国家蛋白质科学研究设施的设计与研制

分子影像系统是从单分子、单细胞到组织、器官、活体小动物，在多尺度和多层次水平上，并从离体和在体两个不同的角度上，分析蛋白质结构与功能的全方位分子影像系统。分子影像系统以及配套的样品制备模块，集成原子力显微镜、高精度激光双光镊、超高分辨率成像显微镜等主要的先进分子影像仪器设备，在国内乃至亚洲地区形成强有力的分子影像科研技术支撑和保障服务的大科学装置平台。

生物单分子行为研究，是指在单分子水平上对生物分子行为（包括构象变化、相互识别、相互作用等）的实时动态检测，以及在此基础上的操纵和调控等。这是分子生物学的自然延伸与必然趋势[1]。单个生物分子的尺寸，一般在纳米量级，需要应用和发展纳米科学技术，并采用一些新的技术方法和概念加以研究。同时，物质在纳米尺度下常具有不同于宏观的性质，这些性质往往在生命科学领域有着广泛的应用前景[2，3]。进行生物单分子研究有2个关键性的问题。第一是选择有必要用单分子方法研究，并能够取得生物和医学中突破性成果和具有重大研究意义的研究课题，如蛋白质错误折叠问题与异常生命现象、特异性分子识别单分子机制和超灵敏检测等[4]。第二是必须有相应的、集中的技术与方法支撑，如原子力显微镜技术、扫描探针显微镜技术、光（磁）镊技术、单分子荧光超高分辨率成像技术等[5，6]。发展适于活细胞研究的生物单分子成像、检测与操纵的新技术、新方法、新手段，并跟合适的生物体系研究相结合，这在单分子生物研究中显得尤为重要[2]。随着国内科研技术水平的提高和交叉学科的发展，近几年国内单分子生物学研究的需求越来越大。目前众多高校和科研院所都在逐步建立自己的单分子生物学研究团队。由于单分子生物学研究对硬件设施的要求较高，分子影像系统单分子模块的建成，既满足了各研究单位对高效率制备单分子样品以及精细检测和研究生物单分子特性的需求，又有利于资源集中优势的配置，可以有效避免重复建设及浪费。

再者，当前的生命科学越来越注重阐明蛋白质分子在生物体中的活动，尤其注重研究小鼠等模式动物中的蛋白质活动，以便更真实地揭示生理与病理的现象和规律。对活体小动物体内的蛋白质研究，主要是采用分子成像装置，检测动物体内的蛋白质行为[7]。近年来，活体分子影像技术发展非常迅速，在细胞和组织水平的各种生命活动，如细胞生长、信号转导和细胞运动以及与各种疾病特别是肿瘤、心血管和神经-精神疾病的研究及药物开发等相关的蛋白质研究中，成为不可或缺的技术手段[8]。本系统计划在上海设施建立分子影像系统活体小动物模块以及配套的动物房设施等，可极大地提高设施在蛋白质活体研究上的能力。(www.xing528.com)

单分子技术在过去20年里，已逐渐发展成为研究分子微观尺度的表面形貌、拓扑结构、力学行为和分子活动等本征信息的有力工具[1]。在生命科学的研究领域中，小到单个蛋白质，大到单个细胞，都可以通过主要的几类单分子纳米技术，进行系统、互补的研究。分子影像系统的相关仪器设备包括原子力显微镜[9]、高精度激光双光镊[10]、磁镊[11]单分子荧光超高分辨率显微镜[5]等。本系统将致力于发展和利用这些先进的单分子纳米技术，实现支持大多数生命科学领域对蛋白质科学基础及应用问题的多尺度和多层次研究，为国内外的蛋白质科学研究提供先进的技术平台，并进一步促进该领域的技术进步以及相关纳米生物技术的产业化发展，培养蛋白质科学研究的分子影像技术专业人才。分子影像系统的对外服务和运维管理，以及其所具有的科研创新活力，都将特色鲜明、应用广泛。

分子影像系统主要建设单分子影像分析和活体小动物分子影像两大实验模块和一个样品模块。样品模块包括样品制备设备和实验动物房，不但为系统提供分子、细胞样品与实验动物，还为设施的其他系统提供在体功能研究样品及技术支撑。目标是在单分子、单细胞到组织、器官、活体动物的多尺度、多层次水平上，并从离体和在体两个不同的角度，建成分析蛋白质结构与功能的分子影像系统。该系统的建设周期为3年。