化学生物学前沿领域概述

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1、化学生物学及其前沿领域概述一．化学生物学起源综述及定义80年代中后期以来,随着各国政府和科学界对生命科学、材料科学和生物技术等研究领域的日益重视,一大批边缘学科得以蓬勃发展,化学生物学就是其中之一。化学生物学是90年代后期才发展起来的前沿学科,它是利用化学的理论、研究方法和手段来探索生物医学问题的科学。化学生物学研究一般都是从对生物体的生理或病理过程具有调控作用的小分子生物活性物质开始,研究其结构,发现其在生物体中的靶分子,研究这些物质与生物体靶分子的相互作用,进一步采用化学方法改造其结构,创制具有某种特异性质的新颖生物活性物质,探讨其结构与活性关系和作用机制,阐明生理或病理过程的发生、发展

2、与调控机制,揭示生命过程的秘密,并进一步从中发展出新的诊断与治疗方法或药物。它结合传统的天然产物化学、生物有机化学、生物无机化学、生物化学、药物化学、晶体化学、波谱学和计算机化学等学科的部分研究方法,从而大大拓宽了研究领域。化学生物学的研究范畴大体可以分为两个方面:一是通过对生物机制,特别是对人类疾病发病机制的理解和操控,为医学研究提供严格的证据并使之发展成为有前景的诊断和治疗方法;二是通过分离的和微型化的模拟手段,理解和探索生物医学科学中的一些特殊现象。前者比较注重应用前景,而后者对基础研究的贡献极为重要。这些研究的特点都是选择生物医学中的特定对象,采用化学的方法和手段来实现目的,代表当代

3、化学研究的学科前沿。实践证明,这一学科能够完成许多传统单一学科不能完成的课题,不但具有化学学科的严格性,而且具有独特的优越性。90年代中期以来化学制药业的繁荣和新颖小分子化学药物的产业化速度的大幅度提高,无不直接或间接得益于这一新的边缘学科的发展。对于化学生物学的定义，当前可以有两种理解:一种是广义的理解,即化学生物学是利用化学的理论、研究方法和手段来探索生物医学问题的科学。这种理解与生物化学和分子生物学的含义有较大的重叠,它强调的是化学与生物学的交叉与融合。另一方面,化学生物学可以看作是一个特定的学科领域,与分子生物学,生物化学之间存在着差别。二．发展历史化学与生物学两大学科之间在发展的历

4、史长河中有着密切的联系,曾经多次发生重要的交叉和融合。第一次重大交叉与融合发生在19世纪初,当时有机化学家Wohler在实验室人工合成了尿素,推倒了人们在生命体与非生命体之间存在壁垒的思维,揭示了生物体的反应同样是遵循物理和化学的规律,标志着生物化学这一交叉学科领域的诞生。20世纪中期DNA双螺旋结构被发现，遗传密码被解明。这时生物化学、细胞生物学和遗传学交织在一起,成为一个不可分割的整体,并且一个新的学科领域——分子生物学开始出现:1953年WatsonCrick提出DNA双螺旋结构,1958年Kornberg第一次分离出DNA聚酶,1959年Crick提出“中心法则”,1960年剑桥大学

5、建立分子生物学系,同年《分子生物学》杂志创刊,标志着分子生物学时代的到来。至80年代分子生物学的一个重要分支领域——结构生物学崭露头角并在生物大分子的结构与功能研究上取得了一系列重大突破,一批重要的生物大分子的三维结构陆续得到阐明,生物大分子之间的相互作用研究,在基因转录调控、细胞周期以及信号跨膜转导等问题上取得重大进展。同时传统的学科界线正在消失,新兴交叉学科分支不断涌现。特别是90年代初人类基因组计划的启动和随之而来的蛋白质组学、代谢组学和生物信息学的发展,在世纪之交将生命科学的研究推向高潮,开创了一个开发和利用基因组功能信息的后基因组时代。人们将全面认识基因表达的分子机制,阐明细胞发育

6、、分化的调控机理,揭示疾病的发病机制,提出预防、诊断和治疗的新方法,并在基因工程、蛋白质工程等生物技术领域发展新的概念和新的技术。高效分离技术的出现,各种仪器分析特别是波谱技术的发展和应用,大大增强了操控和处理复杂结构问题的能力;随着近代有机合成,特别是选择性合成和手性合成技术的发展,今天人们已能合成自然界发现和鉴定的任何复杂天然化合物,并且在此基础上能够设计和合成具有特定性能的新颖化合物;总之,化学已具备了研究复杂分子和分子体系的能力。一．化学生物学当前的若干重要研究方向1.化学遗传学——采用小分子活性化合物作为探针,探索和控制细胞过程。生命科学当前的中心任务是通过研究蛋白质的结构与功能来

7、全面阐明基因表达、细胞发育和分化及其调控的分子机制。而研究与探索一个蛋白质的功能需要有一种手段来改变其功能。分子生物学常常采用遗传学的方法:对感兴趣的蛋白质的基因编码进行定点突变,然后从基因表达产物中寻找关键性的突变子,并进一步探讨其与生物表型之间的关系。生物活性小分子在这方面可以发挥类似的作用:正如传统的基因筛选能产生具有多种多样活性的突变蛋白一样,小分子也能以多种方式修饰靶蛋白的功能。在一个体系中加入生物