運(yùn)用生命活動(dòng)解析技術(shù)探尋生命的色彩
生命科學(xué)領(lǐng)域最前沿的研究方向是什么？解析生命規(guī)律提供新方法有哪些？人類疾病的診療與藥物發(fā)現(xiàn)研究方面有哪些顛覆性技術(shù)？11月6日下午1時(shí)30分，我校面向本科生打造的高端學(xué)術(shù)講座“通海講堂”第55期暨“學(xué)校首屆十大學(xué)術(shù)進(jìn)展”系列講座第2場(chǎng)在奉賢校區(qū)圖文信息中心通海廳準(zhǔn)時(shí)開(kāi)講。華東理工大學(xué)光遺傳學(xué)與合成生物學(xué)交叉學(xué)科研究中心主任楊弋教授受邀作為本次講座的主講嘉賓，講座由藥學(xué)院藥物科學(xué)系主任劉桂霞主持。出席此次通海講堂的還有校學(xué)術(shù)委員會(huì)秘書長(zhǎng)呂遐、校長(zhǎng)辦公室副主任王海明、校長(zhǎng)辦公室蔣曉春。
在本期講堂中，楊弋以“生命的色彩”為題，從生物成像技術(shù)史、光學(xué)成像研究前沿和目前正在從事的研究這三個(gè)部分為學(xué)生們呈現(xiàn)出一場(chǎng)震撼的生命科學(xué)盛宴。
楊弋首先介紹了生物成像的基本歷史。“生物檢測(cè)的最高境界是生物成像”，楊弋指出，生物成像顛覆性方法與諾貝爾獎(jiǎng)的聯(lián)系密切。自1901年倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線而獲得了第一次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)開(kāi)始，生物成像領(lǐng)域先后獲得了十多項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)：1906年的神經(jīng)細(xì)胞染色技術(shù)、1953年相差成像技術(shù)、1979年CT斷層成像技術(shù)、1986年電子顯微鏡技術(shù)、2003年的磁共振技術(shù)、2014年超分辨熒光顯微鏡技術(shù)和2017年冷凍電鏡技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)。在生命科學(xué)領(lǐng)域，光與生命現(xiàn)象早已結(jié)下了不解之緣。從科學(xué)發(fā)展觀來(lái)看，在21世紀(jì)，所有的科學(xué)技術(shù)都將圍繞人與人類的發(fā)展問(wèn)題，尋找各自的存在意義與發(fā)展面。因此，生物成像從來(lái)就是生命科學(xué)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。
生命活動(dòng)具有極度復(fù)雜的時(shí)空分布。在生命科學(xué)領(lǐng)域首先要做的兩件事情，一個(gè)是要有孫悟空的“火眼金睛”，即能看到生命的本質(zhì)是什么；另一個(gè)就是要有孫悟空的“金箍棒”，即合適的工具可以實(shí)現(xiàn)改變生命來(lái)達(dá)到治療疾病的目的。之前傳統(tǒng)研究分辨率低，通量低，近代研究是觀察性研究，在未來(lái)則要能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)到更精細(xì)的層次，并能對(duì)研究對(duì)象的多重性質(zhì)、動(dòng)態(tài)的時(shí)空信息進(jìn)行獲取，并實(shí)現(xiàn)對(duì)生命活動(dòng)的觀察與調(diào)控。這就是生命科學(xué)的前沿所在。
生物光學(xué)成像的難點(diǎn)在于如何產(chǎn)生可識(shí)別的分子光學(xué)信號(hào)。從自然界來(lái)看，螢火蟲(chóng)發(fā)光是一個(gè)常見(jiàn)的生命現(xiàn)象，它屬于高強(qiáng)度的生物發(fā)光肉眼可以看見(jiàn)。生物發(fā)光是一種酶催化的氧化作用，存在于細(xì)菌、真菌、昆蟲(chóng)、魚類等許多有機(jī)體中，但是在高等的動(dòng)植物中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)生物發(fā)光。1962年，下村修在一種生活在北冰洋寒冰水域的水母-維多利亞多管水母體內(nèi)發(fā)現(xiàn)并純化了綠色熒光蛋白。馬丁·沙爾菲發(fā)現(xiàn)了綠色熒光蛋白的價(jià)值，并第一次將這種工具投入實(shí)驗(yàn)研究。1994年，華裔科學(xué)家錢永健改造了熒光蛋白，使之熒光更強(qiáng)并變色。這3位科學(xué)家由此獲得了2008年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。從此，熒光蛋白帶來(lái)了生物技術(shù)的新革命，熒光蛋白可以標(biāo)記任何的蛋白質(zhì)分子。各種化學(xué)探針和生物探針被發(fā)明出來(lái)以了解細(xì)胞各種物質(zhì)在不同的時(shí)間、空間、物種以及生命的調(diào)控過(guò)程等七維數(shù)據(jù)。
光遺傳學(xué)是最新發(fā)展起來(lái)的前沿學(xué)科，是21世紀(jì)生命科學(xué)領(lǐng)域最引人注目的革新之一。通過(guò)結(jié)合遺傳工程與光來(lái)操作，可對(duì)特定細(xì)胞內(nèi)的生物活動(dòng)直接進(jìn)行時(shí)間空間的控制。生物學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)用試管做實(shí)驗(yàn)，而現(xiàn)在可以用一束光把一個(gè)細(xì)胞和計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，用計(jì)算機(jī)控制和接收細(xì)胞信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞分析，使人類對(duì)生命現(xiàn)象的控制程度達(dá)到了前所未有的水平。光遺傳學(xué)的意義在于可以改變生命體系，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、高通量，并通過(guò)與物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)、材料、機(jī)械等學(xué)科進(jìn)行交叉得到大數(shù)據(jù)，并通過(guò)人工智能進(jìn)行分析，這將會(huì)幫助生命科學(xué)研究取得很大的進(jìn)展。
目前，華東理工大學(xué)在細(xì)胞代謝熒光成像技術(shù)方法及其應(yīng)用上具有強(qiáng)大研究實(shí)力，系列原創(chuàng)成果取得了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注。代謝是生命的基本特征，是一切生命科學(xué)的基礎(chǔ)；而細(xì)胞是代謝的最小單位也是生命活動(dòng)的最小單位。幾乎所有重大疾病都與代謝相關(guān)，如糖尿病、肥胖癥、衰老、腫瘤、神經(jīng)退行性疾病等。因此，代謝科學(xué)是國(guó)際生命醫(yī)學(xué)科學(xué)聚焦的最重要的研究領(lǐng)域。另外，人類通過(guò)控制代謝方向，讓物質(zhì)流動(dòng)到理想的合成的產(chǎn)品，比如微生物藥物、化妝品、生物材料、降解污染物等。未來(lái)，大量的物質(zhì)將要由生命科學(xué)創(chuàng)造，即通過(guò)使用可持續(xù)的生物制造替代石油化工，通過(guò)合成生物學(xué)的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)“綠色地球”的目標(biāo)。我校五十年代建校時(shí)的五個(gè)專業(yè)有三個(gè)專業(yè)與細(xì)胞代謝研究領(lǐng)域相關(guān)：染料專業(yè)、制藥工程專業(yè)、抗生素化工專業(yè)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，已經(jīng)形成了細(xì)胞代謝研究的創(chuàng)新群體。我?？茖W(xué)家在細(xì)胞代謝監(jiān)控原創(chuàng)工具的基礎(chǔ)研究、藥物發(fā)現(xiàn)與藥物生物合成等應(yīng)用基礎(chǔ)研究方向都取得了一系列重要的創(chuàng)新成果。如楊弋教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明的系列核心代謝物遺傳編碼熒光探針、熒光RNA探針、光控基因表達(dá)系統(tǒng)等前沿技術(shù)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞代謝活動(dòng)實(shí)時(shí)、高分辨、多層次的最精密監(jiān)測(cè)與控制，現(xiàn)已被國(guó)際同行廣泛跟蹤應(yīng)用。這些技術(shù)未來(lái)有望在代謝機(jī)制、藥理與藥物代謝、新藥發(fā)現(xiàn)、藥物制造、、化妝品檢測(cè)、食品檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、藥物篩選、醫(yī)學(xué)即時(shí)檢測(cè)等各個(gè)方向得到廣泛應(yīng)用。
在互動(dòng)環(huán)節(jié)，同學(xué)們積極踴躍的提出問(wèn)題：糖尿病是否在將來(lái)可以通過(guò)光控的方式實(shí)現(xiàn)治愈、“對(duì)癌的戰(zhàn)爭(zhēng)”與“帶癌生存”的不同觀點(diǎn)的看法等，楊弋分別作出了詳細(xì)的回答，最后楊弋提出對(duì)同學(xué)們的寄語(yǔ)：生命圖像的秘密無(wú)窮無(wú)盡亟待探索，希望有越來(lái)越多的同學(xué)能夠參與到更多的研究中。整場(chǎng)講座氣氛熱烈而融洽。
此次“通海學(xué)堂”系統(tǒng)性地回顧近百年來(lái)科學(xué)家在生物成像領(lǐng)域中開(kāi)發(fā)的顛覆性技術(shù)。這些技術(shù)不僅可為人們解析生命規(guī)律提供新方法，也可為人類疾病的診療與藥物發(fā)現(xiàn)的研究提供新的手段，還可用于生物工程與生物制造，具有重要的科學(xué)意義與社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
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