國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究課件

國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究

“基礎(chǔ)科學(xué)問題專題組”提出的

重大專項計劃之一

蛋白質(zhì)研究計劃

（2006-2020）國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究課件1重大科學(xué)研究計劃

根據(jù)世界科學(xué)發(fā)展趨勢和我國重大戰(zhàn)略需求，選擇能引領(lǐng)未來發(fā)展，對科學(xué)和技術(shù)發(fā)展有很強帶動作用，可促進我國持續(xù)創(chuàng)新能力迅速提高，同時具有優(yōu)秀創(chuàng)新團隊的研究方向，重點部署四項重大科學(xué)研究計劃。這些方向的突破，可顯著提升我國的國際競爭力，大力促進可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)重點跨越。重大科學(xué)研究計劃

根據(jù)世界科學(xué)發(fā)展趨勢和我2(1)蛋白質(zhì)研究

蛋白質(zhì)是最主要的生命活動載體和功能執(zhí)行者。對蛋白質(zhì)復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)功能、相互作用和動態(tài)變化的深入研究，將在分子、細胞和生物體等多個層次上全面揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)，是后基因組時代的主要任務(wù)。同時，蛋白質(zhì)科學(xué)研究成果將催生一系列新的生物技術(shù)，帶動醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和綠色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，引領(lǐng)未來生物經(jīng)濟。因此，蛋白質(zhì)科學(xué)是目前發(fā)達國家激烈爭奪的生命科學(xué)制高點。(1)蛋白質(zhì)研究

蛋白質(zhì)是最主要的生命3重點研究重要生物體系的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、蛋白質(zhì)生物學(xué)功能及其相互作用、蛋白質(zhì)相關(guān)的計算生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)，蛋白質(zhì)研究的方法學(xué)，相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究等。重點研究重要生物體系的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)4(2)量子調(diào)控研究

以微電子為基礎(chǔ)的信息技術(shù)將達到物理極限，對信息科技發(fā)展提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，人類必須尋求新出路，而以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的新的信息手段初露端倪，并正在成為發(fā)達國家激烈競爭的焦點。量子調(diào)控就是探索新的量子現(xiàn)象，發(fā)展量子信息學(xué)、關(guān)聯(lián)電子學(xué)、量子通信、受限小量子體系及人工帶隙系統(tǒng)，構(gòu)建未來信息技術(shù)理論基礎(chǔ)，具有明顯的前瞻性，有可能在20~30年后對人類社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生難以估量的影響。(2)量子調(diào)控研究

以微電子為基礎(chǔ)的信5

重點研究量子通信的載體和調(diào)控原理及方法，量子計算，電荷－自旋－相位－軌道等關(guān)聯(lián)規(guī)律以及新的量子調(diào)控方法，受限小量子體系的新量子效應(yīng)，人工帶隙材料的宏觀量子效應(yīng)，量子調(diào)控表征和測量的新原理和新技術(shù)基礎(chǔ)等。重點研究量子通信的載體和調(diào)控原理及方法，量子計6(3)納米研究

物質(zhì)在納米尺度下表現(xiàn)出的奇異現(xiàn)象和規(guī)律將改變相關(guān)理論的現(xiàn)有框架，使人們對物質(zhì)世界的認識進入到嶄新的階段，孕育著新的技術(shù)革命，給材料、信息、綠色制造、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域帶來極大的發(fā)展空間。納米科技已成為許多國家提升核心競爭力的戰(zhàn)略選擇，也是我國有望實現(xiàn)跨越式發(fā)展的領(lǐng)域之一。

(3)納米研究

物質(zhì)在納米尺度下表現(xiàn)出7重點研究納米材料的可控制備、自組裝和功能化，納米材料的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異特性及其調(diào)控機制，納加工與集成原理，概念性和原理性納器件，納電子學(xué)，納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)，分子聚集體和生物分子的光、電、磁學(xué)性質(zhì)及信息傳遞，單分子行為與操縱，分子機器的設(shè)計組裝與調(diào)控，納米尺度表征與度量學(xué)，納米材料和納米技術(shù)在能源、環(huán)境、信息、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。重點研究納米材料的可控制備、自組裝和功能8(4)發(fā)育與生殖研究

動物克隆、干細胞等一系列舉世矚目的成就為生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)的未來發(fā)展帶來了重大的機遇。然而這些成果大多還不能直接造福于人類，主要原因是對生殖與發(fā)育過程及其機理缺乏系統(tǒng)深入的認識。我國人口增長量大，出生缺陷多，移植器官嚴重短缺，老齡化高峰即將到來，迫切需要生殖與發(fā)育科學(xué)理論的突破和技術(shù)創(chuàng)新。(4)發(fā)育與生殖研究

動物克隆、干細胞等9重點研究干細胞增殖、分化和調(diào)控，生殖細胞發(fā)生、成熟與受精，胚胎發(fā)育的調(diào)控機制，體細胞去分化和動物克隆機理，人體生殖功能的衰退與退行性病變的機制，輔助生殖與干細胞技術(shù)的安全和倫理等。重點研究干細胞增殖、分化和調(diào)控，生殖細胞發(fā)生、成熟10蛋白質(zhì)研究計劃蛋白質(zhì)研究計劃11摘要蛋白質(zhì)是一切生命活動的功能執(zhí)行者,是生物技術(shù)研發(fā)的主體?！叭祟惢蚪M計劃”的完成宣告生命科學(xué)與技術(shù)的研究進入了“后基因組時代”。自此，蛋白質(zhì)研究成為科學(xué)界關(guān)注的核心之一。在國際學(xué)術(shù)界提出“人類蛋白質(zhì)組計劃”后,及時實施我國蛋白質(zhì)研究計劃,符合提高我國科技競爭實力的需要、符合解決國家重大戰(zhàn)略問題的需要、符合推動現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要和促進科學(xué)技術(shù)自身發(fā)展的需要。摘要蛋白質(zhì)是一切生命活動的功能執(zhí)行者,是生物技12

蛋白質(zhì)研究計劃將圍繞：蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能、蛋白質(zhì)功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、蛋白質(zhì)的相互作用網(wǎng)絡(luò)、細胞中蛋白種類的時空差異、體內(nèi)外蛋白質(zhì)的單分子行為等重大科學(xué)問題。蛋白質(zhì)研究計劃將圍繞：13重點研究的內(nèi)容：

1、選擇具有重要功能或病理意義的人類組織或器官，重要經(jīng)濟生物為研究對象，開展蛋白質(zhì)組及其調(diào)控規(guī)律的研究；

2、選擇具有重要功能的蛋白質(zhì)分子、蛋白質(zhì)分子間或蛋白質(zhì)與非蛋白質(zhì)分子間的復(fù)合體、代謝/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等進行規(guī)?；慕Y(jié)構(gòu)，功能、功能網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)結(jié)構(gòu)的研究。重點研究的內(nèi)容：14

該計劃的實施必將促進多學(xué)科（如生命科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)理科學(xué)、分析科學(xué)、材料科學(xué)等）的廣泛交叉與融合，必將推動我國跨學(xué)科、跨行業(yè)、跨部門、跨地域的大科學(xué)協(xié)作，必將實現(xiàn)我國蛋白質(zhì)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，從而帶動生命科學(xué)與生物技術(shù)的快速突破，為醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、資源環(huán)境與能源、國防等行業(yè)/產(chǎn)業(yè)改造和換代提供強大的科技原動力和戰(zhàn)略性支撐。

該計劃的實施必將促進多學(xué)科（如生命科學(xué)、15

“人類基因組計劃”與“曼哈頓原子彈研制計劃”、“阿波羅登月計劃”一道被譽為二十世紀三大科技工程，其完成宣告人類從此進入“后基因組時代”,自此，蛋白質(zhì)研究成為科學(xué)界關(guān)注的核心。正如恩格斯所言，“生命是蛋白體的存在形式”。蛋白質(zhì)是一切生命活動的功能執(zhí)行體，是生物技術(shù)研發(fā)的主體。蛋白質(zhì)由于其結(jié)構(gòu)、功能的多樣性和廣泛的相互作用，演繹出生命的復(fù)雜性與生物界的多樣性。圍繞著蛋白質(zhì)研究，學(xué)術(shù)界提出了又一個大科學(xué)工程：“人類蛋白質(zhì)組計劃”。“人類基因組計劃”與16

在此國際大背景下，我們擬提出我國的“蛋白質(zhì)研究計劃”。該計劃的整體思路是：瞄準我國經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略需求，針對蛋白質(zhì)這一類生命活動的關(guān)鍵物質(zhì)開展理論和應(yīng)用研究。

在此國際大背景下，我們擬提出我國的“蛋白質(zhì)研究計劃17一、實施該計劃的重大意義和必要性1、帶動我國基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)科發(fā)展的需要

自上世紀中旬以來，以揭示生命奧秘為目標(biāo)的生命科學(xué)已經(jīng)日益成為了基礎(chǔ)科學(xué)各學(xué)科中最為活躍的（或領(lǐng)頭）學(xué)科之一。與經(jīng)典生物學(xué)不同的是，當(dāng)代生命科學(xué)已變得日益定量化和精確化。生命科學(xué)一方面在數(shù)、理、化等學(xué)科的推動下得到了迅猛發(fā)展，它同時也為這些基礎(chǔ)學(xué)科提出了大量新的命題，從而為后者的進一步發(fā)展提供著動力和素材。一、實施該計劃的重大意義和必要性1、帶動我國基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)科發(fā)展18

其實施不僅會大大提升我國生命科學(xué)在世界科學(xué)界的地位，同時也必將戰(zhàn)略性地帶動我國數(shù)、理、化等學(xué)科的發(fā)展，進而提升我國總體的基礎(chǔ)科學(xué)創(chuàng)新能力。其實施不僅會大大提升我國生命科學(xué)在世192、提高我國科技競爭實力的需要蛋白質(zhì)科學(xué)與技術(shù)已逐步成為本世紀生命科學(xué)領(lǐng)域中爭奪最激烈的前沿陣地。以發(fā)達國家為主導(dǎo)已經(jīng)提出了“人類蛋白質(zhì)組計劃”，并紛紛投入巨資和人力，為的是要搶占這一重要而又有限的生物戰(zhàn)略資源，搶占發(fā)展的先機。2、提高我國科技競爭實力的需要蛋白質(zhì)科學(xué)20許多跨國公司和企業(yè)也大量投資此領(lǐng)域，以搶占商機。在我國,重點組織蛋白質(zhì)研究就是要打破發(fā)達國家壟斷國際重大戰(zhàn)略研究計劃的局面，繼續(xù)在這一領(lǐng)域開創(chuàng)和擴大中國領(lǐng)銜重大國際合作項目的范圍，主動把握生物經(jīng)濟時代發(fā)展的主脈，大幅度提高我國生命科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的原始創(chuàng)新能力和國際競爭力。許多跨國公司和企業(yè)也大量投資此領(lǐng)域，213、解決國家重大戰(zhàn)略問題的需要

我國存在著若干嚴重影響我國可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題。人口與健康問題、農(nóng)業(yè)問題、能源和環(huán)境問題、生物安全問題等對我國社會和經(jīng)濟所形成的壓力的緩解和消除，無不與生命科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。蛋白質(zhì)處于生命活動的中心，是所有生命活動的載體和功能執(zhí)行者，上述重大戰(zhàn)略問題的產(chǎn)生或解決，只要與生物體、生命活動和生物功能有關(guān)，必然直接或間接地與蛋白質(zhì)有關(guān)。3、解決國家重大戰(zhàn)略問題的需要我國存在著224、推動現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要蛋白質(zhì)科學(xué)與技術(shù)涉及眾多的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。蛋白質(zhì)的研究必然催生更多的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，對經(jīng)濟發(fā)展必將發(fā)揮巨大的推動作用。通過人或動物功能蛋白質(zhì)的研究，將會促進基于蛋白質(zhì)的原創(chuàng)性新藥的研究與開發(fā)，加快制藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。人體健康與否，與存在于其體內(nèi)的幾萬種蛋白息息相關(guān)；很多人類疾病（包括遺傳病、癌癥等）的出現(xiàn)其實都可歸因于體內(nèi)蛋白質(zhì)作用異常的結(jié)果。因此對蛋白質(zhì)的研究必然大大促進醫(yī)學(xué)和醫(yī)學(xué)生物技術(shù)的發(fā)展。4、推動現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要蛋白質(zhì)科學(xué)與技23通過植物功能蛋白質(zhì)的研究，將揭示農(nóng)作物重要農(nóng)藝性狀的調(diào)控機理，鑒定和利用相應(yīng)的基因，加快農(nóng)作物的遺傳改良。另外，蛋白質(zhì)為主體的生物技術(shù)在化工、能源、環(huán)境等方面都有重大的應(yīng)用前景和潛力?？傊?，對蛋白質(zhì)研究計劃的實施，不僅會促進人類對生命本質(zhì)的認識，它同時也將有助于我們?nèi)祟惤鉀Q所面臨的眾多生存問題。通過植物功能蛋白質(zhì)的研究，將揭示農(nóng)作物重要農(nóng)藝性24二、蛋白質(zhì)研究計劃的主要方面

就蛋白質(zhì)而言，科學(xué)家最為關(guān)注的是它們在所有生命有機體內(nèi)所發(fā)揮的形形色色的生物學(xué)功能：從成千上萬種生物化學(xué)反應(yīng)的催化到生物對各種有害環(huán)境的抵御，從形成生物個體形態(tài)的機械支持到生命有機體所產(chǎn)生的各種微觀和宏觀的機械運動，從將太陽能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的光合作用到遺傳信息的復(fù)制、表達和修復(fù)等。二、蛋白質(zhì)研究計劃的主要方面就蛋白質(zhì)25盡管科學(xué)家已經(jīng)對大量蛋白開展過不同程度的研究，但從基因組DNA測序所獲得的信息來看，科學(xué)家對生物體內(nèi)還有大約一半的蛋白質(zhì)分子還從未有過任何了解。在“后基因組時代”，我們必須回答他們在生物體內(nèi)發(fā)揮何種功能。盡管科學(xué)家已經(jīng)對大量蛋白開展過不同程度261、蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能

對于生命科學(xué)家而言，可能最為關(guān)心的是每一種蛋白質(zhì)在生物有機體內(nèi)究竟完成什么樣的生物學(xué)功能?；蚪MDNA測序的主要結(jié)果是揭示了每一種模式生物的遺傳信息所編碼的總蛋白的大概數(shù)目和每一種蛋白質(zhì)的可能氨基酸序列。根據(jù)對不同生物的基因組測序所預(yù)測出的編碼蛋白質(zhì)分子中，我們對其中大約一半的蛋白質(zhì)分子還未曾有過任何接觸，在“后基因組時代”我們測定它們的結(jié)構(gòu)并認識它們的生物學(xué)功能。1、蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能 對于生命科學(xué)家27

對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解終究是服務(wù)于對其功能的認識。在認識某一正常（如細胞的分裂、分化，個體的發(fā)育，思維和記憶的分子基礎(chǔ)等）或異常（像細胞的癌變等機體病變）的生命現(xiàn)象時，我們都首先需要了解的是參與有關(guān)過程的蛋白質(zhì)分子種類和它們各自所發(fā)揮的生物學(xué)功能。對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解終究是服務(wù)于對其功28

而要認識某種蛋白質(zhì)在生命有機體內(nèi)的功能還仍舊缺乏普遍適用的方法。因此與測定蛋白質(zhì)的靜態(tài)三維結(jié)構(gòu)相比，認識蛋白質(zhì)功能的工作更為艱巨和更富挑戰(zhàn)性。也使得認識蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能成為未來一個從理論到方法都極需創(chuàng)新的領(lǐng)域。而要認識某種蛋白質(zhì)在生命有機體內(nèi)的292、蛋白質(zhì)發(fā)揮功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)盡管對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究在上個世紀的中期就已經(jīng)開始了，但其工作還遠未結(jié)束。目前的物理學(xué)手段（比較重要是X-射線晶體衍射方法）在測定蛋白質(zhì)靜態(tài)三維空間結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)相當(dāng)有效。但對于很多無法形成晶體的蛋白質(zhì)而言，目前還沒有有效的物理方法能夠用于測定它們的空間結(jié)構(gòu)（但通過核磁共振和電子顯微學(xué)方法測定這類蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法學(xué)正在發(fā)展之中）。2、蛋白質(zhì)發(fā)揮功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)盡管對蛋30而且，對于蛋白質(zhì)發(fā)揮生物學(xué)功能而言，更為重要的是在原子和分子水平測定其發(fā)揮作用過程中其非共價結(jié)構(gòu)的快速動態(tài)變化。在后一方面的研究理論和研究手段方面都幾乎還是空白，迫切需要物理學(xué)家、化學(xué)家和數(shù)學(xué)家等的參與。

而且，對于蛋白質(zhì)發(fā)揮生物學(xué)功能而言，更為313、蛋白質(zhì)分子之間以及蛋白質(zhì)分子與其它生物分子之間的相互作用生物體的基本結(jié)構(gòu)單位是細胞。近年的研究使得人們?nèi)找嬲J識到，在細胞內(nèi)成千上萬種蛋白質(zhì)分子之間并不是孤立地發(fā)揮其生物學(xué)功能的，它們需要在特異相互識別基礎(chǔ)上進行可逆的“弱”相互作用，而形成不同的蛋白質(zhì)“機器”，進而完成不同的生物學(xué)功能。3、蛋白質(zhì)分子之間以及蛋白質(zhì)分子與其它生物分子之間的相互作用32同時，蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的發(fā)揮也依賴于蛋白分子與非蛋白質(zhì)分子（如核酸、糖、脂類和各種小分子）之間特異的、可逆的、動態(tài)的和可調(diào)節(jié)的相互作用而實現(xiàn).同時，蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的發(fā)揮也依賴于蛋白33

理解和分析這些強度不一的特異“弱”相互作用、這種相互作用所形成的網(wǎng)絡(luò)以及通過這種相互作用所實現(xiàn)的信息的傳遞和功能的協(xié)調(diào)是認識很多生命過程的基礎(chǔ)。認識蛋白質(zhì)分子之間這種“弱”相互作用的本質(zhì)和規(guī)律自然離不開物理學(xué)家、化學(xué)家、數(shù)學(xué)家等提供思考的理論和探索的方法。理解和分析這些強度不一的特異“弱”344、細胞中蛋白種類的時間和空間差異

像動物和植物這樣的多細胞生物發(fā)育過程的關(guān)鍵是細胞的分化（即從一個細胞分裂形成的后代細胞不斷出現(xiàn)差異的過程），即從一個單一的受精卵細胞開始，通過不斷的細胞的分裂和分化而形成不同的組織和器官。4、細胞中蛋白種類的時間和空間差異35與早期推測完全不同的是，分子生物學(xué)的研究成果表明，在組成這樣的多細胞生物體的每一類細胞中的基因組的組成（即細胞核中的DNA分子序列）是完全相同的。與早期推測完全不同的是，分子生物學(xué)的研36

細胞類型的差異在于由基因組編碼的蛋白質(zhì)在特定細胞中被表達的種類各不相同、蛋白質(zhì)的修飾和蛋白質(zhì)的相互作用的網(wǎng)絡(luò)也不相同。細胞的分化過程被認為是這種存在于不同細胞中的蛋白的差異所致。細胞類型的差異在于由基因組編碼的蛋白37

近年發(fā)展起來的蛋白質(zhì)組學(xué)方法，旨在分析存在于特定細胞或組織中的全部（幾千甚至幾萬種）的蛋白質(zhì)種類以及同一細胞處于不同環(huán)境條件下的蛋白的差異。但因為很多蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)的存在量極微或存在的時間極短，目前還難以有真正有效地去捕捉這些蛋白質(zhì)分子。近年發(fā)展起來的蛋白質(zhì)組學(xué)方法，旨在分38

同時，如何利用這樣得到的不同細胞的蛋白種類差異譜去認識蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能也還需要從理論和方法學(xué)上進行突破。而這個方面的研究也同樣離不開數(shù)、理、化等學(xué)科科學(xué)家的參與。同時，如何利用這樣得到的不同細胞的蛋白395、蛋白質(zhì)的單分子行為

傳統(tǒng)的對蛋白質(zhì)分子行為的研究都是基于對單種蛋白質(zhì)分子的統(tǒng)計行為的觀察。人們期望能夠?qū)蝹€蛋白質(zhì)分子（包括由多個蛋白質(zhì)分子相互作用形成的復(fù)合體）在發(fā)揮生物學(xué)功能時的動態(tài)結(jié)構(gòu)進行全程觀察：比如，一個酶蛋白分子是如何完成一個完整催化過程的；一個“馬達蛋白”分子是如何將儲存于ATP（生物體內(nèi)的能量貨幣）中的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化為機械能的。5、蛋白質(zhì)的單分子行為傳統(tǒng)的對蛋白質(zhì)分40

近年來，一些物理學(xué)家出身的生命科學(xué)家已經(jīng)開始了這樣的所謂蛋白質(zhì)的單分子研究。建立這種單分子研究系統(tǒng)的挑戰(zhàn)主要在于方法的靈敏性（單個蛋白分子能夠發(fā)出的檢測信號是極其微弱的）和快速性（完成某一過程的時間可以在皮秒范圍甚至更快?。Ｍ瑯拥?，這樣的極富挑戰(zhàn)性的研究獲得成功的關(guān)鍵在于學(xué)科的高度交叉。近年來，一些物理學(xué)家出身的生命科學(xué)家已41

從不同層次（單分子，蛋白質(zhì)復(fù)合物，體外，細胞水平和整體水平）研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能和作用機制出發(fā)，蛋白質(zhì)研究必須必然經(jīng)歷一個從體外到體內(nèi)的過程。研究蛋白質(zhì)在體內(nèi)（即細胞和整體水平）的行為盡管還很難進行，但這是未來蛋白質(zhì)研究的必經(jīng)之路。從不同層次（單分子，蛋白質(zhì)復(fù)合物，體42蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的高度有組織性、結(jié)構(gòu)和功能的高度多樣化、結(jié)構(gòu)和功能的高度對應(yīng)性、以及完成功能時的快速性和可調(diào)節(jié)性等特性，使得我們可以將蛋白質(zhì)分子看作是一個高度復(fù)雜的“系統(tǒng)”，同時其大小也使其成為納米科學(xué)研究的理想對象之一。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的高度有組織性、結(jié)構(gòu)和功能的高43作為生命活動的執(zhí)行者，蛋白質(zhì)中也許蘊涵著還未曾被人類發(fā)現(xiàn)的新的物質(zhì)運動規(guī)律。通過非共價相互作用而形成的靈活可變的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)蘊涵著許多生命的奧秘。作為生命活動的執(zhí)行者，蛋白質(zhì)中也許蘊涵44所以在驚嘆通過蛋白質(zhì)而實現(xiàn)的高度靈活的生命過程的同時，我們迫切需要物理學(xué)家、化學(xué)家和數(shù)學(xué)家對這樣的復(fù)雜系統(tǒng)開展研究，在發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)運動規(guī)律的同時，能夠用物理的、化學(xué)的和數(shù)學(xué)的語言和手段來精確描述和研究生命現(xiàn)象，最終實現(xiàn)對生命過程這樣一個非線性過程的定性和定量的描述。所以在驚嘆通過蛋白質(zhì)而實現(xiàn)的高度靈活456、發(fā)展新的蛋白質(zhì)研究方法論和新的技術(shù)

研究蛋白質(zhì)的理論需要創(chuàng)新，但理論創(chuàng)新離不開新的更為精密和高效的技術(shù)手段的出現(xiàn)。技術(shù)在推動科學(xué)發(fā)展的過程經(jīng)常起著舉足輕重的作用，尤其當(dāng)研究進入微觀層次之后。從上面的描述中，我們已經(jīng)看到，研究蛋白質(zhì)還存在很多方法手段上的障礙。6、發(fā)展新的蛋白質(zhì)研究方法論和新的技術(shù)46

用何種方法我們才能真正完全打開蛋白質(zhì)這個“神秘王國”的大門呢？這將是對21世紀科學(xué)家們的一個重大挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)研究新方法的建立可能更多的需要依賴于非生物學(xué)家們的努力。用何種方法我們才能真正完全打開蛋白477、蛋白質(zhì)的應(yīng)用基礎(chǔ)

蛋白質(zhì)生物功能的多樣性決定了它在未來生物技術(shù)發(fā)展中的主角地位。只有當(dāng)我們對生命有機體中那成千上萬種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能有了充分了解之后，生物技術(shù)的無窮威力才可能得以真正發(fā)揮、生物技術(shù)才會成為一個成熟的產(chǎn)業(yè)：除了在醫(yī)療和農(nóng)業(yè)上的直接的應(yīng)用之外，對發(fā)揮不同生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)機器的深入了解將改變我們的工業(yè)模式。7、蛋白質(zhì)的應(yīng)用基礎(chǔ) 蛋白質(zhì)生物功能的多樣性決定了48近期應(yīng)用前景

蛋白質(zhì)除了可以直接作為臨床藥物之外（如胰島素、生長激素、干擾素、白細胞介素等等），也是很多小分子藥物和中藥的作用靶點。比如阿斯匹林就是通過抑制一種催化前列腺素合成的關(guān)鍵酶蛋白而發(fā)揮其效應(yīng)的；很多抗菌素是通過抑制細菌細胞的蛋白質(zhì)合成過程而發(fā)揮作用的等。因此對不同生物體內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的深入研究將會大大改變新藥研發(fā)的方式和效率。近期應(yīng)用前景 蛋白質(zhì)除了可以直接作為臨床49遠期應(yīng)用前景

催化生物有機體內(nèi)各種各樣化學(xué)轉(zhuǎn)化過程的是被稱為酶的一大類蛋白質(zhì)。對這些蛋白的功能和作用機制的深入研究，將會大大促進它們在化學(xué)工業(yè)和環(huán)境保護中的應(yīng)用。遠期應(yīng)用前景 催化生物有機體內(nèi)各種各樣化學(xué)50

對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的深入研究不僅會大大促進我們對天然存在的蛋白質(zhì)在人類生活的各個方面的應(yīng)用，同時我們還可以設(shè)計出具有新的活性的人工蛋白質(zhì)來完成我們所期望的工作。對蛋白質(zhì)的深入研究毫無疑問將會大大擴展人類對蛋白質(zhì)的直接和間接應(yīng)用的范圍。對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的深入研究不僅會51三、實施蛋白質(zhì)研究計劃的可行性

在我國實施該計劃，除了具有重大意義和必要性外，也具有廣泛和牢靠的基礎(chǔ)。

1、已得到科學(xué)界的共識和支持

蛋白質(zhì)的研究是人類認識生命現(xiàn)象的關(guān)鍵之一。當(dāng)今，全面深刻認識蛋白質(zhì)又絕非傳統(tǒng)生物學(xué)所能，它注定需要多學(xué)科的交叉，并正在引起越來越多的物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)等科學(xué)家的興趣和關(guān)注，有一些有影響的科學(xué)家已涉足其中，并取得成績。三、實施蛋白質(zhì)研究計劃的可行性在我國實522、已有較好的研究積累、條件和進展

蛋白質(zhì)的研究在我國是有傳統(tǒng)的，并取得過世界領(lǐng)先的研究成果，如人工全化學(xué)合成牛胰島素及其三維晶體結(jié)果測定。近年來，在多個國家計劃的支持下，已建立了一些蛋白質(zhì)研究的高水平技術(shù)平臺和基地，在國際一流的學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了有國際影響的研究成果，為今后的研究打下了堅實的基礎(chǔ)。2、已有較好的研究積累、條件和進展 蛋白質(zhì)的研533、已形成一支必要的研究隊伍

通過幾十年的努力，特別是近二十年來，已經(jīng)形成一支由數(shù)十位院士領(lǐng)銜，上百位中青年學(xué)術(shù)帶頭人承擔(dān)，以生物學(xué)家，物理學(xué)家、化學(xué)家和數(shù)學(xué)家為主的蛋白質(zhì)科學(xué)研究的交叉人才隊伍。這些國際國內(nèi)的條件為我們在中國成功實施“蛋白質(zhì)研究計劃”奠定了良好的基礎(chǔ)。3、已形成一支必要的研究隊伍 通過幾十年的努力54四、蛋白質(zhì)研究計劃實施

的原則方案基礎(chǔ)科學(xué)重大專項的最終目的是在理論和技術(shù)源頭上獲得創(chuàng)新的成果。其實施的原則和組織體系與工程類重大專項的實施原則和體系會有所不同。四、蛋白質(zhì)研究計劃實施

的原則方案基55

1、組織一個該重大專項實施的總體部，建議設(shè)在國家自然科學(xué)基金委員會，便于整個項目的領(lǐng)導(dǎo)和協(xié)調(diào)；在北京和上海分設(shè)兩個分部，便于地區(qū)性的協(xié)調(diào)；組織有基礎(chǔ)的高等學(xué)校、研究院所、專門實驗室參與；成立獨立的、有權(quán)威性的學(xué)術(shù)和評價委員會。

56

2、建立若干個公共的、集群式的研究基地和技術(shù)平臺，集中在一個相對小的地區(qū)，如北京，上海和合肥等已具備良好蛋白質(zhì)研究的地區(qū),其它地區(qū)視發(fā)展情況再定。要配置最先進的研究設(shè)備和發(fā)展最先進的實驗技術(shù)，要注意與已有的和計劃中的大科學(xué)裝置的結(jié)合，為學(xué)科交叉研究創(chuàng)造最好的研究條件。2、建立若干個公共的、集群式的研究基57

3、采取“導(dǎo)向性研究”與“自由探索研究”相結(jié)合的方式。在“導(dǎo)向性研究”為主的前提下，留有一定的“自由探索研究”空間，支持少部分科學(xué)家進行蛋白質(zhì)研究領(lǐng)域的必要的自由探索研究，以期獲得難以預(yù)料的成果或突破。3、采取“導(dǎo)向性研究”與“自由探索研究58

4、項目要設(shè)立專門的專利管理部門，及時進行成果專利化的分析和申報。委托有相關(guān)經(jīng)驗、誠信度高的社會中介機構(gòu)，對成果及時進行經(jīng)濟評估和幫助進行轉(zhuǎn)化。4、項目要設(shè)立專門的專利管理部門，及時進59

5、基礎(chǔ)科學(xué)研究比較適合開展國際合作。應(yīng)該在充分強調(diào)自主的前提下，加強國際合作。5、基礎(chǔ)科學(xué)研究比較適合開展國際合作。應(yīng)60總之，通過該計劃的實施，我國要在蛋白質(zhì)科學(xué)與技術(shù)的重要戰(zhàn)略方向產(chǎn)生一系列重大的科學(xué)與技術(shù)研究成果，建立國際領(lǐng)先的研究、開發(fā)和成果轉(zhuǎn)化體系。總之，通過該計劃的實施，我國要在蛋白質(zhì)61附：上?；A(chǔ)科學(xué)戰(zhàn)略研究

生物與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)@上海的人口與健康，以應(yīng)用為導(dǎo)向，將“重要疾病發(fā)生機理與防治”、“營養(yǎng)、代謝和衰老”、“城市人口和生活質(zhì)量”作為發(fā)展重點。并將基因組學(xué)、蛋白質(zhì)科學(xué)、代謝組學(xué)、細胞活動的分子機制、腦與認知的正常和異常的生物學(xué)基礎(chǔ)、重大疾病發(fā)病機制及相關(guān)的防治措施作為重要研究方向。附：上?；A(chǔ)科學(xué)戰(zhàn)略研究生物與醫(yī)學(xué)領(lǐng)62演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！63國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究

“基礎(chǔ)科學(xué)問題專題組”提出的

重大專項計劃之一

蛋白質(zhì)研究計劃

（2006-2020）國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究課件64重大科學(xué)研究計劃

根據(jù)世界科學(xué)發(fā)展趨勢和我國重大戰(zhàn)略需求，選擇能引領(lǐng)未來發(fā)展，對科學(xué)和技術(shù)發(fā)展有很強帶動作用，可促進我國持續(xù)創(chuàng)新能力迅速提高，同時具有優(yōu)秀創(chuàng)新團隊的研究方向，重點部署四項重大科學(xué)研究計劃。這些方向的突破，可顯著提升我國的國際競爭力，大力促進可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)重點跨越。重大科學(xué)研究計劃

根據(jù)世界科學(xué)發(fā)展趨勢和我65(1)蛋白質(zhì)研究

蛋白質(zhì)是最主要的生命活動載體和功能執(zhí)行者。對蛋白質(zhì)復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)功能、相互作用和動態(tài)變化的深入研究，將在分子、細胞和生物體等多個層次上全面揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)，是后基因組時代的主要任務(wù)。同時，蛋白質(zhì)科學(xué)研究成果將催生一系列新的生物技術(shù)，帶動醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和綠色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，引領(lǐng)未來生物經(jīng)濟。因此，蛋白質(zhì)科學(xué)是目前發(fā)達國家激烈爭奪的生命科學(xué)制高點。(1)蛋白質(zhì)研究

蛋白質(zhì)是最主要的生命66重點研究重要生物體系的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、蛋白質(zhì)生物學(xué)功能及其相互作用、蛋白質(zhì)相關(guān)的計算生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)，蛋白質(zhì)研究的方法學(xué)，相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究等。重點研究重要生物體系的轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)67(2)量子調(diào)控研究

以微電子為基礎(chǔ)的信息技術(shù)將達到物理極限，對信息科技發(fā)展提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，人類必須尋求新出路，而以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的新的信息手段初露端倪，并正在成為發(fā)達國家激烈競爭的焦點。量子調(diào)控就是探索新的量子現(xiàn)象，發(fā)展量子信息學(xué)、關(guān)聯(lián)電子學(xué)、量子通信、受限小量子體系及人工帶隙系統(tǒng)，構(gòu)建未來信息技術(shù)理論基礎(chǔ)，具有明顯的前瞻性，有可能在20~30年后對人類社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生難以估量的影響。(2)量子調(diào)控研究

以微電子為基礎(chǔ)的信68

重點研究量子通信的載體和調(diào)控原理及方法，量子計算，電荷－自旋－相位－軌道等關(guān)聯(lián)規(guī)律以及新的量子調(diào)控方法，受限小量子體系的新量子效應(yīng)，人工帶隙材料的宏觀量子效應(yīng)，量子調(diào)控表征和測量的新原理和新技術(shù)基礎(chǔ)等。重點研究量子通信的載體和調(diào)控原理及方法，量子計69(3)納米研究

物質(zhì)在納米尺度下表現(xiàn)出的奇異現(xiàn)象和規(guī)律將改變相關(guān)理論的現(xiàn)有框架，使人們對物質(zhì)世界的認識進入到嶄新的階段，孕育著新的技術(shù)革命，給材料、信息、綠色制造、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域帶來極大的發(fā)展空間。納米科技已成為許多國家提升核心競爭力的戰(zhàn)略選擇，也是我國有望實現(xiàn)跨越式發(fā)展的領(lǐng)域之一。

(3)納米研究

物質(zhì)在納米尺度下表現(xiàn)出70重點研究納米材料的可控制備、自組裝和功能化，納米材料的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異特性及其調(diào)控機制，納加工與集成原理，概念性和原理性納器件，納電子學(xué)，納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)，分子聚集體和生物分子的光、電、磁學(xué)性質(zhì)及信息傳遞，單分子行為與操縱，分子機器的設(shè)計組裝與調(diào)控，納米尺度表征與度量學(xué)，納米材料和納米技術(shù)在能源、環(huán)境、信息、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。重點研究納米材料的可控制備、自組裝和功能71(4)發(fā)育與生殖研究

動物克隆、干細胞等一系列舉世矚目的成就為生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)的未來發(fā)展帶來了重大的機遇。然而這些成果大多還不能直接造福于人類，主要原因是對生殖與發(fā)育過程及其機理缺乏系統(tǒng)深入的認識。我國人口增長量大，出生缺陷多，移植器官嚴重短缺，老齡化高峰即將到來，迫切需要生殖與發(fā)育科學(xué)理論的突破和技術(shù)創(chuàng)新。(4)發(fā)育與生殖研究

動物克隆、干細胞等72重點研究干細胞增殖、分化和調(diào)控，生殖細胞發(fā)生、成熟與受精，胚胎發(fā)育的調(diào)控機制，體細胞去分化和動物克隆機理，人體生殖功能的衰退與退行性病變的機制，輔助生殖與干細胞技術(shù)的安全和倫理等。重點研究干細胞增殖、分化和調(diào)控，生殖細胞發(fā)生、成熟73蛋白質(zhì)研究計劃蛋白質(zhì)研究計劃74摘要蛋白質(zhì)是一切生命活動的功能執(zhí)行者,是生物技術(shù)研發(fā)的主體?！叭祟惢蚪M計劃”的完成宣告生命科學(xué)與技術(shù)的研究進入了“后基因組時代”。自此，蛋白質(zhì)研究成為科學(xué)界關(guān)注的核心之一。在國際學(xué)術(shù)界提出“人類蛋白質(zhì)組計劃”后,及時實施我國蛋白質(zhì)研究計劃,符合提高我國科技競爭實力的需要、符合解決國家重大戰(zhàn)略問題的需要、符合推動現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要和促進科學(xué)技術(shù)自身發(fā)展的需要。摘要蛋白質(zhì)是一切生命活動的功能執(zhí)行者,是生物技75

蛋白質(zhì)研究計劃將圍繞：蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能、蛋白質(zhì)功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、蛋白質(zhì)的相互作用網(wǎng)絡(luò)、細胞中蛋白種類的時空差異、體內(nèi)外蛋白質(zhì)的單分子行為等重大科學(xué)問題。蛋白質(zhì)研究計劃將圍繞：76重點研究的內(nèi)容：

1、選擇具有重要功能或病理意義的人類組織或器官，重要經(jīng)濟生物為研究對象，開展蛋白質(zhì)組及其調(diào)控規(guī)律的研究；

2、選擇具有重要功能的蛋白質(zhì)分子、蛋白質(zhì)分子間或蛋白質(zhì)與非蛋白質(zhì)分子間的復(fù)合體、代謝/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等進行規(guī)?；慕Y(jié)構(gòu)，功能、功能網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)結(jié)構(gòu)的研究。重點研究的內(nèi)容：77

該計劃的實施必將促進多學(xué)科（如生命科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)理科學(xué)、分析科學(xué)、材料科學(xué)等）的廣泛交叉與融合，必將推動我國跨學(xué)科、跨行業(yè)、跨部門、跨地域的大科學(xué)協(xié)作，必將實現(xiàn)我國蛋白質(zhì)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，從而帶動生命科學(xué)與生物技術(shù)的快速突破，為醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、資源環(huán)境與能源、國防等行業(yè)/產(chǎn)業(yè)改造和換代提供強大的科技原動力和戰(zhàn)略性支撐。

該計劃的實施必將促進多學(xué)科（如生命科學(xué)、78

“人類基因組計劃”與“曼哈頓原子彈研制計劃”、“阿波羅登月計劃”一道被譽為二十世紀三大科技工程，其完成宣告人類從此進入“后基因組時代”,自此，蛋白質(zhì)研究成為科學(xué)界關(guān)注的核心。正如恩格斯所言，“生命是蛋白體的存在形式”。蛋白質(zhì)是一切生命活動的功能執(zhí)行體，是生物技術(shù)研發(fā)的主體。蛋白質(zhì)由于其結(jié)構(gòu)、功能的多樣性和廣泛的相互作用，演繹出生命的復(fù)雜性與生物界的多樣性。圍繞著蛋白質(zhì)研究，學(xué)術(shù)界提出了又一個大科學(xué)工程：“人類蛋白質(zhì)組計劃”。“人類基因組計劃”與79

在此國際大背景下，我們擬提出我國的“蛋白質(zhì)研究計劃”。該計劃的整體思路是：瞄準我國經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略需求，針對蛋白質(zhì)這一類生命活動的關(guān)鍵物質(zhì)開展理論和應(yīng)用研究。

在此國際大背景下，我們擬提出我國的“蛋白質(zhì)研究計劃80一、實施該計劃的重大意義和必要性1、帶動我國基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)科發(fā)展的需要

自上世紀中旬以來，以揭示生命奧秘為目標(biāo)的生命科學(xué)已經(jīng)日益成為了基礎(chǔ)科學(xué)各學(xué)科中最為活躍的（或領(lǐng)頭）學(xué)科之一。與經(jīng)典生物學(xué)不同的是，當(dāng)代生命科學(xué)已變得日益定量化和精確化。生命科學(xué)一方面在數(shù)、理、化等學(xué)科的推動下得到了迅猛發(fā)展，它同時也為這些基礎(chǔ)學(xué)科提出了大量新的命題，從而為后者的進一步發(fā)展提供著動力和素材。一、實施該計劃的重大意義和必要性1、帶動我國基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)科發(fā)展81

其實施不僅會大大提升我國生命科學(xué)在世界科學(xué)界的地位，同時也必將戰(zhàn)略性地帶動我國數(shù)、理、化等學(xué)科的發(fā)展，進而提升我國總體的基礎(chǔ)科學(xué)創(chuàng)新能力。其實施不僅會大大提升我國生命科學(xué)在世822、提高我國科技競爭實力的需要蛋白質(zhì)科學(xué)與技術(shù)已逐步成為本世紀生命科學(xué)領(lǐng)域中爭奪最激烈的前沿陣地。以發(fā)達國家為主導(dǎo)已經(jīng)提出了“人類蛋白質(zhì)組計劃”，并紛紛投入巨資和人力，為的是要搶占這一重要而又有限的生物戰(zhàn)略資源，搶占發(fā)展的先機。2、提高我國科技競爭實力的需要蛋白質(zhì)科學(xué)83許多跨國公司和企業(yè)也大量投資此領(lǐng)域，以搶占商機。在我國,重點組織蛋白質(zhì)研究就是要打破發(fā)達國家壟斷國際重大戰(zhàn)略研究計劃的局面，繼續(xù)在這一領(lǐng)域開創(chuàng)和擴大中國領(lǐng)銜重大國際合作項目的范圍，主動把握生物經(jīng)濟時代發(fā)展的主脈，大幅度提高我國生命科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的原始創(chuàng)新能力和國際競爭力。許多跨國公司和企業(yè)也大量投資此領(lǐng)域，843、解決國家重大戰(zhàn)略問題的需要

我國存在著若干嚴重影響我國可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題。人口與健康問題、農(nóng)業(yè)問題、能源和環(huán)境問題、生物安全問題等對我國社會和經(jīng)濟所形成的壓力的緩解和消除，無不與生命科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。蛋白質(zhì)處于生命活動的中心，是所有生命活動的載體和功能執(zhí)行者，上述重大戰(zhàn)略問題的產(chǎn)生或解決，只要與生物體、生命活動和生物功能有關(guān)，必然直接或間接地與蛋白質(zhì)有關(guān)。3、解決國家重大戰(zhàn)略問題的需要我國存在著854、推動現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要蛋白質(zhì)科學(xué)與技術(shù)涉及眾多的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。蛋白質(zhì)的研究必然催生更多的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，對經(jīng)濟發(fā)展必將發(fā)揮巨大的推動作用。通過人或動物功能蛋白質(zhì)的研究，將會促進基于蛋白質(zhì)的原創(chuàng)性新藥的研究與開發(fā)，加快制藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。人體健康與否，與存在于其體內(nèi)的幾萬種蛋白息息相關(guān)；很多人類疾?。òㄟz傳病、癌癥等）的出現(xiàn)其實都可歸因于體內(nèi)蛋白質(zhì)作用異常的結(jié)果。因此對蛋白質(zhì)的研究必然大大促進醫(yī)學(xué)和醫(yī)學(xué)生物技術(shù)的發(fā)展。4、推動現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要蛋白質(zhì)科學(xué)與技86通過植物功能蛋白質(zhì)的研究，將揭示農(nóng)作物重要農(nóng)藝性狀的調(diào)控機理，鑒定和利用相應(yīng)的基因，加快農(nóng)作物的遺傳改良。另外，蛋白質(zhì)為主體的生物技術(shù)在化工、能源、環(huán)境等方面都有重大的應(yīng)用前景和潛力?？傊?，對蛋白質(zhì)研究計劃的實施，不僅會促進人類對生命本質(zhì)的認識，它同時也將有助于我們?nèi)祟惤鉀Q所面臨的眾多生存問題。通過植物功能蛋白質(zhì)的研究，將揭示農(nóng)作物重要農(nóng)藝性87二、蛋白質(zhì)研究計劃的主要方面

就蛋白質(zhì)而言，科學(xué)家最為關(guān)注的是它們在所有生命有機體內(nèi)所發(fā)揮的形形色色的生物學(xué)功能：從成千上萬種生物化學(xué)反應(yīng)的催化到生物對各種有害環(huán)境的抵御，從形成生物個體形態(tài)的機械支持到生命有機體所產(chǎn)生的各種微觀和宏觀的機械運動，從將太陽能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的光合作用到遺傳信息的復(fù)制、表達和修復(fù)等。二、蛋白質(zhì)研究計劃的主要方面就蛋白質(zhì)88盡管科學(xué)家已經(jīng)對大量蛋白開展過不同程度的研究，但從基因組DNA測序所獲得的信息來看，科學(xué)家對生物體內(nèi)還有大約一半的蛋白質(zhì)分子還從未有過任何了解。在“后基因組時代”，我們必須回答他們在生物體內(nèi)發(fā)揮何種功能。盡管科學(xué)家已經(jīng)對大量蛋白開展過不同程度891、蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能

對于生命科學(xué)家而言，可能最為關(guān)心的是每一種蛋白質(zhì)在生物有機體內(nèi)究竟完成什么樣的生物學(xué)功能。基因組DNA測序的主要結(jié)果是揭示了每一種模式生物的遺傳信息所編碼的總蛋白的大概數(shù)目和每一種蛋白質(zhì)的可能氨基酸序列。根據(jù)對不同生物的基因組測序所預(yù)測出的編碼蛋白質(zhì)分子中，我們對其中大約一半的蛋白質(zhì)分子還未曾有過任何接觸，在“后基因組時代”我們測定它們的結(jié)構(gòu)并認識它們的生物學(xué)功能。1、蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能 對于生命科學(xué)家90

對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解終究是服務(wù)于對其功能的認識。在認識某一正常（如細胞的分裂、分化，個體的發(fā)育，思維和記憶的分子基礎(chǔ)等）或異常（像細胞的癌變等機體病變）的生命現(xiàn)象時，我們都首先需要了解的是參與有關(guān)過程的蛋白質(zhì)分子種類和它們各自所發(fā)揮的生物學(xué)功能。對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解終究是服務(wù)于對其功91

而要認識某種蛋白質(zhì)在生命有機體內(nèi)的功能還仍舊缺乏普遍適用的方法。因此與測定蛋白質(zhì)的靜態(tài)三維結(jié)構(gòu)相比，認識蛋白質(zhì)功能的工作更為艱巨和更富挑戰(zhàn)性。也使得認識蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能成為未來一個從理論到方法都極需創(chuàng)新的領(lǐng)域。而要認識某種蛋白質(zhì)在生命有機體內(nèi)的922、蛋白質(zhì)發(fā)揮功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)盡管對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究在上個世紀的中期就已經(jīng)開始了，但其工作還遠未結(jié)束。目前的物理學(xué)手段（比較重要是X-射線晶體衍射方法）在測定蛋白質(zhì)靜態(tài)三維空間結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)相當(dāng)有效。但對于很多無法形成晶體的蛋白質(zhì)而言，目前還沒有有效的物理方法能夠用于測定它們的空間結(jié)構(gòu)（但通過核磁共振和電子顯微學(xué)方法測定這類蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法學(xué)正在發(fā)展之中）。2、蛋白質(zhì)發(fā)揮功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)盡管對蛋93而且，對于蛋白質(zhì)發(fā)揮生物學(xué)功能而言，更為重要的是在原子和分子水平測定其發(fā)揮作用過程中其非共價結(jié)構(gòu)的快速動態(tài)變化。在后一方面的研究理論和研究手段方面都幾乎還是空白，迫切需要物理學(xué)家、化學(xué)家和數(shù)學(xué)家等的參與。

而且，對于蛋白質(zhì)發(fā)揮生物學(xué)功能而言，更為943、蛋白質(zhì)分子之間以及蛋白質(zhì)分子與其它生物分子之間的相互作用生物體的基本結(jié)構(gòu)單位是細胞。近年的研究使得人們?nèi)找嬲J識到，在細胞內(nèi)成千上萬種蛋白質(zhì)分子之間并不是孤立地發(fā)揮其生物學(xué)功能的，它們需要在特異相互識別基礎(chǔ)上進行可逆的“弱”相互作用，而形成不同的蛋白質(zhì)“機器”，進而完成不同的生物學(xué)功能。3、蛋白質(zhì)分子之間以及蛋白質(zhì)分子與其它生物分子之間的相互作用95同時，蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的發(fā)揮也依賴于蛋白分子與非蛋白質(zhì)分子（如核酸、糖、脂類和各種小分子）之間特異的、可逆的、動態(tài)的和可調(diào)節(jié)的相互作用而實現(xiàn).同時，蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的發(fā)揮也依賴于蛋白96

理解和分析這些強度不一的特異“弱”相互作用、這種相互作用所形成的網(wǎng)絡(luò)以及通過這種相互作用所實現(xiàn)的信息的傳遞和功能的協(xié)調(diào)是認識很多生命過程的基礎(chǔ)。認識蛋白質(zhì)分子之間這種“弱”相互作用的本質(zhì)和規(guī)律自然離不開物理學(xué)家、化學(xué)家、數(shù)學(xué)家等提供思考的理論和探索的方法。理解和分析這些強度不一的特異“弱”974、細胞中蛋白種類的時間和空間差異

像動物和植物這樣的多細胞生物發(fā)育過程的關(guān)鍵是細胞的分化（即從一個細胞分裂形成的后代細胞不斷出現(xiàn)差異的過程），即從一個單一的受精卵細胞開始，通過不斷的細胞的分裂和分化而形成不同的組織和器官。4、細胞中蛋白種類的時間和空間差異98與早期推測完全不同的是，分子生物學(xué)的研究成果表明，在組成這樣的多細胞生物體的每一類細胞中的基因組的組成（即細胞核中的DNA分子序列）是完全相同的。與早期推測完全不同的是，分子生物學(xué)的研99

細胞類型的差異在于由基因組編碼的蛋白質(zhì)在特定細胞中被表達的種類各不相同、蛋白質(zhì)的修飾和蛋白質(zhì)的相互作用的網(wǎng)絡(luò)也不相同。細胞的分化過程被認為是這種存在于不同細胞中的蛋白的差異所致。細胞類型的差異在于由基因組編碼的蛋白100

近年發(fā)展起來的蛋白質(zhì)組學(xué)方法，旨在分析存在于特定細胞或組織中的全部（幾千甚至幾萬種）的蛋白質(zhì)種類以及同一細胞處于不同環(huán)境條件下的蛋白的差異。但因為很多蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)的存在量極微或存在的時間極短，目前還難以有真正有效地去捕捉這些蛋白質(zhì)分子。近年發(fā)展起來的蛋白質(zhì)組學(xué)方法，旨在分101

同時，如何利用這樣得到的不同細胞的蛋白種類差異譜去認識蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能也還需要從理論和方法學(xué)上進行突破。而這個方面的研究也同樣離不開數(shù)、理、化等學(xué)科科學(xué)家的參與。同時，如何利用這樣得到的不同細胞的蛋白1025、蛋白質(zhì)的單分子行為

傳統(tǒng)的對蛋白質(zhì)分子行為的研究都是基于對單種蛋白質(zhì)分子的統(tǒng)計行為的觀察。人們期望能夠?qū)蝹€蛋白質(zhì)分子（包括由多個蛋白質(zhì)分子相互作用形成的復(fù)合體）在發(fā)揮生物學(xué)功能時的動態(tài)結(jié)構(gòu)進行全程觀察：比如，一個酶蛋白分子是如何完成一個完整催化過程的；一個“馬達蛋白”分子是如何將儲存于ATP（生物體內(nèi)的能量貨幣）中的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化為機械能的。5、蛋白質(zhì)的單分子行為傳統(tǒng)的對蛋白質(zhì)分103

近年來，一些物理學(xué)家出身的生命科學(xué)家已經(jīng)開始了這樣的所謂蛋白質(zhì)的單分子研究。建立這種單分子研究系統(tǒng)的挑戰(zhàn)主要在于方法的靈敏性（單個蛋白分子能夠發(fā)出的檢測信號是極其微弱的）和快速性（完成某一過程的時間可以在皮秒范圍甚至更快?。Ｍ瑯拥?，這樣的極富挑戰(zhàn)性的研究獲得成功的關(guān)鍵在于學(xué)科的高度交叉。近年來，一些物理學(xué)家出身的生命科學(xué)家已104

從不同層次（單分子，蛋白質(zhì)復(fù)合物，體外，細胞水平和整體水平）研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能和作用機制出發(fā)，蛋白質(zhì)研究必須必然經(jīng)歷一個從體外到體內(nèi)的過程。研究蛋白質(zhì)在體內(nèi)（即細胞和整體水平）的行為盡管還很難進行，但這是未來蛋白質(zhì)研究的必經(jīng)之路。從不同層次（單分子，蛋白質(zhì)復(fù)合物，體105蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的高度有組織性、結(jié)構(gòu)和功能的高度多樣化、結(jié)構(gòu)和功能的高度對應(yīng)性、以及完成功能時的快速性和可調(diào)節(jié)性等特性，使得我們可以將蛋白質(zhì)分子看作是一個高度復(fù)雜的“系統(tǒng)”，同時其大小也使其成為納米科學(xué)研究的理想對象之一。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的高度有組織性、結(jié)構(gòu)和功能的高106作為生命活動的執(zhí)行者，蛋白質(zhì)中也許蘊涵著還未曾被人類發(fā)現(xiàn)的新的物質(zhì)運動規(guī)律。通過非共價相互作用而形成的靈活可變的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)蘊涵著許多生命的奧秘。作為生命活動的執(zhí)行者，蛋白質(zhì)中也許蘊涵107所以在驚嘆通過蛋白質(zhì)而實現(xiàn)的高度靈活的生命過程的同時，我們迫切需要物理學(xué)家、化學(xué)家和數(shù)學(xué)家對這樣的復(fù)雜系統(tǒng)開展研究，在發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)運動規(guī)律的同時，能夠用物理的、化學(xué)的和數(shù)學(xué)的語言和手段來精確描述和研究生命現(xiàn)象，最終實現(xiàn)對生命過程這樣一個非線性過程的定性和定量的描述。所以在驚嘆通過蛋白質(zhì)而實現(xiàn)的高度靈活1086、發(fā)展新的蛋白質(zhì)研究方法論和新的技術(shù)

研究蛋白質(zhì)的理論需要創(chuàng)新，但理論創(chuàng)新離不開新的更為精密和高效的技術(shù)手段的出現(xiàn)。技術(shù)在推動科學(xué)發(fā)展的過程經(jīng)常起著舉足輕重的作用，尤其當(dāng)研究進入微觀層次之后。從上面的描述中，我們已經(jīng)看到，研究蛋白質(zhì)還存在很多方法手段上的障礙。6、發(fā)展新的蛋白質(zhì)研究方法論和新的技術(shù)109

用何種方法我們才能真正完全打開蛋白質(zhì)這個“神秘王國”的大門呢？這將是對21世紀科學(xué)家們的一個重大挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)研究新方法的建立可能更多的需要依賴于非生物學(xué)家們的努力。用何種方法我們才能真正完全打開蛋白1107、蛋白質(zhì)的應(yīng)用基礎(chǔ)

蛋白質(zhì)生物功能的多樣性決定了它在未來生物技術(shù)發(fā)展中的主角地位。只有當(dāng)我們對生命有機體中那成千上萬種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能有了充分了解之后，生物技術(shù)的無窮威力才可能得以真正發(fā)揮、生物技術(shù)才會成為一個成熟的產(chǎn)業(yè)：除了在醫(yī)療和農(nóng)業(yè)上的直接的應(yīng)用之外，對發(fā)揮不同生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)機器的深入了解將改變我們的工業(yè)模式。7、蛋白質(zhì)的應(yīng)用基礎(chǔ) 蛋白質(zhì)生物功能的多樣性決定了111近期應(yīng)用前景

蛋白質(zhì)除了可以直接作為臨床藥物之外（如胰島素、生長激素、干擾素、白細胞介素等等），也是很多小分子藥物和中藥的作用靶點。比如阿斯匹林就是通過抑制一種催化前列腺素合成的關(guān)鍵酶蛋白而發(fā)揮其效應(yīng)的；很多抗菌素是通過抑制細菌細胞的蛋白質(zhì)合成過程而發(fā)揮作用的等。因此對不同生物體內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的深入研