探秘蛋白質的「前世今生」——國家蛋白質科學中心·上海(籌)印象

圖為蛋白質科學研究（上海）設施核磁共振分析系統。

生活中的烏雲總是不期而至。一位正值花季的美國女孩，突然被告知患上了一種非常難治的癌症。基因檢測結果顯示，她所患癌症的亞型發生率極低。

　　

在患同一大類癌症的人群中，只有2%的人所患亞型和她一樣。幸運的是，針對這一亞型恰好有一種特效藥。經過不到3個月的治療，她痊癒了。

　　

國家蛋白質科學中心·上海（籌）主任雷鳴用這個真實的案例，向科技日報記者生動闡釋了精準醫療的未來圖景。但並非所有的癌症患者都和那位女孩一樣幸運。在人類通往精準醫療的道路上，蛋白質科學研究將扮演什麼角色？身為國家大科學工程之一的蛋白質科學研究（上海）設施（以下簡稱「上海設施」）對推進蛋白質科學研究將起到怎樣的作用？

　　

為回答這些問題，科技日報記者近日走進國家蛋白質科學中心·上海（籌）一探究竟。

　　

不容小覷的「儀器集群」

　　

和以往走進的國家大科學工程相比，上海設施沒能在視覺上給人造成強大衝擊。

　　

「我們這裡主要是一些體量相對較小的生命科學研究的儀器集群，以至於在立項之初，是否將上海設施列入大科學工程都存在爭議。」雷鳴說道。

　　

可別小瞧這裡的「儀器集群」。上海設施自2014年5月試運行以來，前來參觀的10多位諾貝爾獎得主和其他國際知名專家對設備的先進性紛紛「點讚」。

　　

雷鳴回憶道，十多年前，我國在蛋白質科學研究領域雖然已取得一批達到國際一流水平的研究成果，但整體上仍落後於國際先進水平。科研基礎設施建設滯後，是制約蛋白質科學發展的關鍵因素。

　　

在科學家們的不懈努力下，蛋白質科學研究設施國家重大科技基礎設施項目於2008年被批准立項，成為我國生命科學領域第一個大科學工程項目。蛋白質科學研究設施分為上海和北京兩部分，上海設施以建設蛋白質結構解析能力為主。

　　

圍繞從生物體的空間尺度和生命過程的時間尺度來研究蛋白質，上海設施構建了由規模化蛋白質製備系統、蛋白質晶體結構分析系統、核磁分析系統、集成化電鏡分析系統、蛋白質動態分析系統、質譜分析系統、複合雷射顯微成像系統、分子影像系統和資料庫與計算分析系統組成的9大技術系統，具備規模化蛋白質製備、多尺度結構分析、多層次動態研究、修飾與相互作用分析以及資料庫與計算分析5大能力。

　　

史蒂夫·哈裡森是雷鳴在哈佛大學讀博士時的導師。參觀上海設施後，史蒂夫感覺非常震撼，對雷鳴很年輕就有機會參與如此重大的項目表示讚賞和羨慕。收穫羨慕之餘，雷鳴多次被問道：「在如此先進的科研平臺上，你們能做出哪些世界一流的工作來？」

　　

獨一無二的蛋白質「智能工廠」

　　

每一個蛋白質就像一個人一樣，有自己的脾氣秉性。要把它研究透徹，需要時間。

　　

上世紀六七十年代有句話叫「one protein，one career」，意為一個教授一輩子只能研究透一個蛋白質。「我主要研究端粒，從評上教授到現在，也只解析了數十個蛋白質的結構。」雷鳴說道。

　　

要摸清蛋白質的「脾氣」，首先是要獲取高純度的蛋白質樣品。想見到蛋白質的「真身」，就必須打破細胞。而細胞一旦被打破，裡面90%的蛋白質就同時被破壞掉了，蹤跡難覓。

　　

找到目標蛋白質後，保存也是個難題。相對於「皮實」的基因，蛋白質要「嬌氣」得多。記載遺傳信息的基因就像是張可以隨意擺放的卡片，沒有變性的擔憂。蛋白質則不同，一旦溫度、溼度、光線等環境因素發生變化，就會有變質的風險。

　　

在傳統的生物學實驗室裡，穿著白大褂的科研人員手持移液槍，往裝有不同液體的瓶瓶罐罐裡添加試劑是常見的場景。在上海設施的規模化蛋白質製備系統裡，這一幕正在被自動化的機器操作所取代。

　　

高通量克隆構建實驗室的中心區域是一個用玻璃超淨間封閉起來的自動化機械操作平臺。操作臺外有一臺集成軟體的計算機負責「發號施令」。科研人員啟動預設程序後，白色的機械臂在平臺的各個自動化儀器間來回挪動，輕巧地把一個個96孔板放置到指定的板位上。各個自動化儀器的板位分別可執行加液、振蕩、離心、清洗等生物實驗操作。

　　

傳統手工操作，一個人每天最多克隆十幾個基因。眼前的這套自動化系統，一天可以克隆960個基因，生產效率相當於一個數百人規模的基因克隆企業。「我們希望把自動化概念引入科研中，重複勞動讓機器來做，科研人員可以有更多的時間去探索和思考真正的科學問題。」規模化蛋白質製備系統主管鄧瑋告訴記者。

　　

上海設施自主設計和研發應用流程的這套系統，如同「智能工廠」一般，能獨立完成一整套從分子生物學到細胞生物學的全部實驗操作。

　　

「集成化程度越高的自動化設備，出錯的機率就越高。針對完全陌生的樣品，我們這套系統的可靠性能達到70%，這已經是一個非常不錯的結果了。」雷鳴表示。

　　

五線六站 透視蛋白質內部結構

　　

蛋白質並不是由鬆散的胺基酸隨機排列組合而成，每一種天然蛋白質都有自己特定的空間結構。結構決定著蛋白質的功能。

　　

肌紅蛋白是哺乳動物心肌和骨骼肌中貯存和分配氧的胞內蛋白質。1960年，英國科學家肯德魯（John Kendrew）首次用X射線衍射法測定了來自抹香鯨的肌紅蛋白的三級結構。這一發現，使他成為1962年諾貝爾化學獎的獲得者之一。

　　

大多數人都有醫院照X光的體驗，X射線衍射法相當於是給結晶後的蛋白質拍X光，拍出的是一幅蛋白質晶體原子尺度的三維結構圖。

　　

在建築外觀呈鸚鵡螺形狀的上海光源裡，有5條光束線和6個專用實驗站（五線六站）用於蛋白質科學研究。五線六站包括4個X射線實驗站和兩個紅外光譜實驗站，它們構成了上海設施的蛋白質晶體結構分析系統和動態分析系統。

　　

記者來到五線六站時，上海光源處在停光檢修期，複合物晶體線站負責人秦文明正在進行設備調試，為第二天的復工做好準備。排成一長溜的設備間和操作間由厚重的屏蔽門把守，機器的轟鳴聲給人置身工廠車間的感覺。

　　

國家蛋白質科學中心·上海（籌）副主任張榮光，是五線六站的負責人。2009年回國之前，他在美國阿貢國家實驗室工作近20年。阿貢的APS（先進光子源）是世界上最先進的同步輻射中心之一，採用X射線衍射法在半小時內測定蛋白質晶體結構曾是阿貢的驕傲。在五線六站，這一時間被縮短為幾分鐘。

　　

「我們安裝了先進的衍射儀和探測器，收集全套數據最快只需36秒，接著使用自建的軟體系統，不到5分鐘就能完成對數據的處理和分析，給出蛋白質的三維結構。」張榮光表示，五線六站不僅配備了世界一流的硬體設施，在實驗方法和自動化上也有了很大程度的改進和提升。

　　

過去，科研人員帶著蛋白質晶體樣品來到線站做實驗非常忙碌。因為不能確定收到的數據是否有用，針對同一個晶體樣品，要反覆不停收集多套數據，帶回去做進一步分析。

　　

「現在很快就能看到結果，一次可以帶上一批樣品來線站做實驗，節省了大量的時間和人力。我們的目標是，用戶帶到線站上來的是晶體，帶回去的是蛋白質的結構。」張榮光說道。

　　

核磁共振拼搭蛋白質結構「積木」

　　

不是所有的蛋白質在純化後都能順利結晶。結晶了的蛋白質也可能由於晶體質量等原因，難以被X射線「看清」。此外，同步輻射產生的X射線能量很高，小一點的晶體在被它探測時有「粉身碎骨」的風險。

　　

在晶體學力所不及的領域，同樣藉助X射線設立的生物小角線站能彌補一二。事實上，溶液狀態下的蛋白質表現得更為「動態」和「真實」。小角線站負責人李娜介紹，小角散射技術能快速捕捉到溶液狀態下蛋白質的瞬時結構。只需要秒量級，甚至毫秒量級的時間，就能看見兩個分子是否形成複合物。

　　

解析度不高是小角散射的不足之處。張榮光進一步解釋說，就像從遠處看兩個人的位置關係一樣，能看清他們是靠在一起，但具體是手牽手，還是腳靠腳，就不得而知了。要在溶液狀態下看清原子尺度的細節和運動，就要靠核磁系統了。

　　

離開五線六站，記者來到了上海設施的核磁共振實驗室。藍色塑膠地板上，分布著5臺白色圓柱狀的「大傢伙」。其中，體型最大的900兆核磁共振譜儀是目前國內在使用的最高場強的超導磁體設備之一。為了方便把樣品放入儀器頂部，還專門搭建了高約四五米的扶梯。

　　

和光束線站、電鏡等設施的直接成像相比，核磁共振掃描得到的是「間接」信息——蛋白質分子裡每2個氫原子之間的相對距離，據此勾勒出蛋白質的三維結構。對此，核磁系統技術主管劉志軍打了個形象的比方：一個坐著的人，如果能測算出他的頭、手、腳等部位兩端的距離，就能畫出他的大致輪廓。

　　

「也可以理解為，核磁共振掃描得到的是一盒子拼插積木，接下來的事情就是把積木一塊塊地搭建起來，難點就在於不知道這些積木分屬於哪個部位，是頭還是腳，需要先指認，再通過計算來還原成三維結構。」劉志軍說。

　　

為了「指認」方便，劉志軍和他的同事們正在構建一個大的資料庫。理想狀態是，核磁共振掃描溶液狀態下的蛋白質後得到的實驗信息，可以去資料庫中進行對比，如果有類似的「片段」，就可判斷出這塊「積木」屬於哪個部位，再進一步去還原。「搭積木的效率高低，取決於已知信息的多少，還原蛋白質三維結構也是如此」。

　　

蛋白質研究為藥物研發鋪路

　　

蛋白質（protein）的概念最早由瑞典化學家永斯·雅各布·貝採利烏斯在1838年提出。「protein」源自希臘文「protos」，意為「第一的，首要的」。其時，人們對於蛋白質在機體中的核心作用並不了解。

　　

一直到上個世紀40年代，在美國的教科書裡，蛋白質被認為都長著一副橄欖球的模樣，為細胞提供黏稠度是它主要甚至唯一的功能。隨著DNA（脫氧核糖核酸）雙螺旋結構的提出和首個原子尺度的蛋白分子三維結構圖的精準呈現，分子生物學時代的大幕開啟，人們開始逐漸摸清蛋白質的「長相」和「秉性」。

　　

細胞是生命體的基本單位。在構建細胞結構、生物催化、物質傳輸等方面，蛋白質發揮著重要的作用。生物體新陳代謝幾乎離不開的催化劑——酶，絕大多數都是蛋白質。

　　

然而，和DNA測序、基因組研究的耳熟能詳相比，蛋白質研究似乎略顯低調。事實上，蛋白質研究可視作基因研究的姊妹篇。雷鳴以肺癌為例說道，過去肺癌病人都用一種藥物治療，現在看來並不科學。儘管結果都表現為肺癌，但從分子尺度分析，發病機理千差萬別。

　　

上遊致病的基因多種多樣，不同基因組會產生數百種或數千種蛋白質組合，形成不同特質的癌細胞。每一種組合背後的原因也不盡相同，因為基因的表達方式錯綜複雜，同一個基因在不同條件、時期可能會起到完全不同的作用。如何找到精準的治療靶點成為棘手的難題。

　　

「通過測序能知道多少種基因有病變，分析出主要矛盾是哪個，但基因檢測只能用於診斷，給不了治療的藥物，下一步需要藉助於蛋白質科學研究，為生物製藥提供對症的『靶點』。在未來，精準醫療有望給每一種不同亞型的癌症患者提供有針對性的藥物。」雷鳴表示。