中国学科发展战略·生命分析化学

绪论 “什么是生命分析化学”和“生命分析化学需要研究哪些内容”，是生命分析化学学科战略研究中*重要的两个问题。我们将在此绪论中通过对这两个问题的探索和理解，抛砖引玉，阐述对生命分析化学学科轮廓的描述，前瞻学科未来发展方向。生命分析化学是研究生命体系中各种成分、结构单元及其相互作用过程中的变化，建立生命活动过程中生物分子检测新原理、新方法与新技术，对生命物质与生命过程进行特异、灵敏、快速地定性、定量检测、分析与监控，实现分子识别和特征生物信息提取的一个新兴的交叉科学领域，将成为解开生命化学过程之谜的钥匙。 生命是什么？通常，我们能直观地区分出什么是有生命的、什么又是没有生命的。可是要给生命下一个科学的定义却还很困难。认识生命的本质是人类认识世界过程中一个根本的问题，没有任何东西比探测生命本身更能激发人类的好奇心！许多先贤都曾尝试就这个问题给出自己的回答，例如，薛定谔在他的著作《生命是什么——活细胞的物理学观》中，探索性地将生命的本质描述成熵的减少；受其启发，沃森和克里克进一步猜想所有生命现象都是在分子水平上发生，这一观点直接导致了分子生物学的诞生！瑞士心理学家皮亚杰则从功能性出发，在他的《发生认识论原理》一书中指出生命的本质在于“自我调节”；而Sherwin B. Nuland从遗传的角度提出，生命存在的意义或许就是将自身的DNA一代一代传递下去。 事实上，到目前为止，人类都还一直没能彻底解决这个问题。现代生物学家通常认为，生命是物质存在的一种动态变化形式。当物质体系具有完整的结构，具有应激性和遗传变异特性，并能进行新陈代谢、生长和生殖，以及在一定程度上适应并改变环境时才能被称作生命。纵观21世纪来49位诺贝尔化学奖获得者中有35位的研究直接与生命科学相关。近些年来，生命科学中取得的一些*为重要的进步，如应用CRISPR/Cas系统进行基因编辑，或者利用CLARITY技术进行蛋白质及其结构的无损成像分析等，均离不开化学在生命科学中创新应用的重要作用。因而，从化学家的角度概括地说，生命过程其实就是一系列复杂化学反应的集合。 生命科学有两大类核心问题，即认识生命和提高生命质量。而所有这些，都需要通过理解生命的化学本质来实现。用化学的语言描述，这些问题囊括了：生命的化学起源、生命的分子基础、生物大分子的动态修饰、基因的遗传机制、记忆与意识的物质基础、细胞的修复机制、细胞间的协同互作、生命的运作机制等。因而，生命分析化学学科的出现充分体现了生命科学与化学间的内在一致性。 回顾自20世纪以来的世界科学发展历程，我们会注意到“学科的高度分化”和“理论的高度统一”是现代科学的两大特征和趋势：学科的交叉可以促进产生创新成果；而学科的深度交叉乃至融合，就有可能产生新的学科！生命分析化学学科正是在这样的思考和实践中应运而生的，它体现了分析化学与生命科学的深度融合，因而其两大基本内涵表现在：理解生命的化学本质，必然需要借助分析化学手段，因而也促进了分析化学的发展；而用新的分析方法研究生命的化学过程，则又充实了生命科学的内涵，推动了生命科学的发展。 一方面，从科学发展史来看，分析化学的基本测量原理、方法、技术的应用和工具的产生，极大促进了生命科学发展，每一次技术的革新都推动着生命科学前进的步伐，以显微成像为例，17世纪光学显微镜的发明使生物学家首次能够观察到细胞结构；20世纪初，荧光显微镜的诞生将显微技术从古老的明场成像带入荧光成像时代。利用化学合成的不同颜色的荧光分子作为探针来标记细胞，并赋予这些荧光探针特异的化学选择性，可以标记细胞内特定的结构甚至是特定的分子。20世纪后半期，共聚焦、全内反射等技术被引入荧光显微镜，大大降低了背景噪声干扰观测，提高了成像分辨率，逐步将细胞成像引入亚细胞时代。从世纪之交到21世纪的前10年，显微镜技术又经历了一个新的飞跃，化学家们设计合成出可以交替“打开”和“关闭”的荧光分子，利用单分子定位技术，每次激发非常少量荧光分子从而确定单个荧光分子的空间位置，然后通过多次重复上述步骤，解析重构得到超越光学衍射极限的荧光成像。伴随着超分辨显微镜的发展和完善，生命科学进入单分子时代。再以基因组测序为例，三代测序方法的提出都离不开分析化学方法的创新：**代测序法，又称为桑格 库森法，是利用双脱氧核苷酸链终止聚合酶链式反应，并利用电泳技术来实现序列识别。第二代测序采用的是芯片测序方法，它的原理和技术与**代基本类似，借助了微流控等芯片技术，使得许多通道的测序可以高通量同步进行，大大提高了测序的速度，降低了成本。第三代测序是单分子测序法，使用了包括纳米孔道电分析化学等新方法。纳米孔道测序是通过分析DNA分子进入孔道时造成的离子流阻断特性来识别基因序列，理论上可以实现直接对单个分子的完整测序，同时所使用的测序仪器体积小便于携带，因此具有很高的临床应用前景。 另一方面，生命科学中亟须解决的重大科学问题，同时也对分析化学的未来发展提出了更高的要求。例如，基于单分子定位的光学超分辨成像，通过“时域换空域”信号放大策略，在静态测量上取得了极大的进展；但如何在不牺牲空间分辨率的同时，观察到细胞内多种不同分子的分布、高时间分辨捕获分子间动态相互作用的过程，仍需进一步发展亚细胞水平的“显纳”成像分析方法和工具。又如，单细胞全基因测序方法是理解细胞间异质性的一种重要手段。目前，基于循环放大技术和高通量微阵列检测，单细胞的基因测序已有部分前期成果出现，而RNA测序则刚刚起步，亟须大量原创方法和工具开展相关的基础研究。再如，研究神经活动的暂态电化学过程，对解析脑科学中意识和记忆的物质基础具有重要意义，需要发展能够对毫秒以下时间尺度内的电信号与化学信号进行同步采集，同时不对活体组织生理活动产生过度干扰的分析化学新方法。此外，生命分析化学中另一个核心的问题是：如何在分子所处的微米、纳米层面的微小空间中将含量极低的活性生物分子产生的信号进行放大与提取？这意味着我们需要将痕量甚至单个生物分子的化学信息，与其空间位置、一维顺序、时间响应相结合。而这种“接近理论极限”的多维度测量需求，又驱使着化学家们另辟蹊径，探索完全原创的化学信息信号转导、传输、放大、接收、解码新模式和新思路。除前述纳米孔道、单分子成像、循环放大等方法外，进一步发展基于与相互作用距离密切相关的各类纳米尺度物理现象的信号转导新模式，如局域表面等离子体共振、荧光共振能量转移效应等，也是一个重要的研究方向。同时，生命分析化学的研究中会产生海量的数据，例如已经基本完成的全基因组测序，和正在进行的蛋白质组学、代谢组学研究等。因此如何“正确”地采集、传输、存储这些大数据，并从其中挖掘提取有效信息，解析和回答关键生命问题，对新时代的生命分析化学家提出了更高的要求。 综上所述，生命分析化学的核心任务，是发展适用于研究生命体系的测量手段和仪器装置，而归根结底还是分析方法学的创新。需要特别注意的是，由于生命时刻处于运动和变化的过程中，生命分析化学不仅仅是面向对象的研究，更重要的是针对非平衡、非线性生命化学过程的精准研究。唯有将研究不同生命体系尺度、层次、对象、过程中获得的化学信息有机整合，才能*终实现对生命系统、生命过程形成全面正确的认识。国内外生命分析化学研究人员在过去几十年间开展了波澜壮阔的科学研究活动，在研究的层次、对象、应用和新兴方法上取得了飞速进展和丰硕成果。据此也可以预见，生命分析化学在“认识生命和提高生命质量”的广阔科研天地中必将大有作为！ 从研究与观察的层次角度出发，分子是其中*基本的单元，而测量单分子的信息是分析化学可能达到的*高灵敏度，同时也是从*根本层面解释生命体系异质性的有力武器。针对单分子测量的技术发展日新月异，如单分子荧光成像、波动相关光谱、单分子计数技术以及单分子测序应用。而根据检测对象存在的形式可主要分为在体与离体单分子检测：在体检测的目的主要是观察活细胞或者活体中单个生物分子的动态行为，而离体检测的目的则更侧重于定量分析。 单细胞生物学是生命分析化学近期内发展的一个重要研究方向，理解单个细胞内和细胞与细胞间的化学过程，对于微观分子水平生命化学信息与更高生物学层次间的宏观测量结果之间的衔接起到了承上启下的作用。不同于单分子测量已建立了一系列相对较为成熟的定量手段，针对单细胞的“组学”研究、亚细胞区域的高时空分辨成像、单个细胞内分子间的动态互作等精准测量方法仍亟待发展。 在生命分析化学领域，“颗粒”是一个非常宽泛的概念，主要界定尺寸的大小为10~1000 nm，包含了如荧光团、蛋白质、细胞器、细胞源性微粒、病毒颗粒等大量物质。对单个颗粒物的示踪、快检、光谱、电化学分析、质谱分析等分析技术具有重要的应用前景。在与生命科学相关的活体分析化学中，研究脑内化学信号传递机制的电化学分析、光学成像方法是其中的突出代表；此外，纳米CT、核磁共振、多模态等多种生命体成像技术近年来也有长足的进步。活体分析是生命化学分析研究对象的*高结构层次，在活体水平上对生命过程信息的直接测量，是实现真实、全面、准确了解生命活动化学机制的必由之路。 在过去几十年的不断研究过程中，科学家们逐渐意识到蛋白质组的复杂性是要远远高于基因组。因此，在人类基因组计划基本完成的情况下，完成人类蛋白质组的测定并解析其生命化学作用和意义已成为当务之急，而首先需要实现的就是对生命体中蛋白质组的高准确度、高精密度、高覆盖度和高通量的定量分析。例如，建立液相色谱串联质谱联用技术与其配套样品处理技术的发展可实现蛋白质的相对和绝对两种定量方式：前者可用于比较特定化学过程前后蛋白质含量的变化，而后者则可用于研究样品中蛋白质的具体拷贝数或浓度。除了蛋白质的精准定量外，分析蛋白质复杂、动态的翻译后修饰过程也是理解蛋白结构与功能之间本征联系的重中之重。蛋白质翻译后修饰种类繁多，如磷酸化、糖基化、甲基化和羟基化等，这些都是了解蛋白质功能的重要方面，目前研究多集中于基于质谱技术而建立的样品富集、分离、鉴定、数据处理和定量分析等新方法。 脂类化合物是生物膜的主要成分，为蛋白质相互作用提供了适合的环境，可以储存能量，也可以作为信使分子。近年来脂质组学的研究动态备受关注，进展远超预期。脂质组分析方法包括脂肪酰类、甘油酯类、甘油磷脂类和鞘脂类化合物提取和分析，以及脂质组学全脂轮廓分析、目标分析、成像分析。 生物大分子功能行使的过程实际是其在不同空间和时间尺度运动的动态过程，其本质是生物大分子结构与周围其他分子结构间的相互作用，这是深入理解生物大分子结构与功能间的内在联系的重要方面。因此阐明生物分子动态构效关系的核心，不仅仅在于高分辨的三维结构，更在于研究其在从皮秒到秒这样宽广的时间尺度范围内的动态特性。目前液体、固体、胞内核磁共振方法是解析生物分子结构与功能的发展方向。 临床分子诊断、药物靶标与纳米诊疗三个方面是生命分析化学辐射于生命质量提高的重要研究热点。临床分子诊断是指，在分子水平上对患者的组织细胞、血液、分泌物、排泄物等标本进行各类疾病标志物的定性定量检测与分析，指导临床疾病诊断与治疗。其前沿研究领域包括核酸检测的核酸扩增、测序、生物传感等新方法，以及基于蛋白质标志物的电化学、化学发光等的免疫检测与传感新方法。现代新药开发绝大多数是基于靶标导向的，因此靶标的鉴定和验证起着举足轻重的作用，需要首先在分子水平找到导致疾病产生的根源，然后在临床上证明通过对靶标的药理调控可以获得治疗效果。尽管依靠生物信息学的大数据挖掘手段可以辅助靶标筛选，但发展生命分析化学新方法给出确凿的实验证据仍是关键，例如目前*为行之有效的亲和色谱富集、蛋白质活性表达谱和一些特定的非标记鉴定方法都是生命分析化学中重要的新方法的代表。此外，基于纳米材料的诊疗一体化近年来引起了人们的广泛关注。纳米诊疗是指利用纳米材料的尺寸结构、理化特性，将分子靶标识别基元与药物活性基元构筑到同一个纳米载体中，实现纳米药物的靶向富集、可控释放等多种功能协