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        專(zhuān)業(yè)名詞背后有故事 生命科學(xué)十大進(jìn)展其實(shí)不難懂

        放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2020-01-15 20:13:42    瀏覽次數(shù):130
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        專(zhuān)業(yè)名詞背后有故事 生命科學(xué)十大進(jìn)展其實(shí)不難懂 1月10日,中國(guó)科協(xié)評(píng)選出2019年度“中國(guó)生命科學(xué)十大進(jìn)展”,發(fā)表于頂級(jí)期刊并產(chǎn)生廣泛影響的科學(xué)發(fā)現(xiàn)入選。一如既往地,讀著諸如“破解硅藻光合膜蛋白超分

        專(zhuān)業(yè)名詞背后有故事 生命科學(xué)十大進(jìn)展其實(shí)不難懂


        1月10日,中國(guó)科協(xié)評(píng)選出2019年度“中國(guó)生命科學(xué)十大進(jìn)展”,發(fā)表于頂級(jí)期刊并產(chǎn)生廣泛影響的科學(xué)發(fā)現(xiàn)入選。一如既往地,讀著諸如“破解硅藻光合膜蛋白超分子結(jié)構(gòu)”“單堿基基因編輯造成大量脫靶效應(yīng)及其優(yōu)化解決方法”等滿(mǎn)是專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)的專(zhuān)業(yè)用詞,很多人表示“很難懂”。但它們經(jīng)過(guò)專(zhuān)家講解,中小學(xué)生們也能聽(tīng)得津津有味。

        “在去年舉辦的進(jìn)展交流會(huì)暨青少年科普?qǐng)?bào)告會(huì)上,很多孩子提出的問(wèn)題說(shuō)明動(dòng)了腦筋,也消化了這些理論,很有思想,讓科學(xué)家們都很驚詫。”中國(guó)科協(xié)生命科學(xué)學(xué)會(huì)聯(lián)合體秘書(shū)長(zhǎng)王小寧表示,實(shí)際上,這些成果不僅是學(xué)術(shù)上的重大進(jìn)展,也為我們揭示了很多生命科學(xué)的奧秘,理解它們并不難。

        為了便于理解,科技日?qǐng)?bào)記者梳理了其中有特色的幾個(gè),講述其蘊(yùn)含的生命故事,打破生命科學(xué)重大進(jìn)展難理解的形象。

        最陽(yáng)光通透:硅藻“吃光機(jī)”結(jié)構(gòu)被看清

        除了陸生植物,水下的藻類(lèi)也能進(jìn)行光合作用,“吃掉”陽(yáng)光,轉(zhuǎn)變出有機(jī)物和氧氣。其中最“成功”的浮游光合生物當(dāng)屬海洋中的硅藻了。

        當(dāng)選十大的“破解硅藻光合膜蛋白超分子結(jié)構(gòu)和功能之謎”正是解答了什么精巧的結(jié)構(gòu),讓硅藻能夠“埋頭”在水里還能進(jìn)行光合作用。

        中國(guó)科學(xué)院植物研究所沈建仁、匡廷云研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次解析了硅藻捕光天線(xiàn)膜蛋白,這“團(tuán)”蛋白不僅能高效捕獲藍(lán)綠光、高效傳遞和轉(zhuǎn)化光能,還能夠起到光保護(hù)的作用。

        首先要說(shuō)明這是一“團(tuán)”蛋白,就好像工廠(chǎng)機(jī)器,是有組合和流水線(xiàn)的。因此很多人形象地稱(chēng)生物體里承擔(dān)某一生命互動(dòng)功能地蛋白為“蛋白工廠(chǎng)”,而學(xué)術(shù)上稱(chēng)為“蛋白復(fù)合體”,因?yàn)閺?fù)合體的組成很像樂(lè)高拼插,只不過(guò)零件是單個(gè)蛋白。

        此次解析是超高精度的解析,類(lèi)似于用一個(gè)幾百萬(wàn)倍的放大鏡把硅藻上的“吃光機(jī)”零部件一個(gè)齒輪一個(gè)齒輪地看清楚。

        “把蛋白質(zhì)復(fù)合物提出來(lái)以后,我們用冷凍電鏡了解它的結(jié)構(gòu),它的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,包括70個(gè)蛋白質(zhì)。”沈建仁說(shuō)。這70個(gè)蛋白質(zhì)“零件”卻與樂(lè)高零件完全不同,它不是規(guī)則的,而是枝枝杈杈的,電子云團(tuán)互相作用,互相協(xié)同,完成了吸收光能把水分解成氧氣、轉(zhuǎn)移電子、釋放能量等一系列任務(wù)。

        但要看清原子、電子之間的作用,冷凍電鏡只能看到個(gè)模糊的輪廓,就好像從千米高空俯視群島輪廓,要看到有哪些港口、怎么吞吐運(yùn)送“貨物”(電子)還需要更高的精度。團(tuán)隊(duì)隨后用蛋白結(jié)晶衍射法將蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)精度做到了1.8埃(10-10米)的高分辨率,原子直徑的數(shù)量級(jí)大約是1埃,在這個(gè)精度上每個(gè)原子清晰可見(jiàn)。

        為什么要對(duì)一個(gè)硅藻細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)“團(tuán)”大費(fèi)周章呢?中國(guó)科學(xué)院院士匡廷云給出答案:“光合作用是地球上最大規(guī)模的利用光能、化學(xué)能把二氧化碳和水變成有機(jī)物儲(chǔ)存在體內(nèi)的生命活動(dòng)。海洋生態(tài)系統(tǒng)的低等植物每年通過(guò)光合作用合成的干物質(zhì)是2200億噸,人類(lèi)每年的耗能僅僅占這一總量的1/10。硅藻的光合作用貢獻(xiàn)了地球上每年約20%的原初生產(chǎn)力。它們之所以能起這么大的作用,主要跟硅藻光合膜蛋白的結(jié)構(gòu)與功能密切相關(guān)。”

        據(jù)介紹,解析的巖藻黃素已經(jīng)用在減肥藥品中,并在推進(jìn)臨床試驗(yàn)。未來(lái),這些看似遙遠(yuǎn)的蛋白,究竟能在顯示生活中起到哪些作用,在人類(lèi)體內(nèi)又有哪些功效,期待更多的研究和驗(yàn)證。

        最親近自然:那頭麋鹿有一雙抗癌的角

        提到鹿,人們總會(huì)想起它亭亭玉立,豎耳靜聽(tīng),一雙通靈般的眼睛警覺(jué)地望向前方,鹿角蜿蜒挺立頭頂。

        這幅靜美的圖畫(huà)里,其實(shí)是旺盛而獨(dú)特的生命活動(dòng)——

        “鹿科動(dòng)物有一個(gè)特征,它是癌癥發(fā)生率最低的動(dòng)物,但它角上的細(xì)胞卻具有比癌細(xì)胞還旺盛的繁殖能力,是唯一能夠完全再生的哺乳動(dòng)物器官。”西北工業(yè)大學(xué)教授王文說(shuō),這個(gè)奇特現(xiàn)象背后的奧秘將和人類(lèi)的健康息息相關(guān)。

        “我們進(jìn)行的研究通過(guò)大尺度跨反芻動(dòng)物的全部6個(gè)科、覆蓋大部分屬種的組學(xué)大數(shù)據(jù)分析,結(jié)合功能驗(yàn)證,揭示了其中的奧秘。”王文說(shuō),“結(jié)果對(duì)于我們理解反芻動(dòng)物的演化歷史,再生醫(yī)學(xué)、腫瘤生物學(xué)、睡眠紊亂和骨質(zhì)疏松癥等醫(yī)學(xué)研究,以及培育新品種家畜都有重要意義。”

        “鹿角每天可以長(zhǎng)1—2厘米,幾個(gè)月時(shí)間就可長(zhǎng)成一個(gè)10公斤的大家伙,比任何腫瘤長(zhǎng)得都快。”王文說(shuō),通過(guò)組學(xué)的研究,他們發(fā)現(xiàn)鹿角細(xì)胞激活了大量的癌癥基因,從而促進(jìn)了自身的生長(zhǎng)。

        癌癥基因被激活了,卻僅僅被“截留”在鹿角部位,不會(huì)擴(kuò)散也不會(huì)引起其他癌癥癥狀,這又是為什么呢?通過(guò)組學(xué)大數(shù)據(jù)的分析,研究第一次把鹿科動(dòng)物低癌的現(xiàn)象和很強(qiáng)的再生能力聯(lián)系起來(lái)。大量的抑癌基因,如p53通路的基因受到了強(qiáng)烈的自然選擇,可能與鹿科動(dòng)物癌癥發(fā)生率很低有關(guān)。這表明,鹿角再生能力和鹿的抗癌能力源于同一通路調(diào)控,了解這一機(jī)制,將會(huì)為再生醫(yī)學(xué)和癌癥研究帶來(lái)新的思路。

        圣誕老人的座駕馴鹿,生活在北極,那里晝夜不規(guī)律也沒(méi)有陽(yáng)光。“這和當(dāng)代一些‘年輕宅’們的生活環(huán)境有著很高的相似度,可它們?yōu)槭裁礇](méi)有精神壓力方面的問(wèn)題,也沒(méi)有維生素D缺乏引起的骨發(fā)育問(wèn)題呢?”王文說(shuō),大尺度組學(xué)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),馴鹿與晝夜節(jié)律相關(guān)的基因發(fā)生了突變,控制維生素D代謝的基因在自然選擇作用下,兩個(gè)關(guān)鍵酶活性遠(yuǎn)高于其它動(dòng)物,因此保障了其在低光照條件下依然能夠高效進(jìn)行鈣代謝,促進(jìn)鹿角的生長(zhǎng)。

        最具攻擊力:擊破結(jié)核桿菌致密胞壁

        一種曾經(jīng)上市銷(xiāo)售的減肥藥被發(fā)現(xiàn)是結(jié)核桿菌的“毒藥”——

        “利莫那班(該減肥藥名稱(chēng))原來(lái)是針對(duì)人源大麻素受體CB1的拮抗劑,起到減肥作用,很難想象靶向人類(lèi)蛋白受體的藥物也可以殺死結(jié)核桿菌。”上海科技大學(xué)免疫化學(xué)研究所副研究員張兵說(shuō)。

        那么結(jié)核桿菌上什么樣的“命門(mén)”被抓住了呢?膜蛋白“MmpL3”負(fù)責(zé)把細(xì)菌在細(xì)胞內(nèi)合成的分枝菌酸前體轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞膜外,扮演著“傳送機(jī)”的角色,而這臺(tái)傳送機(jī)的動(dòng)力來(lái)源于從膜外向膜內(nèi)流動(dòng)的質(zhì)子流。

        由上海科技大學(xué)免疫化學(xué)研究所特聘教授饒子和院士率領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)首次成功解析了這一關(guān)鍵蛋白MmpL3以及“藥靶─藥物”復(fù)合物的三維空間結(jié)構(gòu),揭示了創(chuàng)新藥物殺死細(xì)菌的全新分子機(jī)制。他們還解析了利莫那班與MmpL3蛋白復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu),從而證實(shí)了利莫那班會(huì)神奇地堵住MmpL3的質(zhì)子內(nèi)流通道,這種“封堵”與已知的結(jié)合模式大相徑庭。

        全世界目前有約1/4的人口被結(jié)核桿菌感染,由于艾滋病與結(jié)核病的交叉感染以及藥物的不合理使用,已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的耐藥結(jié)核病,針對(duì)結(jié)核桿菌的新藥靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)以及新藥研發(fā)迫在眉睫。新機(jī)制的發(fā)現(xiàn)為新型抗生素的研發(fā)、解決全球日趨嚴(yán)重的抗生素耐藥問(wèn)題開(kāi)辟了一條全新途徑。

        研究發(fā)現(xiàn),抑制劑小分子都靶向MmpL3蛋白的跨膜區(qū),直接“封閉”該蛋白的質(zhì)子內(nèi)流通道,破壞MmpL3工作時(shí)的能量供給,造成這臺(tái)傳送機(jī)“癱瘓”。為了設(shè)計(jì)更有效的抑制劑,研究團(tuán)隊(duì)還利用計(jì)算機(jī)“虛擬篩選”技術(shù),對(duì)成藥庫(kù)的藥物分子進(jìn)行了篩選。這才發(fā)現(xiàn)減肥藥也是結(jié)核桿菌的“毒藥”。

         
        (文/小編)
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