化学生物研究进展省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

化学生物学研究进展化学生物学研究进展化学生物学研究进展化学生物学研究进展马马马马 林林林林第1页姓姓名名职职称称讲座题目讲座题目池池振振国国副副教教授授OLEDOLED材料与器件材料与器件技术进展技术进展陈陈振振兴兴教教授授金属粉体表面改性及其应用容容敏敏智智教教授授当代复合材料导论祝祝方方明明教教授授高分子化学前沿高分子化学前沿科学问题科学问题匡匡代代彬彬教教授授太阳能电池研究与应用帅帅心心涛涛教教授授纳米医学进展纳米医学进展马马 林林教教授授化学生物学研究化学生物学研究进展进展麦麦堪堪成成教教授授新材料与生活新材料与生活章章明明秋秋教教授授浅谈材料科学与浅谈材料科学与工程工程第2页一、化学生物学方法一、化学生物学方法2020世纪世纪8080年代，伴随生命科学年代，伴随生命科学 材料科学和生物材料科学和生物技术等研究领域发展，诞生了一大批边缘学科，技术等研究领域发展，诞生了一大批边缘学科，化学生物学就是其中之一。化学生物学就是其中之一。化学生物学是用化学理论化学生物学是用化学理论 研究方法和伎俩从分研究方法和伎俩从分子或亚分子水平去探索生物医学问题一个新研子或亚分子水平去探索生物医学问题一个新研究领域。它融合了传统天然产物化学究领域。它融合了传统天然产物化学 生物有机生物有机化学化学 生物无机化学生物无机化学 生物化学生物化学 药品化学药品化学 晶体晶体化学化学 波谱学和信息化学等学科特点和研究方法，波谱学和信息化学等学科特点和研究方法，从更深层面去硕士命现象和生命过程从更深层面去硕士命现象和生命过程 化学与生物学融合带来化学生物学科形成和快化学与生物学融合带来化学生物学科形成和快速发展，这已是不争事实速发展，这已是不争事实 第3页化学生物学研究内容化学生物学研究内容化学生物学研究普通都是从对生物体生理或化学生物学研究普通都是从对生物体生理或病理过程含有调控作用小分子生物活性物质病理过程含有调控作用小分子生物活性物质开始，研究其结构，发觉其在生物体中靶分开始，研究其结构，发觉其在生物体中靶分子，研究这些物质与生物体靶分子相互作用，子，研究这些物质与生物体靶分子相互作用，深入采取化学方法改造其结构，创制含有某深入采取化学方法改造其结构，创制含有某种特异性质新奇生物活性物质，探讨其结构种特异性质新奇生物活性物质，探讨其结构与活性关系和作用机制，说明生理或病理过与活性关系和作用机制，说明生理或病理过程发生、发展与调控机制，揭示生命过程秘程发生、发展与调控机制，揭示生命过程秘密，并深入从中发展出新诊疗与治疗方法或密，并深入从中发展出新诊疗与治疗方法或药品。药品。第4页无机无机有机有机高分子高分子物质物质生物大分子生物大分子合成合成分离分离纯化纯化分析分析化化学学物物质质相相互互作作用用细胞细胞动植物动植物蛋白质蛋白质酶酶核酸核酸细胞膜细胞膜信号转导信号转导细胞凋亡细胞凋亡细胞周期细胞周期细胞分化细胞分化药品代谢药品代谢毒理学毒理学生物化生物化学功效学功效生生物物转转化化生物生物学功效学功效医药学医药学学作用学作用化学生物学研究内化学生物学研究内容简单能够分为四容简单能够分为四个大方面：个大方面：第5页国际学术界认为化学生物学包含：国际学术界认为化学生物学包含：蛋白质组学和基因组学（蛋白质组学和基因组学（proteomics and genomics）、）、分析技术（分析技术（analytical technique）、）、生物无机化学（生物无机化学（bioinorganic chemistry）、）、生物有机化学（生物有机化学（bioorganic chemistry）、）、组合化学（组合化学（combinatorial chemistry）、）、生物高分子（生物高分子（biopolymer）、）、生物催化与生物转化（生物催化与生物转化（biocatalysis and biotransformation）、）、作用机制（作用机制（mechanism）、）、模拟体系（模拟体系（model system）下一代疗法（下一代疗法（next generation theraoeutics）等。）等。第6页化学遗传学方法基本步骤化学遗传学方法基本步骤1 1，化合物高通量、快速，化合物高通量、快速合成、分离、分析；合成、分离、分析；2 2，生物体系小分子调控，生物体系小分子调控中，分子识别和分子间中，分子识别和分子间相互作用化学基础研究；相互作用化学基础研究；3 3，化学遗传学，化学遗传学-采取小采取小分子活性化合物作为探分子活性化合物作为探针，探索和控制细胞过针，探索和控制细胞过程。程。第7页第8页第9页细胞中包括糖基化蛋白质细胞中包括糖基化蛋白质 第10页第11页第12页化化学学蛋蛋白白质质组组学学第13页第14页第15页第16页二，化学生物学需要化学做什么？二，化学生物学需要化学做什么？依据化学生物学研究依据化学生物学研究-尤其是化学遗传学或者化学基因组尤其是化学遗传学或者化学基因组学研究方法，能够看出进行化学生物学研究首先需要构学研究方法，能够看出进行化学生物学研究首先需要构建化合物库，小则几十种化合物，多则上万种化合物，建化合物库，小则几十种化合物，多则上万种化合物，包括到快速合成、快速分离分析，然后进行生物活性筛包括到快速合成、快速分离分析，然后进行生物活性筛选；最终才能进入生物学研究阶段。其特点是：选；最终才能进入生物学研究阶段。其特点是：（1 1）化合物合成量少，普通）化合物合成量少，普通mgmg级足够。级足够。（2 2）化合物种数多，需要简单合成反应，快速合成。）化合物种数多，需要简单合成反应，快速合成。（3 3）需要快速分离纯化化合物。）需要快速分离纯化化合物。（4 4）需要快速筛选化合物生物活性。）需要快速筛选化合物生物活性。第17页可见传统合成、分离、分析方法已经无法满足化可见传统合成、分离、分析方法已经无法满足化学生物学研究需求。学生物学研究需求。（1 1）当合成化合物主体原料合成后，传统大）当合成化合物主体原料合成后，传统大烧瓶回流反应，大高压釜加氢还原反应等合成烧瓶回流反应，大高压釜加氢还原反应等合成技术无法使用。技术无法使用。（2 2）因为合成化合物量小，传统浓缩、蒸馏、）因为合成化合物量小，传统浓缩、蒸馏、分馏等分离技术已经不适用。分馏等分离技术已经不适用。（3 3）因为合成化合物数目多，传统一个一个）因为合成化合物数目多，传统一个一个合成已经无法满足需要。合成已经无法满足需要。所以，化学生物学发展自然推进着化学合成、所以，化学生物学发展自然推进着化学合成、分离、分析技术发进步。分离、分析技术发进步。第18页1 1，高通量合成技术，高通量合成技术伴随酶和受体作为药品治疗靶点不停说明，药品伴随酶和受体作为药品治疗靶点不停说明，药品自动化快速筛选方法不停出现，筛选效率已非常自动化快速筛选方法不停出现，筛选效率已非常高，但样品起源却远远跟不上，科学家们便把注高，但样品起源却远远跟不上，科学家们便把注意力转入合成大数目标化合物群，即化合物库。意力转入合成大数目标化合物群，即化合物库。组合化学应运而生。组合化学应运而生。组合化学，亦称同时多重合成化学或组合合成化组合化学，亦称同时多重合成化学或组合合成化学，是一个将化学合成、组合理论、计算机辅助学，是一个将化学合成、组合理论、计算机辅助设计和机械手结为一体技术，属于边缘学科。它设计和机械手结为一体技术，属于边缘学科。它是在不一样结构构建模块之间以共价键系统、重是在不一样结构构建模块之间以共价键系统、重复地进行连结，从而产生一批不一样分子实体方复地进行连结，从而产生一批不一样分子实体方法。由此，各种能够同时进行各种化合物合成技法。由此，各种能够同时进行各种化合物合成技术术-高通量合成技术应运而生。高通量合成技术应运而生。第19页（1 1）组合合成技术）组合合成技术组合化学是在合成多肽基础上发展起来一项快速高效合组合化学是在合成多肽基础上发展起来一项快速高效合成技术。早在成技术。早在19631963年，年，MerrifieldMerrifield固相多肽合成法就为固相多肽合成法就为组合化学奠定了基础，并所以取得了诺贝尔奖。组合化学奠定了基础，并所以取得了诺贝尔奖。上世纪上世纪8080年代中期，年代中期，GeysenGeysen用用9696孔板在高分子链上首次孔板在高分子链上首次合成多肽成功，标志着组合合成开始；今后合成多肽成功，标志着组合合成开始；今后,新固相合新固相合成方法如相继发表；为了确定混合产物成份成方法如相继发表；为了确定混合产物成份,密码标识密码标识和解密技术以及产物追踪技术也发展起来；和解密技术以及产物追踪技术也发展起来；到了到了9090年代初年代初,以合成小分子为主平行单分子合成技术发以合成小分子为主平行单分子合成技术发展成为组合合成主要技术；展成为组合合成主要技术；9090年代后期年代后期,组合化学被推组合化学被推广应用于新材料和新型催化剂研究。广应用于新材料和新型催化剂研究。第20页第21页第22页固相合成反应固相合成反应 从从19921992年到年到19991999年组合化学快速发展整个阶段看年组合化学快速发展整个阶段看,固相反应固相反应一直占据着主要地位。这说明固相合成有其主要优点：它可一直占据着主要地位。这说明固相合成有其主要优点：它可用过量试剂使反应完全；过滤就能分离纯化产物；产物易于用过量试剂使反应完全；过滤就能分离纯化产物；产物易于提纯则更适于多步反应；另外，操作简单有利于自动化，所提纯则更适于多步反应；另外，操作简单有利于自动化，所以也得以快速发展。以也得以快速发展。近年来近年来,固相合成杂环类取得很大成功。如已成功合成烷基固相合成杂环类取得很大成功。如已成功合成烷基四唑类衍生物、含四唑类衍生物、含2-2-氨基硫酚杂环、四取代吡咯、氨基硫酚杂环、四取代吡咯、IndolizidineIndolizidine和和QuinozidineQuinozidine衍生物、杂环二乙胺衍生物、衍生物、杂环二乙胺衍生物、5-5-取代唑卟恶取代唑卟恶1,5-1,5-苯并二氮杂苯并二氮杂-2-2-酮、大型杂环和相关芳环酮、大型杂环和相关芳环类、苯并吡喃类化合物等。类、苯并吡喃类化合物等。固相合成对于肽合成极具优势固相合成对于肽合成极具优势,可也有很大弱点和很多限制。可也有很大弱点和很多限制。如如,因为产物与树脂球珠相连因为产物与树脂球珠相连,树脂本身性质限制了反应温度树脂本身性质限制了反应温度;因连接基团反应敏感性因连接基团反应敏感性,树脂与底物连接与解离都会增加合树脂与底物连接与解离都会增加合成路线设计难度成路线设计难度;最终产物与树脂解离时最终产物与树脂解离时,大量解离剂给产物大量解离剂给产物提纯带来麻烦等。提纯带来麻烦等。第23页液相合成反应液相合成反应 液相合成虽不如固相操作简单液相合成虽不如固相操作简单,但有成熟传统合但有成熟传统合成路线与工艺成路线与工艺,方法也得心应手方法也得心应手,应用广泛应用广泛;对步对步骤少小分子合成有优势骤少小分子合成有优势;液相合成混合物库液相合成混合物库,能能提升合成速度提升合成速度;没有树脂负载量影响没有树脂负载量影响,成本低成本低;反反应过程中能进行产物跟踪分析等。相对于固相应过程中能进行产物跟踪分析等。相对于固相来说来说,液相合成更适合于步骤少、结构多样性小液相合成更适合于步骤少、结构多样性小分子化合物库合成。分子化合物库合成。液相合成法现已成功合成了三氟甲基吡啶库、液相合成法现已成功合成了三氟甲基吡啶库、-氨基酸库、非肽基氨基酸库、非肽基,-,-二氟亚甲基磷酸库、二氟亚甲基磷酸库、苯并咪唑衍生物库、苯并咪唑衍生物库、1,5-1,5-二烷氧基二烷氧基-2,4-2,4-二硝基二硝基苯库、多环天然产物类似物等大量化合物库。苯库、多环天然产物类似物等大量化合物库。第24页混合混合-均分法均分法 若若n n个底物分别与树脂珠连个底物分别与树脂珠连接后接后,混合混合,等量分成等量分成m m份份,然后分别与然后分别与m m个单体中每一个单体中每一个进行反应个进行反应,所得产物再混所得产物再混合合,再把混合物分成再把混合物分成p p等份等份,分别与分别与m m个单体中每一个进个单体中每一个进行反应行反应,如此逐步继续如此逐步继续,直到反应结束直到反应结束,最终得到若最终得到若干化合物亚库。最终所得干化合物亚库。最终所得化合物总数为化合物总数为nmpnmp组组成化合物库。成化合物库。第25页第26页同时平行法同时平行法 在不一样反应器内分别合成一系列单个分在不一样反应器内分别合成一系列单个分子。此法既适于固相合成又适于液相合成。子。此法既适于固相合成又适于液相合成。通惯用微滴定板通惯用微滴定板(一块模制塑料一块模制塑料9696孔板孔板),),包含包含8 8排排1212列小穴列小穴,每个小穴装有要反应每个小穴装有要反应几毫升液体。几毫升液体。这种排与列布置就能确定库化合物结构这种排与列布置就能确定库化合物结构,即推知每一个孔中化合物结构即推知每一个孔中化合物结构,此法在库此法在库容量小时经常采取。容量小时经常采取。第27页假如一个底物假如一个底物S,S,与多个反应物与多个反应物R1R1、R2R2、R3R3、RnRn反应反应,产生一个含有产生一个含有n n个产物个产物SR1SR1、SR2SR2、SR3SR3、SRnSRn化合物化合物库；或者库；或者,若若m m个个A1A1、A2A2、A3A3、AmAm反应物分别与反应物分别与n n个个B1B1、B2B2、B3B3、BnBn反应物反应反应物反应,则得到则得到mnmn个产物单个产物单个分子。个分子。第28页第29页第30页第31页阵列合成阵列合成Array SynthesisArray SynthesisUse parallel synthesis in a matrix format(8 x 12 array)-20 reagents with 1 or 2 reactions gives 96 products第32页多针法多针法 聚乙烯针状小棒为固相载体，先在小棒一端接聚乙烯针状小棒为固相载体，先在小棒一端接上联肽结构，另一端则固定于板上，每块板可上联肽结构，另一端则固定于板上，每块板可固定几十支平行排列小棒，注意排列要规则，固定几十支平行排列小棒，注意排列要规则，两针间距离适宜反应时将此板小棒头浸于相两针间距离适宜反应时将此板小棒头浸于相对应滴度槽中进行缩合反应，整个过程采取对应滴度槽中进行缩合反应，整个过程采取 Merrifield Merrifield 标准合成方法完成，最终脱去保标准合成方法完成，最终脱去保护基，但不从载体上切下肽链，让肽段悬挂于护基，但不从载体上切下肽链，让肽段悬挂于树脂上可屡次重复进行活性研究。树脂上可屡次重复进行活性研究。第33页Resins attached to pins in an 8 x 12 array formatReagents or wash solvents in a 96 deep-well plateDrop it in to run reactions or wash resins第34页Equipment for Solution Phase Organic Synthesis第35页 MicroWave Organic Synthesis第36页小小分分子子芯芯片片第37页第38页合成示例合成示例1 1第39页第40页合成示例合成示例2 2第41页合成示例合成示例3 3第42页合合成成示示例例4 4第43页合合成成示示例例5 5第44页2 2，高通量分离分析技术，高通量分离分析技术自动化制备高质量和足够数量样品是进行化合物自动化制备高质量和足够数量样品是进行化合物高通量合成和生物活性高通量筛选前提。高通量合成和生物活性高通量筛选前提。主要包含快速色谱主要包含快速色谱 平行分离色谱平行分离色谱 序列分离色谱序列分离色谱和串联色谱技术等和串联色谱技术等 高通量分离技术是为了快速高通量分离技术是为了快速取得适合高通量活性筛选大量样品而发展起来自取得适合高通量活性筛选大量样品而发展起来自动化高效率分离技术动化高效率分离技术 利用梯度洗脱将复杂样品快速分离为一系列化合利用梯度洗脱将复杂样品快速分离为一系列化合物组物组,使复杂样品分离纯化速度得到很大提升使复杂样品分离纯化速度得到很大提升 这这些成份能够直接用于些成份能够直接用于HTS,HTS,而且指导深入分离纯化而且指导深入分离纯化 第45页Commercial 24&96-wellFilter Plates第46页Robotic TLC Plate Spotting第47页Example TLC PlateSome Pertinent PointsAnalyze an entire plate(96 compounds)at onceTrends are easy to spotNote similar impact of substituent changeNon linearity of detectionNo structural informationBDCA第48页QuadQuad平行快速制备色谱仪平行快速制备色谱仪 QuadQuad平行快速制备色谱有两种型号：平行快速制备色谱有两种型号：4 4通道通道Quad Quad UVUV和和1212通道通道Quad3Quad3TMTM型。型。Quad UVQuad UV和和Quad 3Quad 3TMTM使用使用QuadQuad组分搜集器，组分搜集器，Quad UVQuad UV含有可变波长含有可变波长UVUV检检测器同时检测四种样品紫外吸收。即能够同时做测器同时检测四种样品紫外吸收。即能够同时做4 4种不一样混合物纯化和搜集。种不一样混合物纯化和搜集。第49页CombiFlash OptiX 10CombiFlash OptiX 10高通高通量平行分离纯化系统量平行分离纯化系统 第50页Fast PSE-Fast PSE-高通量样品处理高通量样品处理Fast PSEFast PSE它采取多通道平行处它采取多通道平行处理设计模式，样品处理速度更理设计模式，样品处理速度更加快，充分表达了未来压力溶加快，充分表达了未来压力溶剂萃取技术发展方向。剂萃取技术发展方向。处理方式：一次处理六个样品；处理方式：一次处理六个样品；处理时间：处理时间：15min15min萃取六个样品；萃取六个样品；溶剂消耗：溶剂消耗：10g10g样品仅需样品仅需15mL15mL溶溶剂；最大操作压力：剂；最大操作压力：150Bar150Bar；萃取釜体积：萃取釜体积：11mL11mL、22mL22mL、33mL33mLFast PSEFast PSE采取平行处理模式，采取平行处理模式，萃取速度更加快，萃取速度更加快，8 8小时内可完小时内可完成对成对200200个样品处理。个样品处理。第51页LC-UV chromatograms of four preparative HPLC purifications,each yielding 40 natural product library fractions.Chromatograms A-D show channels 1-4 in one parallel preparativeHPLC run.第52页 LC-MS(TIC)chromatograms of eight natural product library fractions(S001208-17-24)obtained during a single parallel LC-MS run.第53页 Schematic representation of the 600-MHz NMR spectrometer equipped with the 5-L microcoil flow probe,syringe pump,and injection valve for low-microgram sample handling.第54页高分子树脂去除剂高分子树脂去除剂第55页第56页第57页第58页高分子材料组合合成高分子材料组合合成第59页第60页第61页印迹高分子组合合成印迹高分子组合合成第62页第63页金属配合物组合合成金属配合物组合合成第64页第65页3 3，高通量筛选技术，高通量筛选技术近年来，伴随分子生物学迅猛发展及功效基因组出现，含有近年来，伴随分子生物学迅猛发展及功效基因组出现，含有潜在治疗作用靶标越来越多，组合化学技术使化合物库快速潜在治疗作用靶标越来越多，组合化学技术使化合物库快速扩大，这些促进了高通量筛选扩大，这些促进了高通量筛选(HTS)(HTS)自动化、微量化快速发展。自动化、微量化快速发展。高通量筛选分析通常在高通量筛选分析通常在9696孔板上进行，采取自动化技术对流孔板上进行，采取自动化技术对流体进行分配并对微孔板进行处理，化合物、药品活性检测在体进行分配并对微孔板进行处理，化合物、药品活性检测在微孔板中进行，这种分析模式至今仍被广泛采取，但许多研微孔板中进行，这种分析模式至今仍被广泛采取，但许多研究机构已转向究机构已转向384384孔板或孔数更高、体积更小分析模式。孔板或孔数更高、体积更小分析模式。经典高通量筛选模式为每次筛选经典高通量筛选模式为每次筛选10001000个化合物，而超高通量个化合物，而超高通量筛选可天天筛选筛选可天天筛选1010万多个化合物万多个化合物 所以，为降低成本和降低所以，为降低成本和降低操作费用，高通量筛选须向自动化、分析微量化方向发展。操作费用，高通量筛选须向自动化、分析微量化方向发展。微量分析可使每次分析时所用化合物及化学试剂降低，这么微量分析可使每次分析时所用化合物及化学试剂降低，这么可增加高通量筛选容量。同时，使样品同时处理和各种检测可增加高通量筛选容量。同时，使样品同时处理和各种检测方式应用成为可能方式应用成为可能 第66页高通量筛选分析高通量筛选分析 主要包含均相分析和细胞分析主要包含均相分析和细胞分析,均相分析技术中应用较多均相分析技术中应用较多有亲合闪烁分析有亲合闪烁分析(SPA)(SPA)荧光分析荧光分析(FA)(FA)等技术。等技术。亲合闪烁分析亲合闪烁分析(SPA)(SPA)在许多酶抑制分析和受体结合分析中在许多酶抑制分析和受体结合分析中被广泛应用，荧光检测技术因其固有灵敏度，其在均相被广泛应用，荧光检测技术因其固有灵敏度，其在均相分析应用中也变得十分普遍。分析应用中也变得十分普遍。荧光分析技术主要包含荧光共振能量转移荧光分析技术主要包含荧光共振能量转移(ERT),(ERT),荧光偏荧光偏振振(FP),(FP),时间分辨荧光时间分辨荧光(TR)(TR)以及荧光相关谱以及荧光相关谱(FRS)(FRS)等；等；细胞分析主要建立在荧光检测技术基础上细胞分析主要建立在荧光检测技术基础上,包含第二信使包含第二信使分析，汇报基因分析，细胞增殖分析等技术。分析，汇报基因分析，细胞增殖分析等技术。第67页第68页第69页第70页第71页1 1，药品开发：据统计，现有药品分子靶标不超出，药品开发：据统计，现有药品分子靶标不超出500500个。个。人类基因组序列测定为药品开发提供了历史性机遇，它不人类基因组序列测定为药品开发提供了历史性机遇，它不但大大增加了潜在药品靶标数量，而且对制药工业开发创但大大增加了潜在药品靶标数量，而且对制药工业开发创新药能力产生了直接影响。新药能力产生了直接影响。2 2，生物分子探针：化学遗传学利用小分子化合物系统地，生物分子探针：化学遗传学利用小分子化合物系统地探测生命过程机制和蛋白质功效探测生命过程机制和蛋白质功效,为功效基因组学研究提为功效基因组学研究提供了有力工具。在整体水平上研究细胞内蛋白质组成及其供了有力工具。在整体水平上研究细胞内蛋白质组成及其活动规律活动规律,包含包含:蛋白质修饰加工蛋白质修饰加工 转运定位转运定位 结构改变结构改变 蛋白质与蛋白质相互作用蛋白质与蛋白质相互作用 蛋白质与其它生物分子相互作蛋白质与其它生物分子相互作用等。研究蛋白质在生物体内功效是一项重大课题用等。研究蛋白质在生物体内功效是一项重大课题 三、化学生物学能够做什么？三、化学生物学能够做什么？第72页第73页细胞凋亡细胞凋亡CaspaseCaspase抑制剂抑制剂 第74页白细胞介素白细胞介素2 2小分子抑制剂小分子抑制剂 第75页MDM2-p53MDM2-p53相互作用抑制剂相互作用抑制剂第76页第77页第78页蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用诱导剂蛋白质相互作用诱导剂第79页第80页第81页第82页细胞周期调整细胞周期调整第83页第84页第85页发觉发觉RNARNA开关开关第86页第87页第88页高高分分子子药药品品第89页第90页黑色素生成激活剂黑色素生成激活剂第91页金金属属配配合合物物探探针针第92页第93页第94页微微管管组组装装抑抑制制剂剂第95页酶催化底物筛选酶催化底物筛选第96页受受体体激激动动剂剂和和拮拮抗抗剂剂第97页