现代生物学仪器分析

现代生物学仪器分析在生命科学研究中的应用生命科学的发展与生物学仪器分析技术的进步密切相关，比如X射线晶体衍射对DNA双螺旋结构的发现起着至关重要的作用，而DNA双螺旋结构的发现奠定了现代分子生物学的基石，使微观世界的大门为我们敞开，让我们得以一窥微观领域的奇妙景象。一代测序技术的问世使人类得以提前完成人类基因组计划，第二代，第三代测序技术的出现，不仅大大降低了测序成本，还大幅提高了测序速度，并且保证了高准确性，为现代生物学的研究提供了强有力的帮助。诞生于上个世纪八十年代的生物质谱技术，为功能基因组，蛋白质组的研究奠定了基础。随着科学技术的发展，更精确，更快速，选择性更高，灵敏度更高的分析仪器以及新的技术和新的方法会不断的涌现出来，从而加速生命科学研究的不断发展。现代生物学仪器分析中有“四大谱”和“三大法”。生物分子的结构分析最有效的方法就是“四大谱”：紫外-可见光谱、红外光谱、核磁共振波谱和质谱。而生物大分子结构测定的最重要和应用最广泛的“三大法”分为X射线晶体衍射分析、核磁共振波谱分析和冷冻电镜。紫外可见吸收光谱是通过研究溶液中生物分子对紫外和可见光谱区辐射能的吸收情况对生物分子进行定性、定量和结构分析的方法。通常我们所说的紫外光谱其波长范围主要是为200～800nm。由于不同物质的分子其组成和结构不同，它们所具有的特征能级也不同，其能级差不同，而各物质只能吸收与它们分子内部能级差相当的光辐射，所以不同物质对不同波长光的吸收具有选择性。紫外可见吸收光谱应用广泛，不仅可进行定量分析，还可利用吸收峰的特性进行定性分析和简单的结构分析。近年来，随着生命科学领域的发展，紫外可见吸收光谱在生命科学领域应用的越来越广泛。比如利用紫外-可见吸收光谱对生物样品的定性分析，鉴定生物样品的种类、纯度等；还可以利用紫外-可见吸收光谱测定生物样品的浓度（蛋白质，核酸等）红外—拉曼光谱在生命科学领域应用十分广泛，因为拉曼样品用量很少，不需要对生物样品进行固定、脱水、包埋、切片、染色、标记等繁琐的前处理程序，不仅操作简单，而且不会损伤样品从而能够获得样品最真实的信息。另外，生物大分子多是处在水溶液中，研究它们在水溶液中的结构对于了解生物大分子的结构和性能的关系非常重要。由于水的红外吸收很强，因此用红外光谱研究生物体系有很大局限性，而水的拉曼散射很弱，干扰小，而且单细胞拉曼光谱能提供细胞内核酸、蛋白质等大量信息，可以在不损伤细胞的条件下对细胞分子结构变化进行动态监测。核磁共振是指核磁矩不为0的核，在外磁场的作用下，核自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一特定频率的射频辐射的物理过程。按照核磁共振所研究的样品体系，我们可以将核磁共振技术分为溶液高分辨核磁共振、固体核磁共振及核磁共振成像。溶液高分辨核磁共振:以溶液样品为研究对象，主要用于研究生物分子、药物分子和化学分子体系中的相关问题。固体核磁共振:以固体样品为研究对象，在材料研究以及高分子聚合物的分析中是不可缺少的研究手段。核磁共振成像技术:可用以获得人和动物体中各种器官以及骨骼的断面图像，现今已发展成为医学上重要的诊断工具。三类核磁共振基于同一物理原理，但是实验技术各不相同，对实验样品制备也有各不相同的要求。在溶液高分辨核磁共振研究中，八十年代以来，由于遗传工程和基因工程技术的迅速发展，使得蛋白质分子得以在体外大量表达，解决了蛋白质大分子样品的制备问题，促使溶液高分辨核磁共振实验方法朝多维核磁共振方向发展。因而，目前已可用来确定分子量大到4万的蛋白质分子的溶液三维空间结构。为我们在接近生理条件下，在溶液三维结构的基础上研究蛋白质结构与功能的关系提供了重要的研究手段。以多组学技术为研究策略的一种系统生物学研究内容掀起了学术界的热潮，质谱技术以其快速、高灵敏度、高精确度的特点广泛应用于蛋白组学、代谢组学、糖组学等多组学的研究中，逐渐成为组学研究的核心技术。通过质谱技术得到相关生物分子复杂的、庞大的数据，并对其进行高通量筛选，为蛋白质、氨基酸、小分子代谢物等的定性和定量研究提供快速方法，作为系统生物学的基础研究手段。代谢组学主要通过质谱分析手段对生物系统基质中的小分子代谢物进行分析，最终回归到生物体的蛋白表达和基因组层面对其生物学功能进行验证。系统生物学强调生物体的整体论，以生物系统的一类物质作为研究对象，以期能为整体生物扰动找到突破点，进而对其扰动机制进行研究，从而将生物分子与整体扰动联系起来，质谱技术作为两者关键的连接，为生命过程的研究提供准确、快速方案。未来更高通量、快速的质谱技术可与精准诊疗技术结合为生命科学领域研究带来广阔前景。质谱对于蛋白质组学，就像PCR对于基因组学一样重要。目前在生命科学领域，常用质谱蛋白质组学来检测蛋白质相互作用，蛋白质的修饰及其修饰位点。现代生物学仪器分析在生科科学领域发挥着不可替代的作用，在科研过程中随处可见它们的身影。在现代生物学仪器分析不断创新，不断进步的推动力下，生命科学领域也在不断前行！