国内外蛋白质科学研究设施设计与研制现状

蛋白质是最主要的生命活动载体和生物功能执行者，要揭示生命的奥秘就必须研究蛋白质，因此蛋白质科学已成为生命科学与生物技术的关键领域。蛋白质研究有助于阐明疾病机理，探索临床诊治的新途径；揭示农作物生长发育规律，为优质高产农作物的新品种选育提供技术储备；推动诸多新型生物技术产业的发展，提高我国的综合国力。蛋白质科学研究将以其对经济和社会发展所作出的基础性、战略性和关键性贡献，为研究解决人口、健康、农业、环境生态、国家安全等重大问题发挥作用。

生命科学在其迅速的发展中，对蛋白质结构研究设施产生了巨大的需求，体现在诸多方面。

1.1.1　规模化蛋白质制备

蛋白质表达与纯化是蛋白质科学的基础。无论进行结构测定还是功能分析，获得高纯度、高活性的表达纯化产物，总是蛋白质科学深入研究的第一步。传统的实验室规模的蛋白质表达与纯化工作，通常效率比较低，几个月才得到若干种甚至仅一种蛋白质。随着“人类基因组计划”的完成和后基因组时代的到来，研究者不再停留于传统的蛋白质生产方式上。例如，“国际结构基因组学计划”的一个重要目标就是大规模表达与纯化全部人体蛋白质和若干种模式生物的全部蛋白质。当前，规模化生产蛋白质的技术，已经成为研究人员推进蛋白质科学研究的重要手段。美国、欧洲、日本的大型蛋白质研究计划，均把蛋白质表达与纯化的规模化与自动化作为重要研究内容，并把膜蛋白的表达与纯化作为下一阶段的突破口。目前要高效而经济地纯化得到足够量的不同蛋白质，仍受制于以下几个环节：①准确地获得基因组全长的基因编码序列；②高效而经济地构建表达载体，使之适合于不同体系、不同研究目的之表达与纯化需要；③设计合适的原核、真核、无细胞表达体系（系统），并在产业化水平上进行重组蛋白质的高表达；④筛选适于进行高通量纯化和固相化的标签蛋白质。因此，目前国际上生命科学的大规模研究设施，首先要解决的问题就是提高生产与纯化蛋白质的能力。

1.1.2　多尺度蛋白质结构研究

不同的蛋白质具有不同的三维结构，而不同的蛋白质结构又决定了蛋白质特定的功能。因此，蛋白质结构研究是蛋白质科学的核心内容之一。结构生物学采用许多方法对生物大分子的结构进行研究，其中X光晶体衍射是当前在原子水平上确定生物大分子结构的最有效手段。从首次确定鲸鱼肌红蛋白结构开始[1]，在大约50年的时间内，已有超过4万个生物大分子的结构被确定，并存储到蛋白质数据库中，其中超过3.4万个结构（占已知蛋白质三维结构的84.8%）是采用X光晶体衍射技术测定的（由核磁共振技术和电镜技术所测定的结构数分别为14.8%和0.34%）[2]。随着晶体制备、数据收集、计算与图像处理软件系统的不断完善和自动化能力的不断提高，X射线晶体衍射已成为蛋白质三维结构研究中的常规技术手段。

“人类基因组计划”的实施，同样引起结构生物学的革命性发展，即大规模和高通量的蛋白质结构解析，由此形成了结构基因组学。在结构基因组学研究中，蛋白质-蛋白质复合物以及蛋白质机器的三维结构解析，代表了蛋白质结构生物学研究的发展方向。由于蛋白质-蛋白质复合物结构复杂，分子量大，生长出的晶体往往具有很大的晶胞尺寸，衍射能力弱，故几乎所有研究对象均须依托高亮度同步辐射光源，才可能获得具原子分辨率尺度的三维结构信息。同时，对有重要生物学功能的膜蛋白，基本上也只能依靠同步辐射蛋白质晶体学方法，来实现其结构的测定。因此，同步辐射技术已成为当前推动蛋白质结构测定快速发展之最重要因素。同步辐射X光的强度，是目前常规实验室转靶X光机所产生X光强度的100万倍以上。同时，同步辐射X光的波长连续可调性及光束高准直性，也是普通X光源无法比拟的。这对蛋白质晶体学产生的直接效果是：晶体衍射的分辨率（resolution）和数据质量显著提高，对晶体尺寸的要求明显降低，数据收集速度明显加快，相位解析手段也极大地得到加强。最近10年，依托同步辐射光源测定的晶体结构，已占到现有蛋白质结构总数的65%。缘于此，各发达国家纷纷建立以同步辐射装置为基础的蛋白质科学研究设施。

核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）技术也是蛋白质结构研究的重要技术之一[3]，其优点是蛋白质样品不需要结晶，可直接在溶液中进行结构测定。在细胞生理过程中，存在许多低亲和力的蛋白质-蛋白质相互作用，它们往往在分子调控过程中起到关键作用，由这种弱的相互作用形成的蛋白质复合物是瞬时和动态的。核磁共振技术适于在原子分辨率水平上阐明这种蛋白质相互作用的动态界面，以及蛋白质相互作用过程中的动力学特征。

电子显微镜（electron microscope，EM）对于高分子量蛋白质复合物的结构解析具有独特作用。在用低温电子显微术和三维重构技术解析蛋白质结构方面，迄今已分化发展出3种具有不同特点和适用范围的方法——蛋白质电子晶体学、单颗粒样品的三维重构以及电子断层术（electron tomography，ET）。蛋白质电子晶体学利用电子显微镜的成像功能和电子衍射功能，从蛋白质的二维晶体获取结构信息，以解析蛋白质的三维结构。由于易获得膜蛋白的二维晶体，而不易获得其三维晶体，因此蛋白质电子晶体学在解析膜蛋白方面有很大潜力。电子断层术主要用于分子量巨大的蛋白质复合物及小细胞器的结构测定。用此法可以对处在细胞中原位的目标直接进行测定，从而不仅可测定该蛋白质复合物的结构，也可获得其与周围环境联系的结构信息。此外，还可利用低温电镜较高的时间分辨率，研究蛋白质的动态结构变化。

1.1.3　蛋白质动态研究的技术与装置日趋成熟(www.xing528.com)

所有蛋白质在执行其生物功能时，都依赖于特定的结构，而细胞内的蛋白质结构是随时间、空间与环境因素而动态变化的。因此，用静态的或单一的技术来进行蛋白质结构研究，显然还不能够真正揭示生命的动态性特征。更重要的是，蛋白质在各个层次上的变化可以相互影响，进而最终影响蛋白质或蛋白质群的功能。可以将蛋白质的这种多层次变化总称为“蛋白质动态行为”，它称得上是生命复杂性的分子基础。

在当前研究蛋白质动态过程与相互作用的主要手段中，基于同步辐射光源的技术是最有发展前途的。例如，X射线小角散射是目前唯一能用来动态测量生物大分子形状的方法，如蛋白质折叠过程等。它还是研究溶液中生物分子相互作用以及结构柔韧性的强有力手段，这对于理解生物体系中分子间的信息传递至关重要。结合由晶体学方法得到的各组成分子的高分辨结构信息，可以对超分子复合物中各组分之间的相互作用进行深入研究。生物分子的散射实验通常需要在溶液状态下进行，这种散射信号弱，必须采用高强度的X光才能开展有意义的研究。在第三代光源上开展此研究，研究的范围和时间分辨都将得到数量级的提升，时间分辨可以达到亚毫秒甚至微秒水平。

红外光谱学可以分析生物分子如蛋白质、核酸、糖类、脂类以及生物膜结构等的振动、转动和分子间相互作用的能级跃迁；可以分析单晶、多晶、无定形和溶液等各种形态的样品，从而在生物分子的晶体学分析数据和溶液状态的核磁共振（NMR）分析数据之间搭建联系的桥梁。红外光谱跃迁的时间尺度是皮秒，远小于NMR分析的时间尺度，因此红外光谱具有研究快时间分辨的生物分子结构动力学的能力。同步辐射红外光源拥有宽光谱范围、高光谱亮度和脉冲时间结构等主要优点。它进行全光谱辐射，覆盖了从近红外到远红外的整个波段。其脉冲时间结构可以利用来开展时间分辨的动力学研究。如前所述，核磁共振技术也是当前用于研究蛋白质动态行为之主要手段。

蛋白质在执行功能时，通常伴随着磷酸化等修饰的发生。这些修饰导致蛋白质的结构发生改变。因此，研究蛋白质的修饰，乃是研究蛋白质结构及功能的一个重要内容。此外，随着生命科学研究的进展以及对复杂生命体系认识的不断深化，当前的蛋白质科学研究已经不能只是孤立地去研究某个或某些蛋白质结构；而系统地、整体地去研究蛋白质相互作用的网络及其功能，已成为正确认识复杂生命体系和人类疾病发生及发展的必由之路。在对蛋白质修饰与相互作用的分析技术方面，以质谱技术为核心的研究技术，已成为当前国际上蛋白质科学的重要组成部分。

1.1.4　数据库与计算系统成为重要的手段

随着实验方法的改进和技术的发展，酵母双杂交系统、质谱仪、蛋白质芯片等实验手段被越来越广泛地应用在蛋白质结构、功能和相互作用的研究上，在这方面积累了大量的数据，为研究新的蛋白质的结构和功能打下了基础。这些数据大都通过公共数据库实现共享。在国际上，美国、欧洲和日本在生命科学数据库建设方面居于领先地位，如美国国家信息技术中心（The National Center for Biotechnology Information，NCBI）包括核酸、蛋白质、基因组、结构信息和一大批数据挖掘工具在内的整合的生命科学公共数据库，瑞士的蛋白质数据库（Swiss-Prot），欧洲分子生物学实验室的蛋白质功能域数据库（Interpro），以及由美国国家卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）资助的蛋白质整合数据库（UniProt）等。

国际公共的蛋白质数据库，都包含多类型的蛋白质数据。这些数据库不仅数据数量庞大，而且数据类型众多，不同类型数据之间关系复杂，难以进行深层次的数据加工。目前的趋势是，以蛋白质数据库为中心，整合蛋白质科学研究各个专题项目所生成的实验数据，并建立数据之间的关联。建设数据整合平台，不仅能满足日常数据管理的需求，完成多个数据库之间的衔接，而且能为蛋白质数据分析提供统一的数据管理平台，从而极大提高蛋白质科学数据的服务能力和服务质量。

随着对复杂生命体系认识的深化和海量数据的产生，计算生物学已成为当前生命科学的一个新兴前沿学科。此学科从大量的实验数据中，通过计算机处理和数学模拟来形成理论模型。它不仅有助于了解复杂生命系统中的所有成分以及它们之间的动态关系，还可以通过建立数学模型，帮助预测生命系统在外界干扰之下的行为。