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生命科学:质谱技术应用研究的主战场
2016-07-14 22:10 阅读数:2445

2016年7月2日,在第30届中国化学会年会举行期间,由中国化学会质谱分析专业委员会组织的质谱分会场如期举行,本次会议为期两天半。将有42名专家学者先后为大家带来精彩报告。

  质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。19世纪末科学家已经奠定了这种方法的基础,1912年科学家第一次利用它获得对分子的分析结果。100多年来科学家们不断探索、改善仪器性能,开发仪器的应用领域。

  在质谱技术的发展中,我国科学家无论从仪器研制,还是仪器应用,都做出了自己的贡献。尤其是近年来随着国家科研经费的大力投入,我国的质谱仪器研制及应用研究水平都有了显著的提高,质谱研究队伍也不断扩大。在中国化学会质谱专业委员会最新推出的《质谱团队简介》(第二期)中,就收录有国内72个从事质谱研究的专家团队,据秘书长林金明介绍,质谱专业委员会还将进一步收集整理国内的质谱研究团队,争取在2017年中国化学会第三届全国质谱分析学术报告会期间成册。


《质谱团队简介》(第二期)

  目前,质谱技术不仅在化学分析领域发挥重要作用,在生命科学领域的重要性更是日益凸显,甚至被称为科学家们探索生命奥秘的“最佳拍档”。在本次质谱会议中,多个质谱研究团队都介绍了质谱技术在生命科领域的应用。


南京大学陈洪渊院士

  陈洪渊院士在质谱分会场的开幕词中说道:“我是一名质谱新兵,我有兴趣学质谱,质谱分析对于生命化学分析非常重要。”

  “要了解生命,必须了解生命中的物质及其变化。基因组学、蛋白质组学、代谢组学等组学研究为生命过程的理解提供了深入的全面的理论依据,质谱分析为以上组学研究提供了关键的技术平台。当前,质谱技术在生命分析领域面临的挑战主要有灵敏度的提高、空间分辨率的提高、实施在线的生物分析,以及质谱仪器的小型化。”陈洪渊说道。

    质谱技术在蛋白质组学研究中的应用

中国科学院分离分析化学重点实验室张玉奎院士

  中国科学院分离分析化学重点实验室张玉奎多年来从事利用质谱联用技术实现蛋白质的高效分离与高灵敏检测的研究,提出了构建蛋白质分离-在线酶解-多肽分离-质谱鉴定的蛋白质分离鉴定平台的思路,发展了多种蛋白质原位微酶反应器,以及低丰度蛋白的富集方法。张玉奎介绍说,如何实现蛋白质的快速有效分离和鉴定,为生物学家提供更多的信息,是质谱分析工作者应当做的。

国家蛋白质科学中心(北京)钱小红研究员

  蛋白质有着复杂的翻译后修饰,如磷酸化和糖基化等,其中蛋白质糖基化修饰引起生物功能多样性,并与生理病理过程密切相关。但糖基化分析面临着糖链复杂、含量低、离子化率低等分析挑战。国家蛋白质科学中心(北京)钱小红研究员在本次会议中,介绍了课题组开发的一系列糖蛋白、糖肽富集和标记新材料和新试剂,显著提高了糖蛋白、糖肽的富集效率和质谱鉴定规模,为系统性的糖蛋白质组研究提供了有力的工具。

复旦大学教授杨芃原

  复旦大学生物医学研究院杨芃原也介绍了一种新型糖肽富集材料ZICF-PAMAM,并将其与FASP样品处理方法结合进行糖肽富集。据介绍,利用该方法检测糖肽最低检测限可达飞摩尔级,回收率超过90.01%,能够从0.1微升人血清样品中高效富集糖肽。

厦门大学教授杭纬

  金属蛋白与人体的生化过程息息相关,许多蛋白质的结构特异性和特殊功能的实现都依赖于其与金属离子的相互作用。厦门大学化学化工学院教授杭纬搭建了一套大气压激光电离-电喷雾电离质谱用于金属多肽的气相相互作用研究。通过高功率激光电离溅射金属靶产生气相金属离子,通过电喷雾电离产生多肽离子,使其二者在大气压下反应生成金属多肽,进入质谱得以分析。据介绍,相比于传统的电喷雾电离方法,此法避免了高浓度金属离子溶液带来的信号抑制效应和稀释效应,反应可控性大大提高。

  质谱技术在结构生物学领域的应用

北京生命科学研究所研究员董梦秋

  北京生命科学研究所研究员董梦秋介绍了化学交联结合质谱鉴定技术在结构生物学中的应用。据介绍,自2008年以来,董梦秋实验室一直与中科院计算所pFind研究团队合作开发蛋白质化学交联结合质谱鉴定技术(chemical cross-linking of proteins coupled withmass spectrometry),简称CXMS,并开发了相应的交联肽段质谱鉴定软件pLink。目前,pLink的用户已经超过600,遍布世界各地,既有来自学术界的,也有来自生物技术或制药公司的。

  CXMS能够帮助解析蛋白质的三维结构以及蛋白质复合体各亚基之间相互作用的界面。该技术虽然只能提供鉴定到的交联氨基酸(通常是赖氨酸)之间的空间距离信息,但不需要蛋白质晶体,也不需要大量的高度纯化的蛋白,实验简单,性价比高,因而备受生物学家青睐,是对现有结构生物学技术的重要补充。报告中,董梦秋通过若干实例讲解CXMS的用途、现存问题以及我们对CXMS数据的深度理解。

    生物质谱MALDI-TOF MS的技术研究

  基体辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)作为生物质谱最主要的组成部分之一,由于其分析速度快、灵敏度高、适合于复杂体系分析及抗杂质干扰能力强的特点,成为当前质谱领域中的研究热点。但由于受小分子基质的干扰,其很难检测到分子量小于400Da的化合物。

  为此科学家们通过开发新的基质,或通过将小分子转移动到高质量区域测定等方法成功解决了MALDI-TOF-MS测定小分子化合物的难题。

  

香港浸会大学教授蔡宗苇

  香港浸会大学教授蔡宗苇近年来主要从事质谱在生命科学中的应用及代谢组学在环境毒理学中的应用。报告中他介绍了通过利用石墨烯、磁性石墨烯复合物,以及他纳米材料作为基质,成功实现了对小分子进行富集分析。

武汉大学化学与分子科学学院教授冯钰锜

  武汉大学化学与分子科学学院冯钰锜基于多肽质谱探针,建立了MALDI-TOF-MS分析小分子化合物的方法。通过多肽化,小分子目标分析物的分子量增大,从而避免了MALDI-MS分析中低分子量区域严重的基质干扰。另外,利用多肽化的方法,生物样品中的目标分析物也能被清楚地检测到。

南京大学教授鞠熀先

  南京大学教授鞠熀先将纳米技术、化学衍生及化学生物学与传统质谱分析方法结合,通过磁性碳纳米管等纳米材料,提出低丰度生物小分子与蛋白的选择性富集手段,建立了无需另加基质的MALDI-MS检测方法。另外,针对阻碍MALDI-MS定量分析的瓶颈,鞠熀先课题组利用分子标记实现了MALDI定量,并用于多肽和酶活性的定量检测,扩展了这一技术的应用范围。

中央民族大学教授再帕尔阿不力孜

  中央民族大学生物成像与系统生物学研究中心再帕尔阿不力孜采用自主研发的新型敞开式空气动力辅助离子化(AFAI)及其质谱成像技术(AFAI-MSI),整合代谢组学的整体、全面分析特点,发展了一种免标记、高灵敏、宽覆盖的成像(原位)代谢组学新方法,并成功应用于镇静催眠候选新药(NHBA)的作用机制,成功发现与药物作用机制或调控作用密切相关的功能小分子;同时将该技术应用于肿瘤生物标志物的原位筛查及免标记分子病理诊断的研究,实现了原位生物标志物的发现与肿瘤筛查,获得肺癌、乳腺癌等恶性肿瘤的分类、分型及分化程度等诊断信息。


北京微量化学研究所陈君

  北京微量化学研究所陈君则介绍了介孔二氧化硅MCM-41对MALDI-MS分析肽类的影响。

  元素质谱在生物分析领域的应用

厦门大学教授王秋泉

  元素质谱(特别是电感耦合等离子体质谱,ICP-MS)是进行元素分析的重要工具。近年来发展起来的化学选择性和生物特异性元素编码策略与同位素稀释技术结合使得ICP-MS在生物分子的定量分析方面显示出极大的优越性。王秋泉介绍说元素质谱在生物分析领域的应用有:目标蛋白标志分子的绝对定量;目标生物分子的“组成”和“结构”分析;细胞(细菌、病毒)的计数;细胞(细菌、病毒)亚细胞单元的“组成”和“结构”分析;当然这些研究成果最终是要应用于疾病诊断、药物筛选和生物学机制研究。

国家蛋白质科学中心(北京)秦伟捷

  秦伟捷介绍说,利用镧系金属独特的光学性质以及在ICP-MS中良好的响应性能,我们研发了一种基于镧系金属的双功能探针。我们将镧系金属发光螯合物通过蛋白酶特异的底物肽段,连在纳米金颗粒的表面。通过细胞内蛋白酶对作为桥联剂的底物肽段的水解作用,调控螯合物发光成像并释放镧系金属。借助ICP-MS对释放的镧系金属进行准确而灵敏地定量分析,首次得到了肿瘤细胞内caspase-3在不同条件下活性变化的荧光定位成像和准确定量信息。

  质谱技术在代谢组学研究中的应用

东华理工大学顾海巍

  传统的标靶质谱分析方法在代谢组学中发挥着重要作用,对检测代谢物具有优异的选择性和卓越的定量能力。然而,传统的标靶质谱分析只能针对性地检测代谢物,其覆盖范围通常只能涵盖少量预先选定的化合物。

  顾海巍在报告介绍了一种新方法,全面标靶质谱分析(GOT-MS),它结合了代谢组学中传统标靶分析和轮廓分析的许多优点,包括能检测未知物、代谢物覆盖范围广、以及优秀的定量能力。GOT-MS的关键步骤是使用液相色谱-三重四极杆(LC-QQQ)质谱仪全面地搜索母离子和子离子。对于大部分检测到的MRMs代谢产物,GOT-MS的分析性能优于传统的使用四极杆-飞行时间质谱仪(Q-TOF)的代谢轮廓分析。在诊断直肠癌(CRC)的代谢组学研究中,GOT-MS显著优于传统的标靶质谱分析,并能给基于Q-TOF-MS的轮廓分析提供互补的代谢标记物信息。

    其他关于质谱技术在生命科学领域应用的报告

北京大学刘小云

    北京大学化学与分子工程学院刘小云介绍了磷酸化蛋白质组学揭示沙门氏菌效应蛋白SptP磷酸酶底物及与宿主相互作用机制。

清华大学李海芳

  清华大学李海芳介绍了基于芯片-质谱联用的肿瘤细胞药物代谢分析。

北京大学周江

  北京大学周江介绍了竞争模式质谱法区分小分子与G-四链体的结合位点。

  除了质谱技术在生命科学领域的应用,第一天的会议报告还包括了质谱技术在有机反应机理、药物分析、手性分析等方面的应用。

浙江大学教授潘远江

  浙江大学教授潘远江介绍了电喷雾质谱中有机反应中间体的制备和活性研究。据介绍,课题组在气相中“合成”一些寿命极短、活性极高的有机反应中间体,如苯炔铜络合物离子、卤素鎓离子、乃春阳离子、磷卡宾阳离子等。该类气相反应的发现对研究乃春阳离子和磷卡宾阳离子参与的反应机理研究有重要指导意义。

华中师范大学化学学院钟鸿英

  与DNA和蛋白质相比,有机小分子不具有线性重复的序列单元,因此未知小分子化合物结构的质谱鉴定面临较大的技术难题。华中师范大学化学学院钟鸿英建立了激光诱导隧道电子俘获软电离方法来进行小分子化合物的鉴定,并对相应的裂解机理进行了研究,取得了一定进展。

  

武汉大学药学院教授陈子林

  武汉大学药学院教授陈子林介绍了课题组在毛细管电泳及电色谱与质谱联用技术及其在药物分析中应用方面的研究进展,包括CE/CEC-MS联用的纳流电喷雾界面技术;基于PEEK毛细管的聚多巴胺功能化修饰技术的毛细管电色谱柱技术;基于非水毛细管电泳-质谱联用的中药活性组分分析新方法及多级质谱裂解行为研究。

南开大学孔祥蕾

  南开大学元素有机国家重点实验室孔祥蕾开展了基于质谱-红外解离光谱技术进行手性药物识别和分析的方法的相关研究,解决了质谱在手性分析中存在的再现性差,难以实现高效的手性区分的缺点。

中国化学会质谱专业委员会秘书长林金明主持会议

会议现场

  此次质谱分会场的会议举行得到了日立、布鲁克、岛津和百灵威等仪器及试剂公司的赞助。

[摘自:仪器信息网]

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