91儀器信息網(wǎng)訊 2017-2018年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)學(xué)院的黃光明教授與生命科學(xué)學(xué)院的熊偉教授課題組合作，先后在PNAS和Cell上發(fā)表了他們的最新研究成果。該研究中，其開發(fā)了能用于復(fù)雜樣品的原位質(zhì)譜分析方法，大幅提高了分析速度。并實(shí)現(xiàn)了針對細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的直接分析，同時通過電生理膜片鉗技術(shù)開展了對小鼠腦內(nèi)單個神經(jīng)元的功能鑒定與解析。其研發(fā)的單細(xì)胞質(zhì)譜分析平臺實(shí)現(xiàn)了單個神經(jīng)元化學(xué)成分及代謝物的即時分析，將目前神經(jīng)細(xì)胞成份分析的研究推向了活細(xì)胞及單細(xì)胞水平。也因其在單細(xì)胞質(zhì)譜研究方面的成果，黃光明教授在2018年獲得了由中國質(zhì)譜學(xué)會設(shè)立并頒發(fā)的“質(zhì)譜青年獎”（該獎項(xiàng)的設(shè)立是為了鼓勵和表彰青年學(xué)者在質(zhì)譜領(lǐng)域取得重大創(chuàng)新性的研究成果）。91儀器信息網(wǎng)有幸采訪了黃光明教授，請他談一談其質(zhì)譜分析技術(shù)的研究歷程及關(guān)于單細(xì)胞質(zhì)譜分析未來應(yīng)用前景的獨(dú)特看法。

單細(xì)胞分析為何受到高度重視？黃光明介紹到，近年隨著分析手段的不斷提高，人們越來越意識到細(xì)胞具有個體差異性。即使在相同條件下培養(yǎng)的同源細(xì)胞，其在形態(tài)、基因表達(dá)水平以及生長特性上都存在一定的差別。為了解復(fù)雜多變環(huán)境中單個細(xì)胞各個階段的變化以及行為，就需要單細(xì)胞分析的方法。

近年來，單細(xì)胞研究在DNA和RNA測序方面取得了極大的進(jìn)展，單細(xì)胞質(zhì)譜分析也逐漸得到更多的關(guān)注。質(zhì)譜分析因其具有高靈敏度，寬泛的線性范圍以及高通量分析化學(xué)分子的特點(diǎn)，被用于單細(xì)胞的代謝分析中。單細(xì)胞質(zhì)譜分析技術(shù)是一種對細(xì)胞中未知成分進(jìn)行快速鑒定，獲得細(xì)胞中蛋白質(zhì)乃至小分子代謝物“組學(xué)”信息的方法。與用于分析單個細(xì)胞基因組的單細(xì)胞測序不同，單細(xì)胞質(zhì)譜研究聚焦在單細(xì)胞內(nèi)的代謝物，例如化學(xué)小分子的組成、含量和代謝等方面。

質(zhì)譜分析 從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用導(dǎo)向

“我從2005年開始接觸質(zhì)譜分析，主要受到我的博士導(dǎo)師張新榮教授的影響，從那時起，開始著手質(zhì)譜定性與定量的分析研究。由于張教授與美國普渡大學(xué)的R.Graham Cooks教授的合作項(xiàng)目，我也有機(jī)會先后前往普渡大學(xué)交流學(xué)習(xí)，進(jìn)一步學(xué)習(xí)如何更好利用質(zhì)譜技術(shù)進(jìn)行科學(xué)研究。在結(jié)束普渡大學(xué)的博士后工作后，我回到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，繼續(xù)從事質(zhì)譜分析相關(guān)的研究”，黃光明說道。

黃光明介紹到，其課題組目前的主要研究方向分為兩方面：一方面開發(fā)各種新型敞開式離子源，另一方面主要集中在將研發(fā)的離子源技術(shù)用于解決生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶋H問題。

在新型敞開式離子源技術(shù)研發(fā)方面，黃光明課題組已經(jīng)開發(fā)了基于超聲噴霧離子源、反應(yīng)紙噴霧離子源及感應(yīng)電噴霧離子源等。相關(guān)的應(yīng)用主要集中在研究復(fù)雜體系中化學(xué)成分的快速實(shí)時分析，包括監(jiān)測化學(xué)反應(yīng)體系、檢測生物樣品中的藥物成分、活體細(xì)胞中的蛋白質(zhì)分析以及單個神經(jīng)細(xì)胞中的代謝物分析。

左：黃光明，右：朱洪影

 “大膽走出去”溝通上下游 多學(xué)科交叉融合

據(jù)了解，單個神經(jīng)細(xì)胞質(zhì)譜分析技術(shù)的研究是黃光明教授與生命科學(xué)學(xué)院的熊偉教授共同合作并取得成果的。就此黃光明也提到，兩人結(jié)緣于“青千”計劃，彼時，黃光明課題組正在開發(fā)一種小樣品（pL級別）質(zhì)譜測量方法，而熊偉教授課題組從事與神經(jīng)化學(xué)、藥理學(xué)、小分子藥物研發(fā)相關(guān)的神經(jīng)科學(xué)研究，并能運(yùn)用多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)從分子、細(xì)胞水平對動物行為進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。經(jīng)過多次討論，他們決定將兩個實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，共同開發(fā)單個神經(jīng)元化學(xué)成分及代謝物分析的質(zhì)譜方法。

從科學(xué)研究的角度來看，兩個不同領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)室的共同研究具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，質(zhì)譜分析的新方法，可以在解決實(shí)際的生命科學(xué)領(lǐng)域的問題中體現(xiàn)自己的價值；生命科學(xué)領(lǐng)域中目前沒有辦法解決的一些科學(xué)問題，也會推動質(zhì)譜分析方法和技術(shù)的進(jìn)步?！敖徊婧献鲗﹄p方都有重要的科學(xué)價值，我們打算在新技術(shù)推動解決新的科學(xué)問題、未解決的科學(xué)問題對技術(shù)革新提出更高的要求這兩方面的基礎(chǔ)上繼續(xù)長期合作?！?/p>

從左往右：黃光明，王寧，熊偉，朱洪影

在交叉合作共同研究方面，黃光明也提到一個實(shí)例，其博士后的合作導(dǎo)師R.Graham Cooks 教授課題組內(nèi)，匯集了來自各個領(lǐng)域的人才，相關(guān)的研究背景從基礎(chǔ)理論研究、電子電路設(shè)計、精密儀器加工、有機(jī)化學(xué)反應(yīng)、分析方法學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、藥物研發(fā)到癌癥研究。來自不同領(lǐng)域的學(xué)者們通力合作，針對性的發(fā)現(xiàn)“埋”在實(shí)際應(yīng)用難題之下的科學(xué)問題，并能在解決科學(xué)問題以及相關(guān)工程技術(shù)難題后，最終開發(fā)出可以用于解決實(shí)際問題的方法和技術(shù)。“鑒于國內(nèi)的實(shí)際情況，很難在一個研究組內(nèi)集中跨多個研究領(lǐng)域的人才，更需要大膽走出去，和自己研究領(lǐng)域上下游的研究學(xué)者多溝通、多交流、多合作。在溝通交流中了解別人的需求，同時尋求自己領(lǐng)域難題的解決辦法，最終才能以合作的形式去解決具體的技術(shù)和科學(xué)問題，這也是我自己在研究過程中的一個基本思路?！?/p>

“單細(xì)胞質(zhì)譜分析將大有可為”

質(zhì)譜作為一種擁有很大發(fā)展空間的儀器，如果僅僅把它作為一個工具對待，那么無論從儀器技術(shù)研發(fā)、方法研究還是實(shí)際應(yīng)用方面，都很難僅從單一角度發(fā)揮其最大的作用。

本文之前介紹的黃光明與熊偉教授課題組共同合作的研究首次利用質(zhì)譜方法直接無稀釋地檢測單個神經(jīng)元中多種神經(jīng)遞質(zhì)、代謝物、脂質(zhì)等化學(xué)小分子，對單個神經(jīng)元化學(xué)成分及代謝物進(jìn)行了即時分析，并鑒定了單個神經(jīng)元內(nèi)谷氨酰胺的代謝路徑，對于深入理解這條代謝通路以及與之相關(guān)的疾病機(jī)制具有重要意義。除此之外，該研究成果也將目前神經(jīng)細(xì)胞成分分析的研究推向了一個活細(xì)胞及單細(xì)胞水平。

上圖：單細(xì)胞原位質(zhì)譜平臺及工作流程；

下圖：A）肝臟內(nèi)尿刊酸相關(guān)代謝通路示意圖；B）海馬腦區(qū)單個神經(jīng)元中得到的尿刊酸代謝相關(guān)的五種代謝物（含IPPA和FMGA兩種代謝中間產(chǎn)物）；C）二級質(zhì)譜對代謝中間產(chǎn)物IPPA的鑒定；D）二級質(zhì)譜對代謝中間產(chǎn)物FMGA的鑒定；E）碳13標(biāo)記的組氨酸示蹤尿刊酸代謝通路上三種穩(wěn)定代謝物的上下游關(guān)系；F）尿刊酸代謝通路上四種酶在各個腦區(qū)的分布情況。（Zhu HY, Wang N,?Huang GM*，Xiong W*，Cell，2018，173，1716-1726）

黃光明表示，生命科學(xué)領(lǐng)域是質(zhì)譜技術(shù)未來最有前景的發(fā)展方向之一：一個原因是生命科學(xué)領(lǐng)域是人類永恒的研究熱點(diǎn)；另一個原因是在這個領(lǐng)域中，因?yàn)樯顒舆^于復(fù)雜，有太多還沒有破解的難題。由于質(zhì)譜分析方法兼具非常好的定性分析能力和定量分析靈敏度，在生命科學(xué)領(lǐng)域中扮演著重要的角色，也在推動蛋白組和代謝組學(xué)研究方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

在談到下一步的研究計劃時，黃光明表示，其課題組將針對重大疾病，如神經(jīng)退行性疾病等，分別從質(zhì)譜分析新技術(shù)開發(fā)及分析方法學(xué)層面針對性的解決相關(guān)問題，希望能夠在單細(xì)胞層次上研究神經(jīng)生物學(xué)、代謝組學(xué)、毒理學(xué)生命科學(xué)的重大問題，力爭為相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制研究、靶向藥物的研究等方面作出貢獻(xiàn)。

細(xì)胞是構(gòu)成生命活動的最基本單元，單個細(xì)胞的化學(xué)物質(zhì)成分分析解析，有望從根本上解釋各種生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。但目前由于單細(xì)胞體積小、細(xì)胞內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)變化速率快的特點(diǎn)，單細(xì)胞分析在生命科學(xué)領(lǐng)域還十分有限，尤其是在探索細(xì)胞內(nèi)低濃度的未知化學(xué)物質(zhì)，缺乏相關(guān)的研究方法。如果能夠繼續(xù)將質(zhì)譜分析的定性分析能力和極高的定量分析靈敏度用好，將有可能突破這一瓶頸，為生命科學(xué)領(lǐng)域帶來新的研究工具，單細(xì)胞質(zhì)譜分析研究具有很好的前瞻性和探索性，必將大有可為。

后記：

在談到跨領(lǐng)域交叉合作開展科研工作這一方面，我們可以從近些年發(fā)表的文章中看出，與以前相比，科學(xué)家的研究工作呈現(xiàn)出跨學(xué)科合作的特點(diǎn)。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在近100年的300多項(xiàng)諾貝爾自然科學(xué)獎中，近半內(nèi)容是跨學(xué)科交叉研究的成果。放眼國際學(xué)術(shù)界，學(xué)科交叉正日益完善，逐步走向成熟。美國加州理工學(xué)院有50多個學(xué)科交叉研究中心；麻省理工學(xué)院與哈佛大學(xué)在2004年基于交叉學(xué)科共建了研究所，通過理工醫(yī)多學(xué)科交叉，為攻克人類重大疾病奠定科學(xué)基礎(chǔ)。斯坦福大學(xué)也成立跨學(xué)科研究中心，為學(xué)科交叉提供有效路徑。在國內(nèi)，不少高水平院校也在進(jìn)行學(xué)科交叉的多重探索?？鐚W(xué)科領(lǐng)域的研究是對單一學(xué)科研究的挑戰(zhàn)與革命，這是科學(xué)發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步的必然趨勢，也必將對未來科學(xué)與技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。