最新生物领域技术进展一览

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生物通综合：

顶级实验室陈方清：蛋白-DNA相互作用新方法

美国能源部劳伦斯伯克利实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory ，Berkeley Lab）科学家和加州大学伯克利分校研究人员利用纳米金颗粒结合DNA，研制出一种分子“管理员”（ ruler made of gold nanoparticles and DNA），可以对“蛋白附着DNA”这样微小的生命现象进行检测。详细信息刊登于10月份第一期《Nature Nanotechnology》。

利用“管理员”，不需标记，就能实时、高清晰地对DNA－蛋白相互作用进行检测。因此，有助于推动日前关于遗传信息在DNA-RNA-蛋白之间传递的研究。

蛋白—DNA结合，激发基因表达是表达蛋白最早期的事件。通过使用这种分子“管理员”，研究人员可以轻而易举地对这些最早期事件进行观察。研究小组成员、伯克利实验室生命科学部科学家Fanqing Frank Chen 说：“我们可以利用分子管理员观察更上游的事件，测量初始阶段DNA结合情况。”

现在测量蛋白—DNA相互作用的方法都涉及到对蛋白和DNA进行放射性或者荧光染料标记。放射性标记需要冗杂的前期样品准备，并且受到实验室条件限制。荧光标记维持发光时间短，不能对长度为8纳米以上的复杂蛋白—DNA的相互作用进行测量。

“我们的工作（使用分子管理员）能够快速、方便地对DNA—蛋白相互作用作图，对蛋白与DNA携带的遗传信息结合进而指导遗传信息加工的过程进行精确测量，”Chen说，“能够对长度大于17，理论上长度大于70纳米的大型蛋白－DNA相互作用进行测量。”

分子管理员研究小组成员包括：UC伯克利生物工程教授Luke Lee，博士生Gang Liu（刘刚，音译）和伯克利实验室材料科学部主任Paul Alivisatos。分子管理员由可溶性纳米金和包被其外的DNA片段组成。大约100条双链DNA片段附着在纳米金颗粒表面，使整个分子管理员看起来如同一只多脚蜘蛛。

分子管理员的工作原理为等离子共振（plasmon resonance），即金属颗粒内部的中子进行共振的集合，这种情况下，金—DNA发生共轭。一个离子改变就会引起等离子共振改变，进而散射波长发生变化。比如，金－DNA分子管理员上长达54bp的DNA链由于某种原因变短了，那么散射波长就会发生变化，这种变化很容易被光谱仪器捕捉到。此方法灵敏度极高，以至于一对碱基的变化都能检测出来，因此为蛋白－DNA相互作用的精确定位研究开启了一扇新的大门。

Chen及其同事将分子研究员用于DNA印迹研究，他们研制出一种特定的金－DNA共轭物（gold-DNA conjugates）。与通常做法一样，研究人员使每个纳米金颗粒都携带了100条54bp长度的DNA片段。不同的是，这些碱基对中，插入了只结合模型蛋白——EcoRI(Q111)的6bpDNA序列。换句话说，在每条DNA链的相同部位，都编码EcoRI(Q111)蛋白的结合位点。实验过程中，研究人员向准备好的金－DNA共轭物中加入EcoRI(Q111)，并使其与DNA链结合。

分析“不守规矩”蛋白质的新方法

生物通报道：美国圣·犹大儿童研究医院通过对“混乱”蛋白质施压，证实多数这种不守规矩的分子在细胞中起到关键的功能。圣·犹大的研究组对这种所谓的无组织蛋白（IUPs）完成了首次大规模的收集、分析和分类。

St.  Jude的Richard  Kriwacki 指出，虽然科学家发现“易曲蛋白”多年，但他们仅仅最近才意识到这些分子在细胞中扮演的重要生物学功能。而且，其他研究员以前的工作表明，哺乳动物细胞中大部分IUPs在保持细胞活性和功能的细胞信号传递、协调生化和遗传活动过程中起着重要作用。因此，收集和研究IUP具有重要的意义。这项研究的新发现公布在《蛋白质组研究》杂志上。Kriwacki说：“到目前为止，没有办法从众多结构蛋白中大规模地分离IUPs来研究其在细胞中的作用，我们新的技术就是要选择性地浓缩与细胞调节和传递信息有关的IUPs。”

与教科书上描述的传统性蛋白不同，IUPs不完全受困于僵硬的3-维立体形状。相反，IUPs能改变其弯曲性，有时变成空心管结构，这种结构对IUPs功能的行使是很重要的。例如，p27  蛋白刚开始像SlinkyTM玩具，当p27开始工作时，组成一个“虎头钳”柄样的酶，进而促进失控的细胞分裂。

    该研究组在研究过程中发明了一项新的技术，即通过热量从培养的老鼠NIH3T3成纤维细胞的标准类型中大规模分离、纯化IUPs。因为，与其他很多结构蛋白不同，IUPs是耐热性蛋白。基于这些研究，研究者可以将IUPs从内在折叠蛋白（IFPs，例如完全折叠成特殊形状）或紊乱蛋白的混合物（MPs）中进行分离。

深度解析《科学》蛋白新技术

生物通报道：来自美国康奈尔大学Baker实验室化学与化学生物系，以及奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck）分子生物学有机化学研究院（Institute of Organic Chemistry and Center for Molecular Biosciences Innsbruck，CMBI）的研究人员发现了一种称为 top-down的新技术，成功突破了以往质谱技术测量上的限制，可以以高于过去四倍的精准方法分析含有2000个氨基酸的蛋白，观察蛋白生理活动。这一研究成果公布在上一期（10月6日）《Science》杂志上。

链接：
Science 6 October 2006:
Vol. 314. no. 5796, pp. 109 - 112
DOI: 10.1126/science.1128868
Extending Top-Down Mass Spectrometry to Proteins with Masses Greater Than 200 Kilodaltons
[Abstract]

这种“top-down”的新技术主要基于质谱仪的技术原理，即通过测量离子或带电颗粒的质量，离子架与电荷量的变化来了解微小蛋白分子的活动。在分析的过程中，先把大片段蛋白打碎成不同的小片段，记录下各个小分子蛋白的详细资料，然后将这些小分子蛋白进行蛋白数据库比对，当生理活动与蛋白质的代谢行为发生时，比如氧化或是磷酸化等等，蛋白本身就会因为不同原子的加入或分离而改变了质量、离子架与电荷量的关系，再利用质谱仪技术的就可以测量分子活动的细节了。

“Bottom-up”技术（上半部分）是目前较为广泛使用的一种技术，这种技术主要是通过将目的蛋白用酶比如trypsin进行消化，得到的多肽用质谱进行分析，这个过程有两个步骤，第一个（图上标记为MS）是确定完整的tryptic多肽，第二个过程（图上标记为MS/MS）中，这些多肽离子通过片段化后检测蛋白序列以及蛋白修饰。

而“top-down”技术（下半部分）中，原初蛋白离子就被直接片段化进行质谱分析，获得这个蛋白的分子质量，形成蛋白离子片段ladders，通过这些信息就可以分析得到蛋白的最完整结构了。

但是文章作者提到“top-down”技术也存在不足，因为这个方法获得的蛋白修饰的信息较少，因此可能更适合于测量每个蛋白的完整状况并提供更准确的蛋白身份认定，以及揭示出突变和修饰信息。而“Bottom-up”技术则适用于进行较大规模蛋白研究，因为它能从一个样本中确定出大量的蛋白，但不能给出每个蛋白的完整信息。

经改良的质谱技术DESI有助于癌症检测 


普渡大学的研究人员最近与范德比尔特大学的一个生物医学研究组共同发明了一种可能用于医院化验室的工具。

R. Graham Cooks的研究小组发现，利用棒状的样品探针可精确地测定肝癌。这种技术能在数秒内鉴别患病和未患病的组织。

研究人员认为这种仪器在不久的将来，可帮助医生在病人离开手术台前确定肿瘤是否完全移除。这项研究的论文发表于Angewandte Chemie的封面上。

质谱是现代化实验室中一种常备的分析仪器，而棒状探针则是这个研究组对质谱的其中一项改良。由于普通的质谱耗时耗力，因此Cooks研究组对这种仪器进行了改良以使它们不但能便于携带，而且还能在5秒内确定一个没有经过预先处理的样本组成。

研究人员将这种改良的质谱技术命名为desorption eletrospray ionization（DESI，吸附电喷离子化），它将一种纯净的水雾喷向一个铅笔形状的管子的表面，这种管子能在液滴与样品中的物质混合后，吸收这些液体。

DESI的医用价值远不止如此，它还可能帮助医生确定出一种药物在不同的身体器官中运作的情况。经由分析一个组织样本中的不同区域，医生将可以更准确地评估它的作用机制，进而确定药物的效果。

用来控制分子的量子新技术 

科学 (Science)杂志在九月份出刊的最新一期中，由渥太华的加国国家研究院 (National Research Council Canada；简称 NRC)的科学家，发展出一套利用雷射激发控制分子的活动，可以借着量子变化的过程，成功的改变化学反应进行。 

量子技术 (Quantum technologies)的发展，是近代科学的重大突破，因为它基于自然界所观察不到的量子力学 (quantum mechanics)理论，一下子把科学家观察物质变化的眼光，缩小到分子的层级，因此过去许多被认为不可能实现的技术与瓶颈，都有可能藉由量子技术的发展，而达到可以操控的目的。 

这次 NRC的科学家，就以量子力学的理论为基础，透过雷射激发特定波长的超短波能量，尝试着影响化学反应的发生过程。过去的经验证实，化学反应这种变化的过程 通常会循一定的能量变化过程，因此反应过程以及产物的生合成，都是可以预期的。而这次NRC 的研究人员，突破了过去化学反应的限制，把反应透过能量的操作，直接的切入到分子间量子能量的变化，研究人员相信这是分子量子力学操作的起点，将来经过深入的开发，一定可以有更大的科技突破。 

DNA使奈米微粒的组装速度加快 

美国能源部Brookhaven国家实验室的科学家最近发现，DNA分子能帮助增加奈米微粒结合的速度。

奈米微粒可以更有效地产生能量和存储资料，同时也能提高疾病的诊断和治疗。但是科学家需要面对的一大挑战，就是研究出如何将这些奈米微粒结合成大的功能性聚集物。

根据Brookhaven研究所发表于10月11日Journal of the American Chemical Society网络版中的研究结果，研究作者Mathew Maye表示，了解如何组合这些奈米材料，有助于奈米技术应用于从光学到电子及磁性材料的不同领域中。

研究人员找到了利用双股DNA结合金奈米微粒的方法。这项技术是利用DNA的四种核苷酸ATGC互相结合的特性。

在生物学里，DNA是信息物质。而在奈米领域，DNA则是优秀的结构物质，因为它们有严格的自行结合特性。利用DNA可以找到控制无机奈米分子结合的方法。

实验室用合成DNA结合到奈米金颗粒上，然后和别的颗粒上的DNA结合。这一过程使金颗粒也结合在一起。为了避免单股DNA会弯曲而和颗粒自身表面结合，研究人员使用了部分双股的DNA来防止这种情况发生，使结合变得更有效。