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生物学家雷鸣:精研蛋白质创国际一流

2015-07-21 06:34
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  7月18日,在“上海科普大讲坛”上,结构生物学家雷鸣研究员作了题为《了解人类健康与疾病的金钥匙——蛋白质科学》的科普讲座,全场座无虚席,掌声阵阵。

  雷鸣,美国哈佛大学生物物理学博士,现任国家蛋白质科学中心上海(筹)主任,中科院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所副所长,研究员,博士生导师,中组部“千人计划”特聘专家。

  记者随雷鸣来到他所在的国家蛋白质科学中心,作为我国生命科学领域中第一个综合性的国家级重大科技基础设施,中心即将通过国家验收。

  建设国际一流平台

  雷鸣向记者介绍说,蛋白质中心拥有世界一流的规模化、系统化研究技术装备,是具备蛋白质制备能力、多尺度结构分析能力、多层次动态研究能力、整体与定量分析能力和数据库与计算分析能力的国际一流蛋白质科学研究平台。

  2011年6月22日,雷鸣记忆犹新,这一天,当时还是美国密歇根大学医学院教授的雷鸣和老同学、美国哈佛大学医学院教授周界文博士通完电话后,当即签下回国协议,决定参与上海设施的建设。

  卖了在美国的房子,结束了实验室的工作,雷鸣带着妻子和两个年幼的孩子到上海赴任,全身心投入到这个令他引以为傲的巨大工程中,开始将项目从方案变成现实的艰难征程。

  “在上海设施建成之前,我国有物理、工程、材料等领域的综合性基础设施,唯独没有生命科学领域的,而生命科学是目前国际上发展最迅速、最热门的学科之一。”雷鸣说。

  早在十多年前,蛋白质科学研究就开始了生命科学领域的一场世界性角逐。那时,我国在蛋白质科学研究领域虽然已取得一批达到国际一流水平的研究成果,但整体上仍落后于国际先进水平。基础设施建设滞后,是制约其发展创新的关键因素。一批著名科学家纷纷建言,我国应加快建设综合性的国家级蛋白质科学研究设施。

  蛋白质是生物体最重要的组成成分和生命活动的物质基础,是最主要的生命活动载体和功能执行者。全球迄今尚未有一家综合性的世界一流蛋白质研究平台,这为上海率先建成世界级蛋白质科学中心提供了机遇。为此我国在2008年11月将“蛋白质科学研究设施国家重大科技基础设施项目”列入国家高技术产业发展项目计划。2010年12月,蛋白质科学研究(上海)设施动工建设,总投资7.56亿元,项目总建筑面积3.3万平方米,由中科院上海生命科学研究院承担建设任务,委托生化与细胞所实施管理,并依托上海设施,同步筹建国家蛋白质科学中心(上海)。

  从“手工作坊”到“智能工厂”

  上海设施地处上海光源所在的浦东张江高科技园区,并且依托上海光源建设了用于生命科学相关研究的五条光束线以及六个实验站。

  为了将上海设施建设得更好,雷鸣和他的团队殚精竭虑日夜苦干,劲往一处使。按照原先的设计方案,蛋白质的生产和结构分析是“手工作坊”式的,虽然能够完成技术指标,国际上也都是这么做的,但雷鸣和他的团队不甘心先进的上海设施有一个角落不那么“先进”,他们想大胆尝试搞成自动化系统。

  “我太为自己的团队骄傲了,都不是搞自动化的,却自行设计了5套大型自动化装置,其中包括一套‘高通量自动化克隆构建系统’,四套配备先进的规模化蛋白质制备系统,软件控制、硬件设备和科研应用相结合,实现了整个大规模克隆构建和蛋白表达过程的自动化。”雷鸣说,“手工作坊”一跃成为“智能工厂”。

  在高通量克隆构建实验室,技术员牟波告诉记者,传统人工正常做实验,手工操作一天每人最多完成十几个基因克隆,利用这套克隆构建系统,一天可完成960个基因克隆,若进一步升级硬件后,可提高到3840个,极大地提高了生物实验效率,降低了出错率。

  “高精度激光双光镊系统”是蛋白质中心独家研制的一套系统。设备的所有零部件都购自现成,组装后却有了超强功能。光镊实验室技术主管任煜轩告诉记者,依靠这套系统,激光是“镊子”,能研究蛋白质如何折叠、变形。

  国内目前在用最高场强的核磁共振设备,主要用来测试蛋白质的溶液结构,类似于给蛋白质做CT。周界文带着研究人员开展了核磁共振新技术的开发和新方法学的研究。目前新方法的主体研究已完成,正进入软件测试阶段,对推广核磁共振技术在结构生物学领域的广泛应用有重要意义,特别是对依托高场核磁共振设施进行大蛋白质的结构测定过程将更加可行。

  质谱分析系统由13台质谱分析仪组成,在系统负责人黄超兰的主持下,已自主研发了一系列国内其他实验室尚不具备的研究手段,吸引了全国各地甚至美国诺贝尔奖获得者的研究组等多家科研单位前来合作,在短短1年间已有超过100多个课题在进行。

  管理创新硕果累累

  怎么保证科研物资采购中不存在“猫腻”?蛋白质中心还自主研发了一套科研物资管理系统,尝试利用信息化管理,实现集中采购,依靠专业的服务团队,使供求信息透明化,来解开这一困扰中国科研多年的管理难题。

  现在该中心所有实验室的研究人员都可登录这套名为eSupply系统下单购买实验试剂、耗材,资金从课题组经费账户中扣除,而蛋白质中心则能以“团购”方式,拿到最优价格的材料。

  “这是一个网上采购平台,监控能力强大,可以杜绝在资金使用中的漏洞。”雷鸣说他的初衷是更好的管理科研经费,现在该系统已获国家计算机软件著作权。

  同在一个园区的上海科技大学也受益于这套先进的管理系统。上科大已经委托eSupply管理团队对整个大学的科研物资采购进行服务。在雷鸣等人看来,由专业团队进行集中采购,或许是堵住科研经费采购漏洞的一个解决之道。除管理蛋白质中心物资外,还兼管上海科技大学的物资,不久有望在中科院其他研究院所推广。

  雷鸣说,这里的创新系统改变了蛋白质科学研究的方式,不仅完全可以发展为一个全新的产业,还能为上海乃至中国在未来二三十年攀上全球与蛋白质相关的生物产业制高点。

  目前,蛋白质中心已经建立了一支由国家“千人计划”引进人才领衔、国家“青年千人计划”和中科院“百人计划”引进人才为骨干的科技队伍,承担包括中科院战略性先导项目在内的30多个国家重大科学研究计划和上海市重点项目等研究,获得的重要研究成果在《自然》等国际权威学术期刊上发表。其中,有的成果发现了人类免疫系统的工作新机制,有的成果将推动研发新一代抗丙型肝炎病毒治疗手段,还有的成果为以胃癌为代表的肿瘤治疗提供了新的策略和途径。

  最近这段时间,已有逾10位诺贝尔奖得主到访,充分肯定了蛋白质中心的工作。同时,该中心还携手数家生物医药领域跨国企业,整合双方强大的生命科学设备与技术资源,先后与GE医疗生命科学、贝克曼库尔特等公司形成良好的合作机制,并共建实验室。

  雷鸣表示,他们将打造开放、协作、创新的国际一流蛋白质科学研究平台,为我国的蛋白质科学基础研究提供强有力的支撑。“特别要催生一系列新理论、新技术、新产品,促进药物靶标发现、重大疾病防治、重大新药创制、重要农作物改良、生物能源转化、工业生物催化等多个领域和相关产业的发展。”

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