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陈鹏教授主讲才斋讲堂第147讲:化学与生命科学的二次融合
日期: 2017-11-21  信息来源: 研究生院

“以化学生物学这一交叉学科的建立为标志,化学与生命科学的二次融合为生物学新功能、新机制的发现和研究提供了新的契机。”2017年11月16日晚,北京大学化学与分子工程学院教授、前沿交叉学科研究院副院长陈鹏以“化学与生命科学的二次融合”为题向同学们讲述了化学与生命科学这两个领域之间二次交融的历史,展示了“化学生物学”作为新兴学科的魅力与前景,并介绍了自己实验室所开展的生物正交剪切反应等工作。研究生院副院长姜国华主持并全程参加了讲座。

 
陈鹏教授主讲才斋讲堂第147讲:化学与生命科学的二次融合

陈鹏教授首先回顾了本世纪以来获得诺贝尔化学奖的各项研究成果,指出其中相当一部分都属于生命科学的范畴。通过细致的剖析,陈鹏教授认为,诺贝尔化学奖虽然在很大程度上青睐于生命科学问题的研究,但所授予的奖项要么揭示了生命过程的化学本质,要么是基于化学思想的原创生物技术的开发与应用,都与化学这一门基础学科息息相关。而这一现象也恰恰标志着学科交叉时代的来临,并促使人们对化学的学科定义和研究内容进行重新思考。例如,对于化学反应的认识,传统的观点不外乎分为在试管烧瓶中进行的反应(即:外源反应)和在生物体内进行的反应(即:内源反应)两大类。而随着科技的不断进步,这个界限逐渐变得模糊起来,很多外源化学反应的发生条件可以与鲜活的生命体系相适应,并逐渐在生命科学的研究中发挥作用。这一进程极大地推动了生命机制的精准研究和靶向调控。

陈鹏教授认为,化学药物,尤其是抗生素的出现和发展可以看做是化学与生命科学的首次融合。以药物化学的蓬勃发展为代表,化学家在治疗各类疾病的药物开发过程中发挥了关键作用,他们与生物学家一道为疾病的治疗提供了多样的靶标和干预分子。这类药物的发现、合成或者分离提纯都对传染性疾病的治疗具有革命性的意义。

陈鹏教授接着指出,受这一巨大成功的鼓舞,化学家与生命学家的合作愈加频繁,并不再局限于药物开发这一单纯目标,而是拓展至生命过程的机制研究和精准操控等方向。化学生物学这一新兴学科应运而生,也意味着化学与生命科学第二次融合的开端。与药物化学家重点关注化合物的成药能力所不同,化学生物学是一门利用外源的化学物质、方法或途径,在分子层面上对生命体系进行精准的修饰、调控和阐释的学科。它以探索生命过程的分子机制为主要目标,以小分子探针为核心工具,并在生命体系内开展外源的化学反应,从而与传统的生物化学也区分开来,为化学与生命科学的交叉融合提供了新的维度。目前,专注于化学生物学研究的机构已遍布全球,北京大学化学与分子工程学院也于2001年就成立了化学生物学系,是国内最早开展化学生物学研究的高校之一。

为了进一步展示化学生物学的研究特色与潜力,陈鹏教授以生物大分子的动态修饰为例,介绍了这一前沿交叉领域的研究内容与挑战。作为生命活动的重要物质基础,蛋白质等生物大分子时刻处于种类多样、时空特异和双向可逆的化学修饰当中。而由于这些修饰不受生物学中心法则控制,对其动态属性的研究目前才刚刚起步,还有很多未知的问题。在蛋白质所处的天然环境——活细胞或活体动物内对其进行研究具有极大的优势。然而,与各种尖端的体外技术相比,在体内研究蛋白质结构和功能的技术还十分匮乏,传统生物技术如基因突变等方法时效性差,传统化学小分子则特异性不高或机制不清。究其原因,是随着研究体系向复杂活体逐渐过渡,蛋白质研究技术的特异性、分辨率和动态刻画能力逐渐降低甚至消失,这些问题亟需新技术的解决。为应对这一挑战,化学生物学家发展了适用于活细胞的生物正交反应以及能够定点插入蛋白质的非天然氨基酸扩展技术,以实现对蛋白质的非天然编码标记和在体调控,为在活细胞等环境下的研究蛋白质的修饰及相互作用提供了有力工具。

对于生物正交反应(Biorthogonal Reaction),陈鹏教授又给予了进一步介绍。这是一类能够在活细胞或活体动物中特异进行,且不干扰生命过程自身的化学反应。它的发展和应用使研究者得以在不干扰生物系统的情况下对生物大分子进行实时、原位的观察和研究,是化学生物学领域的核心技术之一。 最近,受生成化学键的生物正交连接反应的启发,陈鹏教授课题组发展了基于化学键断裂的生物正交剪切反应。利用这一反应及蛋白质的非天然编码技术,他们能够在活体环境下实现特定蛋白质功能的原位调控与研究。这些工作标志着生物正交反应的新趋势和新应用。

讲座结束后,同学们向陈鹏教授提问了有关“非天然生物分子类似物”、在研究中如何避免受到前人的思路干扰、“癌症预测技术”的准确度等相关问题,陈鹏教授都一一解答。讲座在掌声中圆满结束。

 
学生提问

专题链接:才斋讲堂

编辑:白杨


   
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