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

國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究重大科學(xué)研究計(jì)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(qiáng)帶動作用，可促進(jìn)我國持續(xù)創(chuàng)新能力迅速提高，同時(shí)具有優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的研究方向，重點(diǎn)部署四項(xiàng)重大科學(xué)研究計(jì)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(jìn)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)跨越。(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(xì)胞和生物體等多個(gè)層次上全面揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)，是后基因組時(shí)代的主要任務(wù)。同時(shí)，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(jì)。因此，蛋白質(zhì)科學(xué)是目前發(fā)達(dá)國家激烈爭奪的生命科學(xué)制高點(diǎn)。重點(diǎn)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(jì)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。(2)量子調(diào)控研究

以微電子為基礎(chǔ)的信息技術(shù)將達(dá)到物理極限，對信息科技發(fā)展提出了嚴(yán)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(dá)國家激烈競爭的焦點(diǎn)。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(jì)發(fā)展產(chǎn)生難以估量的影響。(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(rèn)識進(jìn)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(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的領(lǐng)域之一。

重點(diǎn)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(jī)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(jī)器的設(shè)計(jì)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。(4)發(fā)育與生殖研究

動物克隆、干細(xì)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(jī)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(jī)理缺乏系統(tǒng)深入的認(rèn)識。我國人口增長量大，出生缺陷多，移植器官嚴(yán)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。重點(diǎn)研究干細(xì)胞增殖、分化和調(diào)控，生殖細(xì)胞發(fā)生、成熟與受精，胚胎發(fā)育的調(diào)控機(jī)制，體細(xì)胞去分化和動物克隆機(jī)理，人體生殖功能的衰退與退行性病變的機(jī)制，輔助生殖與干細(xì)胞技術(shù)的安全和倫理等。蛋白質(zhì)研究計(jì)劃

蛋白質(zhì)研究計(jì)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(xì)胞中蛋白種類的時(shí)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。重點(diǎn)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(jì)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(jìn)行規(guī)模化的結(jié)構(gòu)，功能、功能網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)結(jié)構(gòu)的研究。

該計(jì)劃的實(shí)施必將促進(jìn)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(shí)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(qiáng)大的科技原動力和戰(zhàn)略性支撐。

“人類基因組計(jì)劃”與“曼哈頓原子彈研制計(jì)劃”、“阿波羅登月計(jì)劃”一道被譽(yù)為二十世紀(jì)三大科技工程，其完成宣告人類從此進(jìn)入“后基因組時(shí)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(gè)大科學(xué)工程：“人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃”。

在此國際大背景下，我們擬提出我國的“蛋白質(zhì)研究計(jì)劃”。該計(jì)劃的整體思路是：瞄準(zhǔn)我國經(jīng)濟(jì)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。

其實(shí)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(shí)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(jìn)而提升我國總體的基礎(chǔ)科學(xué)創(chuàng)新能力。2、提高我國科技競爭實(shí)力的需要蛋白質(zhì)科學(xué)與技術(shù)已逐步成為本世紀(jì)生命科學(xué)領(lǐng)域中爭奪最激烈的前沿陣地。以發(fā)達(dá)國家為主導(dǎo)已經(jīng)提出了“人類蛋白質(zhì)組計(jì)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(jī)。3、解決國家重大戰(zhàn)略問題的需要

我國存在著若干嚴(yán)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(jì)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)。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(jì)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(jìn)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(shí)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(jìn)醫(yī)學(xué)和醫(yī)學(xué)生物技術(shù)的發(fā)展。二、蛋白質(zhì)研究計(jì)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(jī)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(gè)體形態(tài)的機(jī)械支持到生命有機(jī)體所產(chǎn)生的各種微觀和宏觀的機(jī)械運(yùn)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(dá)和修復(fù)等。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(shí)代”，我們必須回答他們在生物體內(nèi)發(fā)揮何種功能。1、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(jī)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(shí)代”我們測定它們的結(jié)構(gòu)并認(rèn)識它們的生物學(xué)功能。

對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解終究是服務(wù)于對其功能的認(rèn)識。在認(rèn)識某一正常（如細(xì)胞的分裂、分化，個(gè)體的發(fā)育，思維和記憶的分子基礎(chǔ)等）或異常（像細(xì)胞的癌變等機(jī)體病變）的生命現(xiàn)象時(shí)，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。2、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(gè)世紀(jì)的中期就已經(jīng)開始了，但其工作還遠(yuǎn)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）。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(jià)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。

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生物體的基本結(jié)構(gòu)單位是細(xì)胞。近年的研究使得人們?nèi)找嬲J(rèn)識到，在細(xì)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(jìn)行可逆的“弱”相互作用，而形成不同的蛋白質(zhì)“機(jī)器”，進(jìn)而完成不同的生物學(xué)功能。同時(shí)，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(shí)現(xiàn).

理解和分析這些強(qiáng)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(shí)現(xiàn)的信息的傳遞和功能的協(xié)調(diào)是認(rèn)識很多生命過程的基礎(chǔ)。認(rèn)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。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(xì)胞生物體的每一類細(xì)胞中的基因組的組成（即細(xì)胞核中的DNA分子序列）是完全相同的。

細(xì)胞類型的差異在于由基因組編碼的蛋白質(zhì)在特定細(xì)胞中被表達(dá)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(xì)胞的分化過程被認(rèn)為是這種存在于不同細(xì)胞中的蛋白的差異所致。

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(xì)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(xì)胞處于不同環(huán)境條件下的蛋白的差異。但因?yàn)楹芏嗟鞍踪|(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的存在量極微或存在的時(shí)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。

同時(shí)，如何利用這樣得到的不同細(xì)胞的蛋白種類差異譜去認(rèn)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(jìn)行突破。而這個(gè)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。5、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(jì)行為的觀察。人們期望能夠?qū)蝹€(gè)蛋白質(zhì)分子（包括由多個(gè)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(shí)的動態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全程觀察：比如，一個(gè)酶蛋白分子是如何完成一個(gè)完整催化過程的；一個(gè)“馬達(dá)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(jī)械能的。

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(gè)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(shí)間可以在皮秒范圍甚至更快！）。同樣地，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。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(shí)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(gè)高度復(fù)雜的“系統(tǒng)”，同時(shí)其大小也使其成為納米科學(xué)研究的理想對象之一。作為生命活動的執(zhí)行者，蛋白質(zhì)中也許蘊(yùn)涵著還未曾被人類發(fā)現(xiàn)的新的物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律。通過非共價(jià)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(yùn)涵著許多生命的奧秘。所以在驚嘆通過蛋白質(zhì)而實(shí)現(xiàn)的高度靈活的生命過程的同時(shí)，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(yùn)動規(guī)律的同時(shí)，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(shí)現(xiàn)對生命過程這樣一個(gè)非線性過程的定性和定量的描述。6、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(jìn)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。

用何種方法我們才能真正完全打開蛋白質(zhì)這個(gè)“神秘王國”的大門呢？這將是對21世紀(jì)科學(xué)家們的一個(gè)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。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(xì)胞介素等等），也是很多小分子藥物和中藥的作用靶點(diǎn)。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(xì)菌細(xì)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。遠(yuǎn)期應(yīng)用前景

催化生物有機(jī)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(jī)制的深入研究，將會大大促進(jìn)它們在化學(xué)工業(yè)和環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。

對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的深入研究不僅會大大促進(jìn)我們對天然存在的蛋白質(zhì)在人類生活的各個(gè)方面的應(yīng)用，同時(shí)我們還可以設(shè)計(jì)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(kuò)展人類對蛋白質(zhì)的直接和間接應(yīng)用的范圍。三、實(shí)施蛋白質(zhì)研究計(jì)劃的可行性

在我國實(shí)施該計(jì)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(rèn)識生命現(xiàn)象的關(guān)鍵之一。當(dāng)今，全面深刻認(rèn)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(jì)算機(jī)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。3、已形成一支必要的研究隊(duì)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(duì)伍。