基本介紹
- 中文名：化學生物學專業
- 外文名：Chemical Biology
- 專業代碼：070303T
- 授予學位：理學學士
- 修學年限：四年
- 學科門類：理學
- 專業類：化學類
- 專業層次：本科
- 學科代碼：15060
主幹課程,培養目標,發展歷史,培養要求,知識技能,就業前景,開設學院,
主幹課程
無機化學、分析化學、有機化學、物理化學、結構化學、生物無機化學、生物有機化學、儀器分析、高分子化學、細胞生物學、生物化學、分子生物學、生物信息學導論、化學生物學、化學工程基礎及化工製圖等。化學基礎實驗、生物化學實驗、化學生物學綜合實驗。
培養目標
本專業主要培養具有堅實的化學與生物學基礎知識和較廣泛的化學生物學交叉領域的知識，具有熟練的化學與相關生物學實驗技能，創新意識強，綜合素質高，能在化學生物學、化學、生命、醫藥、材料、化工、環保等相關領域從事教學、科研、技術開發及管理工作的複合型套用人才。
發展歷史
化學生物學是自90年代中期以來的新興研究領域。哈佛大學的Schreiber博士和Scripps研究所的Schultz博士分別在東西海岸引殃漿估祝領這個領域，他們的所在地所形成的重心地位甚至在加強。從源頭來講，化學是主蘭斷整研究分子的科學訂院她，生物化學，分子生物學，還有生物學化學都是一樣的。但是由於科學家們長期以來Schreiber博士鍵影辣的習慣稱謂，我們通常使用生物化學指蛋白質結構和活性的研究，用分子生物學指基因表達和控制的研究，用生物學化學指分子水平上的生物現象的研究。
與這些相比，化學生物學使用小分子作為工具解決生物學的問題或通過干擾/調節正常過程了解蛋白質的功能。在某種意義上，使用小分子調節目標蛋白質與製藥公司發展新藥類似。但是，當所有公司的目標蛋白質僅是約450種的時候，人類基因組計畫為我們帶來了至少幾萬個目標蛋白質。最終的目標是尋找特異性調節素或尋找解開所有蛋白質之謎的鑰匙，但這需要更系統和整體的方法而並非傳統方法。化學生物學看起來是有希望的答案。系統的化學生物學僅僅誕生於90年代中期，部份是由於基礎條件到那時才剛剛完備。代表性的技術煉滲犁進步包括機器人工程，高通量及高靈敏度的生物篩選，信息生物學，數據採集工具，組合化學和晶片技術例如DNA晶片。化學生物學更普遍的被叫做化學遺傳學(Chemical Genetics)，而且它正在擴展到化學基因組學。和經典遺傳學相比較，小分子Schultz博士並不是取代或超越基因表達，而是被用於抑制或活化翻譯過程。
正向研究法
綜述
在正向法中，目標生物學現象第一次被定義，然後引起被尋找現象的分子選擇自許多被套用的分子。被選擇的分子能被附到某些蛋白質上而且抑制/活化它們，引發重要的修飾，然後與分子相連的蛋白質被檢查並研究。下面是使用正向法發現和發展肌基質蛋白的例子。
首先，為了獲得足量得化合物以引發要得到的現象，通過組合化學的合成方法製得嘌呤文庫。多種化合物可與放射性研究引起的不同變異相比較。有關文庫合成及套用在其它章節有詳述。
已經分化的神經原細胞和肌肉細胞很少被增殖。因此，一旦受傷，細胞長不好，恢復很難。這項研究的最初目的是為了找到一種化合物來引起改變肌肉細胞分化，達到再生目的。分化的肌肉組織構成交織的管狀結構。幾百才碑戰個嘌呤類化合物被在96孔圓片上植入潛伏肌肉組織中，找到了能夠分離相連線的組織的化合物。這種化合物自肌管(myotube）隔斷（severing）嘌呤（purine）命名為myoseverin（肌基質蛋白）。事實上，肌基質蛋白並不僅切斷肌管分離細胞，而且洗滌化合物並添加必需的養分以幫助增殖。更令人激動的是如果增殖的細胞開始分化，它們又造出肌管。換言之，如果這種化合物被注入組織，一部分肌肉細胞就可期望再度生長並增殖，因而產生新的肌肉組織。
雖然發現能夠誘導需要的現象的化合物是最重要的前步驟，對與化合物反應的目標蛋白質的細緻檢查然後理解其活性和角色才是真正的辛苦工作。如果需要的現象定義得好，是否存在活性化合物的研究結果可以在短時間內顯示。
在肌基質蛋白的例子中，當細胞結構迅速改變時，預計細胞結構的構建蛋白質受到進攻，可以使用帶有螢光標記的抗體觀察細胞圖像。然後是染色的肌球蛋白，它是體細胞的重要組成部分。綠色的是肌球蛋白，藍色的是核。
肌基質蛋白處理前後的差異是顯而易見的。在肌基質蛋白處理之前，細胞被統一連線，但是處理後，可以看到細胞相互分離。然而，是否肌球蛋白是目標蛋白質還不能確定。一些骨骼蛋白質是染色了的但是結果是相似的。可是，當使用微管蛋白使微管染色的時候，卻得到了有趣的數據。同樣，綠色是微管蛋白，藍色是核。
在被肌基質蛋白處理之前，與先前的照片類似，細胞與微管緊密相連，但是以肌基質蛋白處理過的細胞表現出破裂的微管。因此，一般猜測肌基質蛋白直接的或間接的攻擊微管蛋白或微管。微管是個管形結構，含轎詢有a，b微管蛋白組合，它參與了支持細胞結構和染色體運動。
微管蛋白有GTP連線位點，也是製造微管過程中GTP水解製得GDP的GTP酶。微管含有增長+末端和消除-末端。在細胞分裂中，染色體轉移需要良好控制的微管的形成和破壞。天然物質（vincaalkaloids，cholchicine），破壞微管或阻止微管蛋白的合成，干擾正常細胞的分裂。Ch正向法和逆向法olchicine是被用於無核西瓜的物質。從另一方面來說，紫杉酚（taxol）過度穩定微管並阻止其動力學變化，也因其停止正常細胞的分裂而被用於抗癌藥。為使微管正常工作，微管聯合蛋白(MAP）也非常重要。所以，還不清楚肌基質蛋白直接在微管蛋白還是其它MAP上發生功能。為了檢驗這一點，從Cytoskeleton中提取了純淨的微管蛋白，它在特種溶劑中製造微管。當微管被插入時，管形結構明顯消失。所以，這證實了肌基質蛋白直接在微管蛋白或微管上發生作用。
根據以前的經驗，已證明微管蛋白在體外被肌基質蛋白進攻，但是在體內怎么樣呢?為了尋找具有生物活性的分子與之成鍵的蛋白質，普通大小的固相樹脂被用於活性分子的親和力矩陣，然後蛋白質被釣出。肌基質蛋白上被加以連線分子，然後與固相樹脂相連做成釣索。然後浸入細胞質混合物一段時間，蛋白質與樹脂相連並被分析。然而，由於肌基質蛋白的活性和蛋白質合成現在被中止，這項工作不容易。這是化學生物學方法中眾所周知的問題。
在肌基質蛋白的例子中，如果不是使用連線分子與樹脂相連，叫做鏈霉抗生素蛋白（Streptavidin）的生物素與蛋白質強烈成鍵，一種強活性官能團的親核分子。這種方法的優點是引入了親和分子，簡單的將其插入活細胞內就可與目標蛋白質成鍵，而不是把細胞研碎而混合蛋白質。如果目標蛋白質與分子成鍵，化學活性基團將以共價鍵與蛋白質的親核部分結合，因而可以通過生物素使鏈霉抗生素蛋白體與目標蛋白質成鍵。已證明實驗後體內微管蛋白與親和分子成鍵。
綜上所述，由篩選系統發現的肌基質蛋白使得已分化的肌細胞再生成為可能，已證明微管蛋白引起了這種現象。與經典遺傳學相比，人們可以掌握出現的目標基因並甚至得到控制目標蛋白質活性的小分子開關。這種肌基質蛋白，在經過實驗後，可被用作新的藥物候選者。
逆向研究法綜述
在逆向法中，目標蛋白質受到化學物質進攻，首先被分類，然後可以通過觀察插入相關化學物時的結果作用來分析目標蛋白質的體外功能。這裡有一個這種方法的實例：purvalanol的發展和套用。
細胞分裂是多種完備功能的蛋白質的和諧演出。CDK(細胞周期蛋白依賴性激酶）是每步細胞細胞周期和CDK分裂中的控制開關蛋白質，其中，CDK2參與了G1到S而CDK參與了G2到M。一些尋找它們特定功能的研究非常活躍，正在進展。所以，在這項研究中我們決定尋找能夠抑制CDK1或CDK2功能的化合物。
以正向法製得的嘌呤文庫被用於在純淨的CDK1和CDK2上篩選酶抑制劑。之所以使用嘌呤是為了讓嘌呤類物質通過輔酶與ATP競爭結合位點。為了加速篩選過程，通過使用放射性標記的ATP和組蛋白在96圓片上使酶活化，然後測量磷酸基自用硝基纖維素濾紙過濾出的蛋白質轉移到組蛋白這過程中的所有的放射性。由olomocine起始，(IC507mM），幾步重複之後我們得到約1000倍活化的purvalanol系列化合物。這些化合物同等程度抑制CDK1和CDK2。這是因為兩種酶都是通過非常相似的路線建立起來的，它們的ATP結合位點也相似。
如果CDK1和2被抑制，將有什麼發生呢?由於眾所周知的事實，這些酶在有絲分裂的每一步都扮演了重要角色，研究的第一步就是觀察對易於觀測有絲分裂的青蛙卵提取物的作用。在這個實驗中，注入激素以誘發更多排卵，從卵中提取出必要的物質。當植入從青蛙精子提取的DNA時，卵細胞誤識其為受精，並模仿細胞分裂。通過控制中期（metaphase)Ca的數量可以中止細胞分裂。卵細胞對這個實驗非常有用，因為它們含有大量的蛋白質。為了使圖片清晰，核DNA染成藍色而微管蛋白染成紅色。在正常階段，DNA摺疊以形成染色體並排成一行。然後微管連到其上將其分到兩邊。但是，如果在這個階段加入purvalanol，DNA不會完全摺疊，微管就找不到它們的連線位點。這應該是進攻了G2到M的步驟。可以說，對CDK1的抑制強於CDK2。另外，如果肌基質蛋白同時被加入，DNA一點也不摺疊，而且微管結構完全消失。這可能是G2階段後緊隨的M階段的微管受到進攻。
為了查證哪一種蛋白質與purvalanol成鍵，使用了瓊脂樹脂親和力柱釣出未知的蛋白質。通體內微管蛋白常，在親和力柱中，由於柱中其它鹼性物質的存在，甚至一些沒有任何選擇性的蛋白質也與目標蛋白質一同獲得。為了分離這些不要的蛋白，使用了以purvalanol類無親和性物質做成的相對親和力柱。培養的卵提取物經柱子處理後過濾，親和力柱（Pur-97矩陣）在套用purvalanol前後（A）表現出非常相似的結果，但是相對親和力柱出現了正常有絲分裂的步驟（B）。結果說明親和力柱僅吸附重要的蛋白質，參與正常的有絲分裂，在過濾步驟中與卵提取物分離。因此，一個可行的測試是到重新注入認為已被去處的蛋白質，檢查正常有絲分裂是否再次發生。由於已發現purvalanol抑制CDK1或CDK2，當每個酶被用於（A）情況的時候，CDK不顯示任何變化，但是CDK1清楚顯示了紊亂有絲分裂步驟。這個結果明確解釋了CDK1是（A)狀態的不足因素。
另一方面，（A）和（B）柱吸附的蛋白質被過濾而且以陰離子洗滌劑十二烷基磺酸鈉(SDS）處理，然後通過聚丙烯醯胺凝膠電泳分離。兩柱都吸附的蛋白質被忽略，考慮到它們在柱子上隨機附著，或者通常與嘌呤結構成鍵，只有親合性柱吸附的蛋白質被證實是CDK1。
為了檢查肌基質蛋白和purvalanol在卵提取物以外的其它活細胞上的作用，也處理了U937，一種白血病細胞。藍色是染色的DNA，綠色是染色的微管。小盒子是一個正在分裂的細胞。在普通的中期親和性的肌基質蛋白分子，著絲點分裂到細胞兩邊，DNA摺疊中的微管在中間排列。微管與它們連線然後將它們牽引到細胞的兩端。肌基質蛋白在沒分裂的細胞上不產生作用，但是通過破壞微管為離散結構而影響分裂的細胞。同時，以purvalanol處理的細胞表現出未收縮的DNA和已經分裂為兩個但沒有到達指定位置的著絲點。這是在G2-M期中止的結果。另外，細胞變得比正常細胞大。這是因為儘管中止了細胞周期，細胞仍然進行蛋白質合成和新陳代謝。
培養要求
該專業主要學習化學與生物科學的基本理論、基本知識和實驗、套用技能，受到基礎研究和套用基礎研究方面的科學思維和科學實驗訓練，具備套用研究、技術開發和科技管理的基本技能。
知識技能
1.掌握數學、物理、計算機等方面的基本理論與知識；
3.了解相近專業如化工與製藥、環境科學專業的一般原理和知識；
4.了解國家關於科學技術、化學生物相關產業、智慧財產權等方面的政策、法規；
5.了解化學生物學的理論前沿、套用前景、最新發展動態，以及化學生物學相關產業發展狀態；
6.掌握化學生物學領域中外文資料查詢、文獻檢索以及運用計算機等現代技術獲取相關信息的基本能力；
7.具有一定的實驗設計及創造實驗條件，歸納、整理、分析實驗結果，撰寫論文；
8.掌握一門外國語，具備較強的讀、寫、聽、說（“四會”）能力，參與學術交流的能力。
就業前景
該專業的就業前景相當廣泛，學生畢業後適宜到科研部門、高等學校從事研究工作和教學工作；適宜到化學、藥學、醫療、生化製藥、生物工程、無機新材料、化工、輕工、能源等行業，以及廠礦企業、事業、技術和行政部門從事套用研究、科技開發和管理工作。
開設學院
已經分化的神經原細胞和肌肉細胞很少被增殖。因此，一旦受傷，細胞長不好，恢復很難。這項研究的最初目的是為了找到一種化合物來引起改變肌肉細胞分化，達到再生目的。分化的肌肉組織構成交織的管狀結構。幾百個嘌呤類化合物被在96孔圓片上植入潛伏肌肉組織中，找到了能夠分離相連線的組織的化合物。這種化合物自肌管(myotube）隔斷（severing）嘌呤（purine）命名為myoseverin（肌基質蛋白）。事實上，肌基質蛋白並不僅切斷肌管分離細胞，而且洗滌化合物並添加必需的養分以幫助增殖。更令人激動的是如果增殖的細胞開始分化，它們又造出肌管。換言之，如果這種化合物被注入組織，一部分肌肉細胞就可期望再度生長並增殖，因而產生新的肌肉組織。
雖然發現能夠誘導需要的現象的化合物是最重要的前步驟，對與化合物反應的目標蛋白質的細緻檢查然後理解其活性和角色才是真正的辛苦工作。如果需要的現象定義得好，是否存在活性化合物的研究結果可以在短時間內顯示。
在肌基質蛋白的例子中，當細胞結構迅速改變時，預計細胞結構的構建蛋白質受到進攻，可以使用帶有螢光標記的抗體觀察細胞圖像。然後是染色的肌球蛋白，它是體細胞的重要組成部分。綠色的是肌球蛋白，藍色的是核。
肌基質蛋白處理前後的差異是顯而易見的。在肌基質蛋白處理之前，細胞被統一連線，但是處理後，可以看到細胞相互分離。然而，是否肌球蛋白是目標蛋白質還不能確定。一些骨骼蛋白質是染色了的但是結果是相似的。可是，當使用微管蛋白使微管染色的時候，卻得到了有趣的數據。同樣，綠色是微管蛋白，藍色是核。
在被肌基質蛋白處理之前，與先前的照片類似，細胞與微管緊密相連，但是以肌基質蛋白處理過的細胞表現出破裂的微管。因此，一般猜測肌基質蛋白直接的或間接的攻擊微管蛋白或微管。微管是個管形結構，含有a，b微管蛋白組合，它參與了支持細胞結構和染色體運動。
微管蛋白有GTP連線位點，也是製造微管過程中GTP水解製得GDP的GTP酶。微管含有增長+末端和消除-末端。在細胞分裂中，染色體轉移需要良好控制的微管的形成和破壞。天然物質（vincaalkaloids，cholchicine），破壞微管或阻止微管蛋白的合成，干擾正常細胞的分裂。Ch正向法和逆向法olchicine是被用於無核西瓜的物質。從另一方面來說，紫杉酚（taxol）過度穩定微管並阻止其動力學變化，也因其停止正常細胞的分裂而被用於抗癌藥。為使微管正常工作，微管聯合蛋白(MAP）也非常重要。所以，還不清楚肌基質蛋白直接在微管蛋白還是其它MAP上發生功能。為了檢驗這一點，從Cytoskeleton中提取了純淨的微管蛋白，它在特種溶劑中製造微管。當微管被插入時，管形結構明顯消失。所以，這證實了肌基質蛋白直接在微管蛋白或微管上發生作用。
根據以前的經驗，已證明微管蛋白在體外被肌基質蛋白進攻，但是在體內怎么樣呢?為了尋找具有生物活性的分子與之成鍵的蛋白質，普通大小的固相樹脂被用於活性分子的親和力矩陣，然後蛋白質被釣出。肌基質蛋白上被加以連線分子，然後與固相樹脂相連做成釣索。然後浸入細胞質混合物一段時間，蛋白質與樹脂相連並被分析。然而，由於肌基質蛋白的活性和蛋白質合成現在被中止，這項工作不容易。這是化學生物學方法中眾所周知的問題。
在肌基質蛋白的例子中，如果不是使用連線分子與樹脂相連，叫做鏈霉抗生素蛋白（Streptavidin）的生物素與蛋白質強烈成鍵，一種強活性官能團的親核分子。這種方法的優點是引入了親和分子，簡單的將其插入活細胞內就可與目標蛋白質成鍵，而不是把細胞研碎而混合蛋白質。如果目標蛋白質與分子成鍵，化學活性基團將以共價鍵與蛋白質的親核部分結合，因而可以通過生物素使鏈霉抗生素蛋白體與目標蛋白質成鍵。已證明實驗後體內微管蛋白與親和分子成鍵。
綜上所述，由篩選系統發現的肌基質蛋白使得已分化的肌細胞再生成為可能，已證明微管蛋白引起了這種現象。與經典遺傳學相比，人們可以掌握出現的目標基因並甚至得到控制目標蛋白質活性的小分子開關。這種肌基質蛋白，在經過實驗後，可被用作新的藥物候選者。
逆向研究法綜述
在逆向法中，目標蛋白質受到化學物質進攻，首先被分類，然後可以通過觀察插入相關化學物時的結果作用來分析目標蛋白質的體外功能。這裡有一個這種方法的實例：purvalanol的發展和套用。
細胞分裂是多種完備功能的蛋白質的和諧演出。CDK(細胞周期蛋白依賴性激酶）是每步細胞細胞周期和CDK分裂中的控制開關蛋白質，其中，CDK2參與了G1到S而CDK參與了G2到M。一些尋找它們特定功能的研究非常活躍，正在進展。所以，在這項研究中我們決定尋找能夠抑制CDK1或CDK2功能的化合物。
以正向法製得的嘌呤文庫被用於在純淨的CDK1和CDK2上篩選酶抑制劑。之所以使用嘌呤是為了讓嘌呤類物質通過輔酶與ATP競爭結合位點。為了加速篩選過程，通過使用放射性標記的ATP和組蛋白在96圓片上使酶活化，然後測量磷酸基自用硝基纖維素濾紙過濾出的蛋白質轉移到組蛋白這過程中的所有的放射性。由olomocine起始，(IC507mM），幾步重複之後我們得到約1000倍活化的purvalanol系列化合物。這些化合物同等程度抑制CDK1和CDK2。這是因為兩種酶都是通過非常相似的路線建立起來的，它們的ATP結合位點也相似。
如果CDK1和2被抑制，將有什麼發生呢?由於眾所周知的事實，這些酶在有絲分裂的每一步都扮演了重要角色，研究的第一步就是觀察對易於觀測有絲分裂的青蛙卵提取物的作用。在這個實驗中，注入激素以誘發更多排卵，從卵中提取出必要的物質。當植入從青蛙精子提取的DNA時，卵細胞誤識其為受精，並模仿細胞分裂。通過控制中期（metaphase)Ca的數量可以中止細胞分裂。卵細胞對這個實驗非常有用，因為它們含有大量的蛋白質。為了使圖片清晰，核DNA染成藍色而微管蛋白染成紅色。在正常階段，DNA摺疊以形成染色體並排成一行。然後微管連到其上將其分到兩邊。但是，如果在這個階段加入purvalanol，DNA不會完全摺疊，微管就找不到它們的連線位點。這應該是進攻了G2到M的步驟。可以說，對CDK1的抑制強於CDK2。另外，如果肌基質蛋白同時被加入，DNA一點也不摺疊，而且微管結構完全消失。這可能是G2階段後緊隨的M階段的微管受到進攻。
為了查證哪一種蛋白質與purvalanol成鍵，使用了瓊脂樹脂親和力柱釣出未知的蛋白質。通體內微管蛋白常，在親和力柱中，由於柱中其它鹼性物質的存在，甚至一些沒有任何選擇性的蛋白質也與目標蛋白質一同獲得。為了分離這些不要的蛋白，使用了以purvalanol類無親和性物質做成的相對親和力柱。培養的卵提取物經柱子處理後過濾，親和力柱（Pur-97矩陣）在套用purvalanol前後（A）表現出非常相似的結果，但是相對親和力柱出現了正常有絲分裂的步驟（B）。結果說明親和力柱僅吸附重要的蛋白質，參與正常的有絲分裂，在過濾步驟中與卵提取物分離。因此，一個可行的測試是到重新注入認為已被去處的蛋白質，檢查正常有絲分裂是否再次發生。由於已發現purvalanol抑制CDK1或CDK2，當每個酶被用於（A）情況的時候，CDK不顯示任何變化，但是CDK1清楚顯示了紊亂有絲分裂步驟。這個結果明確解釋了CDK1是（A)狀態的不足因素。
另一方面，（A）和（B）柱吸附的蛋白質被過濾而且以陰離子洗滌劑十二烷基磺酸鈉(SDS）處理，然後通過聚丙烯醯胺凝膠電泳分離。兩柱都吸附的蛋白質被忽略，考慮到它們在柱子上隨機附著，或者通常與嘌呤結構成鍵，只有親合性柱吸附的蛋白質被證實是CDK1。
為了檢查肌基質蛋白和purvalanol在卵提取物以外的其它活細胞上的作用，也處理了U937，一種白血病細胞。藍色是染色的DNA，綠色是染色的微管。小盒子是一個正在分裂的細胞。在普通的中期親和性的肌基質蛋白分子，著絲點分裂到細胞兩邊，DNA摺疊中的微管在中間排列。微管與它們連線然後將它們牽引到細胞的兩端。肌基質蛋白在沒分裂的細胞上不產生作用，但是通過破壞微管為離散結構而影響分裂的細胞。同時，以purvalanol處理的細胞表現出未收縮的DNA和已經分裂為兩個但沒有到達指定位置的著絲點。這是在G2-M期中止的結果。另外，細胞變得比正常細胞大。這是因為儘管中止了細胞周期，細胞仍然進行蛋白質合成和新陳代謝。
培養要求
該專業主要學習化學與生物科學的基本理論、基本知識和實驗、套用技能，受到基礎研究和套用基礎研究方面的科學思維和科學實驗訓練，具備套用研究、技術開發和科技管理的基本技能。
知識技能
1.掌握數學、物理、計算機等方面的基本理論與知識；
3.了解相近專業如化工與製藥、環境科學專業的一般原理和知識；
4.了解國家關於科學技術、化學生物相關產業、智慧財產權等方面的政策、法規；
5.了解化學生物學的理論前沿、套用前景、最新發展動態，以及化學生物學相關產業發展狀態；
6.掌握化學生物學領域中外文資料查詢、文獻檢索以及運用計算機等現代技術獲取相關信息的基本能力；
7.具有一定的實驗設計及創造實驗條件，歸納、整理、分析實驗結果，撰寫論文；
8.掌握一門外國語，具備較強的讀、寫、聽、說（“四會”）能力，參與學術交流的能力。
就業前景
該專業的就業前景相當廣泛，學生畢業後適宜到科研部門、高等學校從事研究工作和教學工作；適宜到化學、藥學、醫療、生化製藥、生物工程、無機新材料、化工、輕工、能源等行業，以及廠礦企業、事業、技術和行政部門從事套用研究、科技開發和管理工作。
