化學(xué)生物學(xué)前沿領(lǐng)域概述

化學(xué)生物學(xué)及其前沿領(lǐng)域概述化學(xué)生物學(xué)起源綜述及概念80年代中后期以來,隨著各國政府和科學(xué)界對生命科學(xué)、材料科學(xué)和生物技術(shù)等研究領(lǐng)域的日趨重視,一大量邊緣學(xué)科得以蓬勃進展,化學(xué)生物學(xué)確實是其中之一?；瘜W(xué)生物學(xué)是90年代后期才進展起來的前沿學(xué)科,它是利用化學(xué)的理論、研究方式和手腕來探討生物醫(yī)學(xué)問題的科學(xué)?；瘜W(xué)生物學(xué)研究一樣都是從對生物體的生理或病理進程具有調(diào)控作用的小分子生物活性物質(zhì)開始,研究其結(jié)構(gòu),發(fā)覺其在生物體中的靶分子,研究這些物質(zhì)與生物體靶分子的彼此作用,進一步采納化學(xué)方式改造其結(jié)構(gòu),創(chuàng)制具有某種特異性質(zhì)的新穎生物活性物質(zhì),探討其結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系和作用機制,說明生理或病理進程的發(fā)生、進展與調(diào)控機制,揭露生命進程的秘密,并進一步從中進展出新的診斷與醫(yī)治方式或藥物。它結(jié)合傳統(tǒng)的天然產(chǎn)物化學(xué)、生物有機化學(xué)、生物無機化學(xué)、生物化學(xué)、藥物化學(xué)、晶體化學(xué)、波譜學(xué)和運算機化學(xué)等學(xué)科的部份研究方式,從而大大拓寬了研究領(lǐng)域。化學(xué)生物學(xué)的研究范圍大體能夠分為兩個方面:一是通過對生物機制,專門是對人類疾病發(fā)病機制的明白得和操控,為醫(yī)學(xué)研究提供嚴格的證據(jù)并使之進展成為有前景的診斷和醫(yī)治方式;二是通過度離的和微型化的模擬手腕,明白得和探討生物醫(yī)學(xué)科學(xué)中的一些特殊現(xiàn)象。前者比較注重應(yīng)用前景,而后者對基礎(chǔ)研究的奉獻極為重要。這些研究的特點都是選擇生物醫(yī)學(xué)中的特定對象,采納化學(xué)的方式和手腕來實現(xiàn)目的,代表今世化學(xué)研究的學(xué)科前沿。實踐證明,這一學(xué)科能夠完成許多傳統(tǒng)單一學(xué)科不能完成的課題,不但具有化學(xué)學(xué)科的嚴格性,而且具有獨特的優(yōu)越性。90年代中期以來化學(xué)制藥業(yè)的繁榮和新穎小分子化學(xué)藥物的產(chǎn)業(yè)化速度的大幅度提高,無不直接或間接得益于這一新的邊緣學(xué)科的進展。關(guān)于化學(xué)生物學(xué)的概念，當前能夠有兩種明白得:一種是廣義的明白得,即化學(xué)生物學(xué)是利用化學(xué)的理論、研究方式和手腕來探討生物醫(yī)學(xué)問題的科學(xué)。這種明白得與生物化學(xué)和分子生物學(xué)的含義有較大的重疊,它強調(diào)的是化學(xué)與生物學(xué)的交叉與融合。另一方面,化學(xué)生物學(xué)能夠看做是一個特定的學(xué)科領(lǐng)域,與分子生物學(xué),生物化學(xué)之間存在著不同。進展歷史化學(xué)與生物學(xué)兩大學(xué)科之間在進展的歷史長河中有著緊密的聯(lián)系,曾經(jīng)多次發(fā)生重要的交叉和融合。第一次重大交叉與融合發(fā)生在19世紀初,那時有機化學(xué)家Wohler在實驗室人工合成了尿素,推倒了人們在生命體與非生命體之間存在壁壘的思維,揭露了生物體的反映一樣是遵循物理和化學(xué)的規(guī)律,標志著生物化學(xué)這一交叉學(xué)科領(lǐng)域的誕生。20世紀中期DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)被發(fā)覺，遺傳密碼被解明。這時生物化學(xué)、細胞生物學(xué)和遺傳學(xué)交織在一路,成為一個不可分割的整體,而且一個新的學(xué)科領(lǐng)域——分子生物學(xué)開始顯現(xiàn):1953年WatsonCrick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，1958年Kornberg第一次分離出DNA聚酶,1959年Crick提出“中心法那么”，1960年劍橋大學(xué)成立分子生物學(xué)系,同年《分子生物學(xué)》雜志創(chuàng)刊,標志著分子生物學(xué)時期的到來。至80年代分子生物學(xué)的一個重要分支領(lǐng)域——結(jié)構(gòu)生物學(xué)嶄露頭角并在生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能研究上取得了一系列重大沖破,一批重要的生物大分子的三維結(jié)構(gòu)陸續(xù)取得說明,生物大分子之間的彼此作用研究,在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細胞周期和信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)等問題上取得重大進展。同時傳統(tǒng)的學(xué)科界限正在消失,新興交叉學(xué)科分支不斷涌現(xiàn)。專門是90年代初人類基因組打算的啟動和隨之而來的蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和生物信息學(xué)的進展,活著紀之交將生命科學(xué)的研究推向高潮,開辟了一個開發(fā)和利用基因組功能信息的后基因組時期。人們將全面熟悉基因表達的分子機制,說明細胞發(fā)育、分化的調(diào)控機理,揭露疾病的發(fā)病機制,提出預(yù)防、診斷和醫(yī)治的新方式,并在基因工程、蛋白質(zhì)工程等生物技術(shù)領(lǐng)域進展新的概念和新的技術(shù)。高效分離技術(shù)的顯現(xiàn),各類儀器分析專門是波譜技術(shù)的進展和應(yīng)用,大大增強了操控和處置復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題的能力;隨著近代有機合成,專門是選擇性合成和手性合成技術(shù)的進展,今天人們已能合成自然界發(fā)覺和鑒定的任何復(fù)雜天然化合物,而且在此基礎(chǔ)上能夠設(shè)計和合成具有特定性能的新穎化合物;總之,化學(xué)已具有了研究復(fù)雜分子和分子體系的能力?；瘜W(xué)生物學(xué)當前的假設(shè)干重要研究方向.化學(xué)遺傳學(xué)——采納小分子活性化合物作為探針,探討和操縱細胞進程。生命科學(xué)當前的中心任務(wù)是通過研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能來全面說明基因表達、細胞發(fā)育和分化及其調(diào)控的分子機制。而研究與探討一個蛋白質(zhì)的功能需要有一種手腕來改變其功能。分子生物學(xué)常常采納遺傳學(xué)的方式:對感愛好的蛋白質(zhì)的基因編碼進行定點突變,然后從基因表達產(chǎn)物中尋覓關(guān)鍵性的突變子,并進一步探討其與生物表型之間的關(guān)系。生物活性小分子在這方面能夠發(fā)揮類似的作用:正如傳統(tǒng)的基因挑選能產(chǎn)生具有多種多樣活性的突變蛋白一樣,小分子也能以多種方式修飾靶蛋白的功能。在一個體系中加入生物活性小分子能使一個正常的、野生型的狀態(tài)受到剎時的擾動。因此,這些活性化合物能夠看做是“特定條件下的等價基因”,因為它們只在它們存在的條件下在野生型細胞中產(chǎn)生一個表型。化學(xué)生物學(xué)方式尋覓能微擾細胞內(nèi)進程或系統(tǒng),而其細胞內(nèi)靶位點尚不清楚的化合物,然后通過對這些分子探針作用模式的生物化學(xué)解析,取得有關(guān)復(fù)雜的細胞進程的新認知。.生物體系的小分子調(diào)控中,分子識別和分子間彼此作用的化學(xué)基礎(chǔ)研究從自然界發(fā)覺新的生物活性物質(zhì),尋覓它們在生物體中的靶位點,研究小分子與生物大分子之間的彼此作用、構(gòu)效關(guān)系和作用機制,進一步在分子和化學(xué)鍵水平上研究它們在調(diào)控生理進程中的分子識別、信息傳遞是當前最活躍的前沿研究領(lǐng)域之一。這方面的研究內(nèi)容十分豐碩,包括以生物小分子為中心和以蛋白質(zhì)、核酸和糖質(zhì)等大分子為中心的超分子體系。選擇假設(shè)關(guān)連統(tǒng),采納X射線晶體學(xué)、多維核磁共振、合成化學(xué)、生物信息學(xué)、量熱學(xué)、理論計算和各類波譜技術(shù),深切開展分子間非共價鍵彼此作用細節(jié)（如作使勁、動力學(xué)和三維空間關(guān)系）研究。這些研究不僅關(guān)于說明其作用機制及結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系,而且關(guān)于在分子水平上揭露生物體系分子識別、信息傳遞的化學(xué)原理都具有重要意義。.分子進化及其系統(tǒng)工程的研究分子進化是達爾文進化論在分子水平上的延伸。一方面,分子進化是研究生命起源的重要內(nèi)容;另一方面,研究天然化合物的生物合成途徑,揭露通過DNA、RNA、蛋白質(zhì)和糖等生物大分子的突變和選擇改變生物表型和性狀進化的分子機制。因此,分子進化研究不僅能夠了解自然界生物進化的分子機理,推動生命科學(xué)的理論研究,還能夠進展成為應(yīng)用研究的一個新方向——分子進化工程。所謂分子進化工程確實是在試管中進行分子進化。它通過人工合成或生物表達的手腕人為地制造大量突變,然后依照特定的需要和目的,給予選擇壓力,挑選出符合特定要求和目的的分子,如拮抗劑、抑制劑和藥物先導(dǎo)化合物,從而實現(xiàn)試管中分子水平的模擬進化。這方面的研究有可能成為藥物挑選與設(shè)計的新手腕。四．結(jié)語以后的15年,隨著經(jīng)濟快速進展和人口持續(xù)增加,我國在人口與健康、農(nóng)業(yè)、資源和環(huán)境等方面面臨著龐大的壓力?？墒钱斍敖鉀Q這些領(lǐng)域問題的高新技術(shù)進展面臨著嚴峻的“源頭”欠缺。面對充滿挑戰(zhàn)和機緣的新時期,化學(xué)家在修養(yǎng)本學(xué)科的同時,必需不斷開辟新的研究領(lǐng)域,來知足日趨增加的需求。化學(xué)生物學(xué)作為一個新興的交叉前沿研究領(lǐng)域,所發(fā)覺和創(chuàng)制的新穎生物活性物質(zhì)將為醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)研究提供重要的研究工具,用來發(fā)覺和表征它們在生物體中的靶分子——對