生物檢測的一個“小目標”實現了

 

如何快速、準確開展各類遺傳性疾病、傳染病、腫瘤和神經退行性疾病等重要疾病的早期檢測，是千萬百姓心中的愿望。

 

如今，一項2016年度國家自然科學二等獎的成果，向破解生物檢測領域的這一“難題”前進了一小步。

 

來自中科院上海應用物理研究所研究員樊春海團隊的“生物分子界面作用過程的機制、調控及生物分析應用研究”，以生物傳感“界面”為核心，針對生物分子在傳感界面上的吸附、組裝和識別過程這一關鍵科學問題開展工作。經過10多年時間的系統研究，不僅提出并發展了一種基于生物分子構象變化的“動態”生物傳感檢測新策略，通過構建一系列基于界面調控的生物傳感器，實現了若干與重大疾病相關的生物分子的高靈敏、高選擇性生物分析檢測；而且針對健康、環境和生物安全等領域面臨的重要挑戰，發展了若干早期生物檢測技術，對于環境和傳染性疾病的監控等方面具有重要意義。

 

在樊春海看來，這項研究屬于“生物分析化學”與“界面物理化學”交叉的基礎研究。“兩相交界的表界面是物質、能量交換和信號轉化的場所。”他表示，“交叉”這個詞貫穿于自己整個科學研究歷程。

 

被“生物傳感”吸引

 

生物傳感器在醫學診斷、食品營養、環境監測、國防工業及人類衛生保健等諸多領域均有著重要的應用潛力。很多國家把生物傳感研究作為生物技術產業化的關鍵技術，投入了相當大的人力、物力。因此，在很大程度上，生物傳感研究已經成為一個前沿研究領域。然而，如何在激烈的國際競爭中能夠脫穎而出呢？

 

樊春海回憶，他在2000年時偶然閱讀到國際權威雜志Advanced Materials關于艾倫?黑格（Alan Heeger）教授的一個專題報道。黑格在2000年因為導電高分子材料方面的開創性貢獻而獲得諾貝爾獎。該報道說，黑格在獲獎后希望做一些以往不敢做的事，比如生物學，特別生物傳感是最重要的一件事情。這使樊春海受到極大的鼓舞，鼓足勇氣向黑格教授申請博士后并獲得認可。

 

2001年8月，樊春海到加州大學圣巴巴拉分校（UCSB）高分子與有機固體研究所在黑格教授指導下開展新型生物傳感器的研究工作。

 

在黑格實驗室的博士后研究，使樊春海從一個初出茅廬的年輕研究者一下進入到了學科的前沿。“黑格教授給我留下的最深印象是看問題的眼光非常開闊，而且他非常推崇學科交叉。”樊春海說。在黑格的指導下，樊春海陸續取得了一些研究進展，相關研究工作在《美國科學院院報》（PNAS）和《美國化學會志》（JACS）等權威雜志上發表。其中，他們發展出了一種新型的E-DNA電化學DNA生物傳感器，論文在PNAS發表后，立刻得到了國際同行的關注和好評。例如，著名的《生物技術趨勢》雜志即邀請兩位權威專家連續發表兩篇評論論文進行點評。相關專利還被授權給了三個生物傳感器研發公司。

 

引入納米技術

 

2003年發生的一件事情讓樊春海對納米研究產生了濃厚的興趣。UCSB聯合美國幾所著名大學成立了加州納米系統研究院，推進納米科學的研究，他也成為這個研究院最早的一批博士后之一。

 

“納米科學顧名思義是在納米尺度上開展研究，這是一個典型的綜合交叉研究領域。”樊春海介紹，中科院上海應用物理研究所在用納米技術開展生物學研究方面非常有特色，在國際上有一定影響力。因此，樊春海在該所納米生物學科帶頭人胡鈞研究員的邀請下，作為中科院“百人計劃”于2004年加入上海應用物理研究所。同時，在時任所長徐洪杰和副所長朱志遠的支持下，樊春海很快就在所內建立了生物傳感與分子機器課題組，將納米思維引入到生物檢測中，希望通過納米技術來提升生物檢測的性能。

 

DNA納米技術是利用DNA分子自組裝和識別能力，將其作為一種納米材料實現精確的納米構筑。研究中，樊春海團隊通過對界面的功能設計與調控，顯著提高了生物傳感過程中的生物分子識別能力。他們還系統研究了生物分子在宏觀及納米尺度上與無機材料界面的相互作用，深化了對傳感界面上生物分子吸附、組裝和識別等過程中物理化學機理的理解;通過界面共組裝精確調控了蛋白質、DNA等生物分子及細胞在宏觀和納米界面上的吸附和可控耦聯，從而顯著提高了生物傳感過程中生物分子的識別效率，并建立了生物傳感識別與生物檢測性能之間的關聯。

 

“我們希望在納米的世界，通過一些先進的物理手段，實現如DNA等生物分子按我們的意愿堆積、編織起來，構成納米的器件。”樊春海表示，“這個將來可能會引領新的納米技術。”

 

更廣泛的交叉研究

 

樊春海還告訴記者，他的團隊不僅有機會接觸到同步輻射這樣先進的表征手段，更有機會組建融合物理、化學和生物于一體的多學科的研究團隊。據悉，上海應用物理研究所多個課題組聯合組建了物理生物學研究室，并建設了先進、完備的實驗平臺。團隊成員李迪研究員表示：這種獨特的研究氛圍不僅使生物傳感研究能夠快速推進，而且能夠拓寬更多前沿的研究方向。

 

而這一切，讓樊春海在生物傳感方面的研究越走越遠，并帶領研究團隊取得一系列突破性的研究成果。上海應用物理研究所所長趙振堂說，樊春海團隊近年來更是將體外檢測的生物傳感探針應用到細胞里面，大力發展細胞成像的新技術，并依托上海光源成立了生物成像中心。樊春海表示，“這使我們在多年的學科交叉之后，能夠有機會回饋生命科學，為生物學研究提供新的研究手段。”