中长期科学与技术发展战略规划研究.ppt

国家中长期科学与技术发展战略规划研究 基础科学问题专题组 提出的重大专项计划之一蛋白质研究计划 2006 2020 重大科学研究计划 根据世界科学发展趋势和我国重大战略需求 选择能引领未来发展 对科学和技术发展有很强带动作用 可促进我国持续创新能力迅速提高 同时具有优秀创新团队的研究方向 重点部署四项重大科学研究计划 这些方向的突破 可显著提升我国的国际竞争力 大力促进可持续发展 实现重点跨越 1 蛋白质研究 蛋白质是最主要的生命活动载体和功能执行者 对蛋白质复杂多样的结构功能 相互作用和动态变化的深入研究 将在分子 细胞和生物体等多个层次上全面揭示生命现象的本质 是后基因组时代的主要任务 同时 蛋白质科学研究成果将催生一系列新的生物技术 带动医药 农业和绿色产业的发展 引领未来生物经济 因此 蛋白质科学是目前发达国家激烈争夺的生命科学制高点 重点研究重要生物体系的转录组学 蛋白质组学 代谢组学 结构生物学 蛋白质生物学功能及其相互作用 蛋白质相关的计算生物学与系统生物学 蛋白质研究的方法学 相关应用基础研究等 2 量子调控研究 以微电子为基础的信息技术将达到物理极限 对信息科技发展提出了严峻的挑战 人类必须寻求新出路 而以量子效应为基础的新的信息手段初露端倪 并正在成为发达国家激烈竞争的焦点 量子调控就是探索新的量子现象 发展量子信息学 关联电子学 量子通信 受限小量子体系及人工带隙系统 构建未来信息技术理论基础 具有明显的前瞻性 有可能在20 30年后对人类社会经济发展产生难以估量的影响 重点研究量子通信的载体和调控原理及方法 量子计算 电荷 自旋 相位 轨道等关联规律以及新的量子调控方法 受限小量子体系的新量子效应 人工带隙材料的宏观量子效应 量子调控表征和测量的新原理和新技术基础等 3 纳米研究 物质在纳米尺度下表现出的奇异现象和规律将改变相关理论的现有框架 使人们对物质世界的认识进入到崭新的阶段 孕育着新的技术革命 给材料 信息 绿色制造 生物和医学等领域带来极大的发展空间 纳米科技已成为许多国家提升核心竞争力的战略选择 也是我国有望实现跨越式发展的领域之一 重点研究纳米材料的可控制备 自组装和功能化 纳米材料的结构 优异特性及其调控机制 纳加工与集成原理 概念性和原理性纳器件 纳电子学 纳米生物学和纳米医学 分子聚集体和生物分子的光 电 磁学性质及信息传递 单分子行为与操纵 分子机器的设计组装与调控 纳米尺度表征与度量学 纳米材料和纳米技术在能源 环境 信息 医药等领域的应用 4 发育与生殖研究 动物克隆 干细胞等一系列举世瞩目的成就为生命科学与医学的未来发展带来了重大的机遇 然而这些成果大多还不能直接造福于人类 主要原因是对生殖与发育过程及其机理缺乏系统深入的认识 我国人口增长量大 出生缺陷多 移植器官严重短缺 老龄化高峰即将到来 迫切需要生殖与发育科学理论的突破和技术创新 重点研究干细胞增殖 分化和调控 生殖细胞发生 成熟与受精 胚胎发育的调控机制 体细胞去分化和动物克隆机理 人体生殖功能的衰退与退行性病变的机制 辅助生殖与干细胞技术的安全和伦理等 蛋白质研究计划 摘要 蛋白质是一切生命活动的功能执行者 是生物技术研发的主体 人类基因组计划 的完成宣告生命科学与技术的研究进入了 后基因组时代 自此 蛋白质研究成为科学界关注的核心之一 在国际学术界提出 人类蛋白质组计划 后 及时实施我国蛋白质研究计划 符合提高我国科技竞争实力的需要 符合解决国家重大战略问题的需要 符合推动现代生物技术产业发展的需要和促进科学技术自身发展的需要 蛋白质研究计划将围绕 蛋白质的生物学功能 蛋白质功能的结构基础 蛋白质的相互作用网络 细胞中蛋白种类的时空差异 体内外蛋白质的单分子行为等重大科学问题 重点研究的内容 1 选择具有重要功能或病理意义的人类组织或器官 重要经济生物为研究对象 开展蛋白质组及其调控规律的研究 2 选择具有重要功能的蛋白质分子 蛋白质分子间或蛋白质与非蛋白质分子间的复合体 代谢 信号转导通路等进行规模化的结构 功能 功能网络和动态结构的研究 该计划的实施必将促进多学科 如生命科学 技术科学 信息科学 数理科学 分析科学 材料科学等 的广泛交叉与融合 必将推动我国跨学科 跨行业 跨部门 跨地域的大科学协作 必将实现我国蛋白质科学与技术领域的跨越式发展 从而带动生命科学与生物技术的快速突破 为医药 农业 工业 资源环境与能源 国防等行业 产业改造和换代提供强大的科技原动力和战略性支撑 人类基因组计划 与 曼哈顿原子弹研制计划 阿波罗登月计划 一道被誉为二十世纪三大科技工程 其完成宣告人类从此进入 后基因组时代 自此 蛋白质研究成为科学界关注的核心 正如恩格斯所言 生命是蛋白体的存在形式 蛋白质是一切生命活动的功能执行体 是生物技术研发的主体 蛋白质由于其结构 功能的多样性和广泛的相互作用 演绎出生命的复杂性与生物界的多样性 围绕着蛋白质研究 学术界提出了又一个大科学工程 人类蛋白质组计划 在此国际大背景下 我们拟提出我国的 蛋白质研究计划 该计划的整体思路是 瞄准我国经济社会发展的战略需求 针对蛋白质这一类生命活动的关键物质开展理论和应用研究 一 实施该计划的重大意义和必要性 1 带动我国基础科学学科发展的需要自上世纪中旬以来 以揭示生命奥秘为目标的生命科学已经日益成为了基础科学各学科中最为活跃的 或领头 学科之一 与经典生物学不同的是 当代生命科学已变得日益定量化和精确化 生命科学一方面在数 理 化等学科的推动下得到了迅猛发展 它同时也为这些基础学科提出了大量新的命题 从而为后者的进一步发展提供着动力和素材 其实施不仅会大大提升我国生命科学在世界科学界的地位 同时也必将战略性地带动我国数 理 化等学科的发展 进而提升我国总体的基础科学创新能力 2 提高我国科技竞争实力的需要 蛋白质科学与技术已逐步成为本世纪生命科学领域中争夺最激烈的前沿阵地 以发达国家为主导已经提出了 人类蛋白质组计划 并纷纷投入巨资和人力 为的是要抢占这一重要而又有限的生物战略资源 抢占发展的先机 许多跨国公司和企业也大量投资此领域 以抢占商机 在我国 重点组织蛋白质研究就是要打破发达国家垄断国际重大战略研究计划的局面 继续在这一领域开创和扩大中国领衔重大国际合作项目的范围 主动把握生物经济时代发展的主脉 大幅度提高我国生命科学与技术领域及其相关产业的原始创新能力和国际竞争力 3 解决国家重大战略问题的需要 我国存在着若干严重影响我国可持续发展的重大战略问题 人口与健康问题 农业问题 能源和环境问题 生物安全问题等对我国社会和经济所形成的压力的缓解和消除 无不与生命科学与技术的发展密切相关 蛋白质处于生命活动的中心 是所有生命活动的载体和功能执行者 上述重大战略问题的产生或解决 只要与生物体 生命活动和生物功能有关 必然直接或间接地与蛋白质有关 4 推动现代生物技术产业发展的需要 蛋白质科学与技术涉及众多的生物技术产业 蛋白质的研究必然催生更多的高新技术产业 对经济发展必将发挥巨大的推动作用 通过人或动物功能蛋白质的研究 将会促进基于蛋白质的原创性新药的研究与开发 加快制药产业的发展 人体健康与否 与存在于其体内的几万种蛋白息息相关 很多人类疾病 包括遗传病 癌症等 的出现其实都可归因于体内蛋白质作用异常的结果 因此对蛋白质的研究必然大大促进医学和医学生物技术的发展 通过植物功能蛋白质的研究 将揭示农作物重要农艺性状的调控机理 鉴定和利用相应的基因 加快农作物的遗传改良 另外 蛋白质为主体的生物技术在化工 能源 环境等方面都有重大的应用前景和潜力 总之 对蛋白质研究计划的实施 不仅会促进人类对生命本质的认识 它同时也将有助于我们人类解决所面临的众多生存问题 二 蛋白质研究计划的主要方面 就蛋白质而言 科学家最为关注的是它们在所有生命有机体内所发挥的形形色色的生物学功能 从成千上万种生物化学反应的催化到生物对各种有害环境的抵御 从形成生物个体形态的机械支持到生命有机体所产生的各种微观和宏观的机械运动 从将太阳能转换为化学能的光合作用到遗传信息的复制 表达和修复等 尽管科学家已经对大量蛋白开展过不同程度的研究 但从基因组DNA测序所获得的信息来看 科学家对生物体内还有大约一半的蛋白质分子还从未有过任何了解 在 后基因组时代 我们必须回答他们在生物体内发挥何种功能 1 蛋白质的生物学功能 对于生命科学家而言 可能最为关心的是每一种蛋白质在生物有机体内究竟完成什么样的生物学功能 基因组DNA测序的主要结果是揭示了每一种模式生物的遗传信息所编码的总蛋白的大概数目和每一种蛋白质的可能氨基酸序列 根据对不同生物的基因组测序所预测出的编码蛋白质分子中 我们对其中大约一半的蛋白质分子还未曾有过任何接触 在 后基因组时代 我们测定它们的结构并认识它们的生物学功能 对蛋白质结构的了解终究是服务于对其功能的认识 在认识某一正常 如细胞的分裂 分化 个体的发育 思维和记忆的分子基础等 或异常 像细胞的癌变等机体病变 的生命现象时 我们都首先需要了解的是参与有关过程的蛋白质分子种类和它们各自所发挥的生物学功能 而要认识某种蛋白质在生命有机体内的功能还仍旧缺乏普遍适用的方法 因此与测定蛋白质的静态三维结构相比 认识蛋白质功能的工作更为艰巨和更富挑战性 也使得认识蛋白质的生物学功能成为未来一个从理论到方法都极需创新的领域 2 蛋白质发挥功能的结构基础 尽管对蛋白质结构的研究在上个世纪的中期就已经开始了 但其工作还远未结束 目前的物理学手段 比较重要是X 射线晶体衍射方法 在测定蛋白质静态三维空间结构方面已经相当有效 但对于很多无法形成晶体的蛋白质而言 目前还没有有效的物理方法能够用于测定它们的空间结构 但通过核磁共振和电子显微学方法测定这类蛋白质结构的方法学正在发展之中 而且 对于蛋白质发挥生物学功能而言 更为重要的是在原子和分子水平测定其发挥作用过程中其非共价结构的快速动态变化 在后一方面的研究理论和研究手段方面都几乎还是空白 迫切需要物理学家 化学家和数学家等的参与 3 蛋白质分子之间以及蛋白质分子与其它生物分子之间的相互作用 生物体的基本结构单位是细胞 近年的研究使得人们日益认识到 在细胞内成千上万种蛋白质分子之间并不是孤立地发挥其生物学功能的 它们需要在特异相互识别基础上进行可逆的 弱 相互作用 而形成不同的蛋白质 机器 进而完成不同的生物学功能 同时 蛋白质生物学功能的发挥也依赖于蛋白分子与非蛋白质分子 如核酸 糖 脂类和各种小分子 之间特异的 可逆的 动态的和可调节的相互作用而实现 理解和分析这些强度不一的特异 弱 相互作用 这种相互作用所形成的网络以及通过这种相互作用所实现的信息的传递和功能的协调是认识很多生命过程的基础 认识蛋白质分子之间这种 弱 相互作用的本质和规律自然离不开物理学家 化学家 数学家等提供思考的理论和探索的方法 4 细胞中蛋白种类的时间和空间差异 像动物和植物这样的多细胞生物发育过程的关键是细胞的分化 即从一个细胞分裂形成的后代细胞不断出现差异的过程 即从一个单一的受精卵细胞开始 通过不断的细胞的分裂和分化而形成不同的组织和器官 与早期推测完全不同的是 分子生物学的研究成果表明 在组成这样的多细胞生物体的每一类细胞中的基因组的组成 即细胞核中的DNA分子序列 是完全相同的 细胞类型的差异在于由基因组编码的蛋白质在特定细胞中被表达的种类各不相同 蛋白质的修饰和蛋白质的相互作用的网络也不相同 细胞的分化过程被认为是这种存在于不同细胞中的蛋白的差异所致 近年发展起来的蛋白质组学方法 旨在分析存在于特定细胞或组织中的全部 几千甚至几万种 的蛋白质种类以及同一细胞处于不同环境条件下的蛋白的差异 但因为很多蛋白质在细胞内的存在量极微或存在的时间极短 目前还难以有真正有效地去捕捉这些蛋白质分子 同时 如何利用这样得到的不同细胞的蛋白种类差异谱去认识蛋白质的生物学功能也还需要从理论和方法学上进行突破 而这个方面的研究也同样离不开数 理 化等学科科学家的参与 5 蛋白质的单分子行为 传统的对蛋白质分子行为的研究都是基于对单种蛋白质分子的统计行为的观察 人们期望能够对单个蛋白质分子 包括由多个蛋白质分子相互作用形成的复合体 在发挥生物学功能时的动态结构进行全程观察 比如 一个酶蛋白分子是如何完成一个完整催化过程的 一个 马达蛋白 分子是如何将储存于ATP 生物体内的能量货币 中的化学能高效地转化为机械能的 近年来 一些物理学家出身的生命科学家已经开始了这样的所谓蛋白质的单分子研究 建立这种单分子研究系统的挑战主要在于方法的灵敏性 单个蛋白分子能够发出的检测信号是极其微弱的 和快速性 完成某一过程的时间可以在皮秒范围甚至更快 同样地 这样的极富挑战性的研究获得成功的关键在于学科的高度交叉 从不同层次 单分子 蛋白质复合物 体外 细胞水平和整体水平 研究蛋白质的结构 功能和作用机制出发 蛋白质研究必须必然经历一个从体外到体内的过程 研究蛋白质在体内 即细胞和整体水平 的行为尽管还很难进行 但这是未来蛋白质研究的必经之路 蛋白质结构的高度有组织性 结构和功能的高度多样化 结构和功能的高度对应性 以及完成功能时的快速性和可调节性等特性 使得我们可以将蛋白质分子看作是一个高度复杂的 系统 同时其大小也使其成为纳米科学研究的理想对象之一 作为生命活动的执行者 蛋白质中也许蕴涵着还未曾被人类发现的新的物质运动规律 通过非共价相互作用而形成的灵活可变的蛋白质相互作用网络蕴涵着许多生命的奥秘 所以在惊叹通过蛋白质而实现的高度灵活的生命过程的同时 我们迫切需要物理学家 化学家和数学家对这样的复杂系统开展研究 在发现新的物质运动规律的同时 能够用物理的 化学的和数学的语言和手段来精确描述和研究生命现象 最终实现对生命过程这样一个非线性过程的定性和定量的描述 6 发展新的蛋白质研究方法论和新的技术 研究蛋白质的理论需要创新 但理论创新离不开新的更为精密和高效的技术手段的出现 技术在推动科学发展的过程经常起着举足轻重的作用 尤其当研究进入微观层次之后 从上面的描述中 我们已经看到 研究蛋白质还存在很多方法手段上的障碍 用何种方法我们才能真正完全打开蛋白质这个 神秘王国 的大门呢 这将是对21世纪科学家们的一个重大挑战 蛋白质研究新方法的建立可能更多的需要依赖于非生物学家们的努力 7 蛋白质的应用基础 蛋白质生物功能的多样性决定了它在未来生物技术发展中的主角地位 只有当我们对生命有机体中那成千上万种蛋白质的结构和功能有了充分了解之后 生物技术的无穷威力才可能得以真正发挥 生物技术才会成为一个成熟的产业 除了在医疗和农业上的直接的应用之外 对发挥不同生物学功能的蛋白质机器的深入了解将改变我们的工业模式 近期应用前景 蛋白质除了可以直接作为临床药物之外 如胰岛素 生长激素 干扰素 白细胞介素等等 也是很多小分子药物和中药的作用靶点 比如阿斯匹林就是通过抑制一种催化前列腺素合成的关键酶蛋白而发挥其效应的 很多抗菌素是通过抑制细菌细胞的蛋白质合成过程而发挥作用的等 因此对不同生物体内蛋白质结构和功能的深入研究将会大大改变新药研发的方式和效率 远期应用前景 催化生物有机体内各种各样化学转化过程的是被称为酶的一大类蛋白质 对这些蛋白的功能和作用机制的深入研究 将会大大促进它们在化学工业和环境保护中的应用 对蛋白质结构和功能的深入研究不仅会大大促进我们对天然存在的蛋白质在人类生活的各个方面的应用 同时我们还可以设计出具有新的活性的人工蛋白质来完成我们所期望的工作 对蛋白质的深入研究毫无疑问将会大大扩展人类对蛋白质的直接和间接应用的范围 三 实施蛋白质研究计划的可行性 在我国实施该计划 除了具有重大意义和必要性外 也具有广泛和牢靠的基础 1 已得到科学界的共识和支持蛋白质的研究是人类认识生命现象的关键之一 当今 全面深刻认识蛋白质又绝非传统生物学所能 它注定需要多学科的交叉 并正在引起越来越多的物理学 化学 数学 计算机科学等科学家的兴趣和关注 有一些有影响的科学家已涉足其中 并取得成绩 2 已有较好的研究积累 条件和进展 蛋白质的研究在我国是有传统的 并取得过世界领先的研究成果 如人工全化学合成牛胰岛素及其三维晶体结果测定 近年来 在多个国家计划的支持下 已建立了一些蛋白质研究的高水平技术平台和基地 在国际一流的学术刊物上发表了有国际影响的研究成果 为今后的研究打下了坚实的基础 3 已形成一支必要的研究队伍 通过几十年的努力 特别是近二十年来 已经形成一支由数十位院士领衔 上百位中青年学术带头人承担 以生物学家 物理学家 化学家和数学家为主的蛋白质科学研究的交叉人才队伍 这些国际国内的条件为我们在中国成功实施 蛋白质