子于2014年11月30日出生，不但正常而且肯定不再会把该疾病传给后代。　　总结一下，MALBAC技术可以同时避免染色体不正常和非常严重的基因点突变导致的遗传疾病，使得我们可以提高生殖的成功率，得到健康的后代。　　想要孩子的朋友可能会想，我们能不能用这种技术来选择一个胚胎，让孩子拥有更漂亮更聪明的基因?首先，基因组学还没有发展到这种程度，能够让我们非常了解哪个基因是控制长相的，哪个基因是控制聪明程度的。那不是单基因的问题，而是多基因的事情。我们现在做的，就是避免非常严重的遗传疾病。目前世界上大概有7000多种单基因遗传疾病，常见的有400多种。避免这类遗传疾病在伦理上是可以接受的。　　能否在更广泛的情况下使用这类技术?比如是否应该筛选掉得癌几率高的BRAC1 基因，它导致癌症的几率是70%， 而不是100%， 我们能不能让父母决定婴儿以后的命运?我认为这不是我们科学家或者医生能解决的问题，整个社会应该进行伦理上的研究和讨论。　　MALBAC的第二个应用是癌症。在中国，癌症的发病率、死亡率逐年上升。根据2012年的统计数据，中国每年新发癌症病例约为312万例，中国人一生患癌概率高达22%，死于癌症的概率为13%。　　癌症是由于基因组改变所引起的疾病，针对癌症的很多重大课题都需要单细胞基因组学。首先是个体化治疗，即靶向治疗，就是要对症下药，通过测序找到基因组哪里出现了改变，现在很多新药都是靶向治疗。　　癌症难以治愈和高死亡率的罪魁祸首是肿瘤的转移。其机理是癌症先出现在原发灶，然后通过血液循环扩散到身体的其他器官。然而，癌症病人血液中肿瘤细胞数量很少，一般只有几个，传统的研究手段往往基于大量细胞才能进行分析。因此我们的单细胞测序技术就可以用到循环肿瘤细胞的研究上。对病人来说，还有个好处就是抽血分析的检查是无创的，不用做活检。北大肿瘤医院的王洁教授、BIOPIC的白凡教授，以及天津医科大学的张宁等教授和我的实验室一起参与了这项工作。　　我们在一个肺癌病人的几毫升血液样本中共找了8个循环肿瘤细胞，对它们进行基因测序，看到基因组不同位置点突变，这突变信息为个性化治疗提供了重要依据。但是，这8个循环肿瘤细胞的单碱基突变存在异质性——也就是说每个细胞都不一样，这样对癌症检测意义

近日，东南大学附属中大医院医学检验科吴国球教授团队联合中大医院重症医学科/江苏重症医学重点实验室杨毅教授团队，以临床需求为导向，聚焦呼吸道病原微生物感染（如甲流）监测，创新性的利用“干式”反应原理，结合新材料、新工艺、新方法，成功研发甲流核酸即时检测（POCT）试剂盒并实现量产。该试剂盒可常温、目视、一步法实现呼吸道样本的床旁核酸检测，在30分钟内即可获得检测结果。据中大医院重症医学科主任杨毅教授介绍，“甲流”是甲型流感的简称，是由甲型流感病毒感染引起的急性呼吸道传染病。流感病毒主要通过空气飞沫传播，也可以通过口腔、鼻腔、眼睛等黏膜直接或间接接触传播。轻症流感常与普通感冒表现相似，但其发热和全身症状更明显。重症病例可出现病毒性肺炎、继发细菌性肺炎、急性呼吸窘迫综合征、休克、弥漫性血管内凝血、心血管和神经系统等肺外表现及多种并发症，甚至死亡。治疗重点是缓解发烧、咳嗽等流感样症状，一旦出现持续高热，伴有剧烈咳嗽、呼吸困难、神志改变、严重呕吐与腹泻等重症倾向，应及时就诊。中大医院医学检验科主任吴国球教授介绍，长期以来，POCT的内容主要以免疫、生化技术为主，而分子诊断技术的融入使POCT进入新的发展阶段，成为IVD行业新的研究前沿和热点。2019年新型冠状病毒肺炎（COVID-19）大流行引发了临床实验室对分子诊断前所未有的关注以及公众对核酸检测的关切。分子即时检测省去了分区标本处理/核酸提取和大型仪器设备检测等步骤，可直接快速地得到可靠的结果，在重大公共卫生事件紧急应对、院内感染管理、居家监测等提供重要的技术支撑。分子POCT技术壁垒高，当前诸多产品仍集成于小型仪器且需要专业人员操作。团队自2020年基于催化发夹自组装结合免疫层析试纸条（胶体金/荧光）研发了一系列分子POCT试纸条，授权了多个相关专利，并发表了一系列原创性论文，包括甲/乙流、呼吸道合胞、HCV、解脲支原体，HPV E6/E7 mRNA检测等，为分子POCT试剂盒的成功研制奠定了基础。作为全球首款灵敏检测甲流核酸的床旁试剂盒，可视化或利用团队开发的手机APP，在30分钟内即可获得检测结果；与商品化PCR试剂盒比较，阳性符合率82%，阴性符合率100%；Ct32时，阴、阳性符合率为100%，各项指标均可达到临床使用要求。吴国球教授表示，该成果的取得是医学检验科以“自由探索”和“目标导向”双驱动，实现“临床引领、基础创新、转化应用”的目标迈出了坚实一步，也是中大医院作为综合性大学教学医院“医工交叉”“产教融合”取得的又一标志性成果。