水库大坝安全评价技术现状与发展

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水库大坝安全评价技术现状与发展水库大坝安全评价技术现状与发展最新文档(可以直接使用，可编辑最新文档，欢迎下载）袁坤傅蜀燕欧正峰王之博摘要:随着水资源开发与利用的发展，以及极端气候的变化，大坝安全性问题日益突显，大坝安全性评价技术就显得尤为重要。主要从国内外水库大坝安全监测和风险分析的研究现状，分析水库大坝安全评价存在的问题，及对未来水库大坝安全评价发展指定方向。关键词:大坝;安全评价;安全监测;风险分析中图分类号:TV64文献标识码:A文章编号:1001-9235(2021)06-0063-05中国水库大多建于20世纪50—70年代，由于当时的经济社会条件制约，普遍存在工程质量问题，加上长期维修管理不够，其中约50%左右水库为病险水库。病险水库不仅不能正常发挥效益，而且存在较高的溃坝风险，严重威胁人们安全与社会的可持续发展。因此，要定期对水库大坝进行安全评价，了解大坝安全状况，以便有针对性地采取措施，对确保大坝安全和公共安全具有十分重要的意义。水库大坝安全评价就是利用系统工程原理和方法，对拟建或已有水库大坝工程及系统可能存在的危险性及其可能产生的后果进行综合评价和预测，并根据可能导致的事故风险的大小，提出相应的安全对策措施，以达到工程及系统安全的过程。主要从大坝安全监测和风险分析两个测度来分析大坝的安全评价。1水库大坝安全评价技术发展现状1．1国外水库大坝安全评价技术的发展早在19世纪末期，人们就开始关注大坝安全，由于当时科学技术不发达，人们只对大坝进行感性的分析。到20世纪初—中期，随着水利行业的发展，大坝的工程技术得到较快的发展，大坝数量迅速增加，失事事故也逐渐增多，大坝的安全性引起国际大坝委员会的高度重视。1948年第3届国际大坝会议安排了防止管涌的最新措施会议，以提高对大坝的安全性认识;1951年第4届大会提出了从大坝和库岸角度看大坝安全性的议题;1970年第10届大会安排了大坝和建筑物监测的议题;1979年第13届大会提出了大坝老化和失事的议题;1982年第14届大会安排了运行中大坝安全的议题;2002年第70届年会提出了大坝安全与风险评价的议题;2003年第71届年会安排了水库大坝抗震安全评价影响研究的议题;2005年国际大坝委员会第73届年会安排了大坝工程的不确定性评估的议题;2006年国际大坝委员会第22届大坝会议提出了土坝和堆石坝的大坝安全、洪水和干旱的评估及管理等议题;2021年国际大坝委员会第80届年会成立了大坝安全、大坝监测等专委会。同时世界各国也以此为契机，着重研究水库大坝的安全评价，并从风险分析和大坝安全监测两个方面来对大坝进行安全性评价。a)监测技术的发展现状。国外大坝安全监控资料分析工作起步较早，在20世纪50年代以前，人们主要通过感观认识来观测大坝表面，并对变形观测值作定性分析。1955年，意大利的Faneli和葡萄牙的Ｒocha等首次应用统计回归方法定量分析了大坝的变形观测资料。Ｒocha等人采用大坝横断面各层平均温度和温度梯度作为温度因子，并以函数式来表示水位因子，使模型表达式进一步完善。1963年中村庆一等采用回归分析法分析大坝实测资料，并筛选出显著因子，以建立最优的回归方程。1980年Bonaldi等提出了混凝土大坝变形的确定性模型和混合模型，将运用有限元理论计算值与实测数据有机地结合起来。1985年Ouedes应用多元线性回归(高斯－马尔柯夫概率函数模型)来拟合原因量与效应量的关系，这种方法能分离各个分量，并且能确定原因量和效应量的最佳经验公式。1996年LueE．chouinard等采用主成份回归分析了dukki拱坝的监测资料，这种回归分析方法能分离各个分量，并且能确定原因量和效应量的最佳经验公式［5］。其他许多学者在大坝安全监控数学模型上也做了一些研究，为回归方法的的完善作出了贡献。学者在资料分析中提出采用MDV方法对大坝进行监控，即:从测值序列中将水压分量和温度分量分离出来，分析时效和残差的变化规律来评判大坝的安全状况。目前，葡萄牙、法国、意大利、西班牙和奥地利等国家在大坝安全监测以及相关的各项研究方面不同程度地处于国际领先水平。到21世纪初，国际大坝委员会第118号公报《大坝自动化监测系统———导则和实例》中，总结了自动化监测资料分析方面的经验，可以看出人工智能技术是目前的发展趋势。b)风险分析技术的发展现状。风险分析是近几十年来逐步发展起来的一门综合性边缘科学。其最早起源于美国，应用在工业、军事等方面。1974年美国发表的商用核电站风险评价报告［8］，引起了全世界极大关注，标志着风险分析技术推广应用的开始，从此风险分析技术在各个领域的研究逐渐开展起来。对水利工程的风险分析最早也起源于美国。早在20世纪70年代，美国土木工程师协会(ASCE)在评估已建大坝溢洪道泄洪能力时，就应用了风险分析方法来分析溢洪道的大小规模［9］。随着一些重要研究成果的发表，以及美国等一些国家若干大坝失事造成灾难性后果的披露，美国工程界逐渐重视了对大坝的安全评估。1978年美国总统卡特在对全美水利资源委员会的工作中，指出了系统风险分析在水利工程中应用的必要性及重要性。1988年ASCE发表的“大坝水文安全评估程序”报告也将风险分析作为主要评估方法。20世纪80年代，美国学者ＲichardB．Waite、DavidS．Bowels等运用风险评价方法为美国西部几个大坝业主进行了大坝风险评价［10］。20世纪90年代初，BCHydro和澳大利亚大坝委员会根据在其他领域积累的实践经验，制定了暂行的生命损失可接受风险标准。当前大坝风险分析技术在国外发展迅速，尤其是美国、加拿大、澳大利亚及西欧等。1994年澳大利亚大坝委员会颁布的《风险评估指南》，后又进行修订;于1998年制定了《大坝地震设计指南》和《大坝环境管理指南》;1999年制定了《大坝可接受防洪能力选择指南》;2000年5月制定了《大坝溃决后果评价指南》;2002年2月制定了昆士兰州政府自然资源和矿产部《大坝溃决影响评价指南》和《昆士兰州大坝安全管理指南》等。在风险标准方面，加拿大BCHydro制定了一个临时的风险标准［3］。风险分析技术上，美国国家气象局(NWS)开发了一系列的溃坝模型，有DAMBＲK模型、BＲEACH模型以及FLDWAV模型，为溃坝洪水计算提供了强大的计算支持。芬兰环境研究院和芬兰农林部、内务部及西部地区环境中心于1999年06月01日至2001年03月31日联合开发的ＲESCDAM计划中提出了一套风险分析方法，应用数字地形模型(DTM)对溃坝洪水进行一维和二维模拟，研究了流动水流中人群的稳定性和机动性、房屋的性能及森林和房屋的糙率。应用方面，从单坝风险评估、群坝风险评估［18］到对大坝安全隐患除险加固的排序［11］，都得到了实际应用。此后，欧洲有国家成立了专门从事水利工程可靠性和风险分析的工作小组，提出了风险分析的研究框架和系统的理论、方法及评价指标等。近年来，加拿大、澳大利亚等国在大坝安全评估和决策方面，开展了诸多研究工作，提出了一系列大坝安全分析的理论和方法，建议采用概率的允许风险作为大坝安全的标准;荷兰等国在防洪风险分析和堤防设计标准方面，也进行了诸多研究工作，取得了不错的进展;国际上普遍认同将洪水风险图的绘制作为洪灾风险评估的重点工作，并开展了相关研究工作。2000年在北京召开的第20届国际大坝会议上，第76议题“风险分析在大坝安全决策和管理中的应用”主要讨论了风险和灾害定义，风险估计方法、评估技术及风险管理和应急预案等，标志着风险分析已发展成为体系完整的决策工具。2005年国际大坝委员会发布了130号公报《大坝安全管理中的风险评估》，公报主要介绍了风险评估的原理和术语，简述了风险评估在大坝安全决策中的应用，标志着风险概念已被世界水利界所接受。2021年国际大坝委员会发布了最新的关于大坝安全管理的公报草案，系统地介绍了大坝安全管理的方针目标、计划、实施、性能监控和评价以及审核校核等的方法步骤，并对以往发布的公告进行对比分析。c)存在的问题。综合分析国外的水库大坝安全评价技术中的监测与风险分析技术的发展现状，存在的主要问题有:①随着区域经济的发展及对水资源管理的需求，人类社会与水库大坝越来越靠近，人们在享受水库大坝带来的经济效益的同时，也承担着潜在大坝失事所带来的巨大风险，使得传统的以大坝工程安全为主的评价标准已不再适用。②水库大坝与周围自然环境和社会环境组成了一个相互影响相互制约的复杂灾变系统，大坝作为该系统的中心，既是承灾体，又是孕灾环境，必须将其放入到整个复杂灾变系统中研究其安全性，建立起基于风险理念的大坝安全评估体系。③风险识别作为大坝风险分析的第一环节，能否识别出所有潜在的失效模式及路径，正确合理地约简失事模式及路径集，挖掘出大坝的主要失事模式及路径，直接影响到风险分析结果的正误和分析过程的易繁。④由于大坝安全监测的测点比较分散，且仪器种类较多，要实现对建筑物各测点的全面控制，需要一种低成本、可互操作的测控系统。⑤国外对大坝安全监测技术重点是研究监测仪器、设备的更新等，不注重对大坝安全理论专业知识的培养，特别是将监测技术、控制、数据分析管理、安全分析评价、快速预报预警和野外设备仪器综合防护等为一体的系统化研究成果尚不成熟。1．2国内对大坝安全评价技术的发展我国目前是世界上水库大坝最多的国家，大、中型大坝约占4%左右，15m以上的大坝约占20%，大部分大坝修建于20世纪50—70年代，随着大坝建设的快速增多，大坝的安全性问题越来越突出，引起了我国政府的高度重视，大坝的安全评价技术也得到了迅速发展。a)监测技术的发展现状。早在20世纪50年代，我国就开始对大坝进行观测来分析大坝安全;如对官厅水库、南湾水库进行水平位移、沉降等指标进行观测，对丰满水库进行温度及应力应变指标的观测［12］;20世纪50年代末期，对三门峡等大型混凝土大坝系统地开展了较大规模的内、外部观测［13］。1974年，陈久宇等学者开始应用统计回归方法来分析大坝安全监测资料，并提出了许多对大坝安全分析有价值的模型。到20世纪80年代后期，我国观测技术总体水平有了很大提高，实现了自动化遥感观测。如我国从1987年开始连续3年开展了大坝安全评价中防汛遥感观测技术研究，1987在永定河下游进行的防汛遥感实验中，首次在我国实现了机载真实孔径侧视雷达图像的实时传输。我国在“六五”至“八五”期间，国家通过“遥感技术应用研究”科技攻关项目在建立中国洪水灾害监测信息系统方面取得了丰硕的成果［14］。20世纪80年代中期，吴中如等从徐变理论出发，推导了坝体顶部时效位移的表达式，用周期函数模拟温度、水压等周期荷载，并用非线性二乘法进行参数估计;同期还提出了裂缝开合度统计模型的建立和分析方法、坝顶水平位移的时间序列分析法以及连拱坝位移确定性模型的原理和方法，分析重力坝、拱坝的水平位移，并在实际工程中得到了成功应用［15］。20世纪90年代后到大坝安全监测技术发展较快，许多水库和水电站都完成了自动化监测系统的安装和改造，并研究出很多安全评价方法。1994年，河海大学李珍照、尉维斌等在《大坝安全模糊综合评价决策方法的研究》中，提到利用模糊数学方法自下而上的确定大坝实测性态评价体系中各元素的权重［16］;1997年，河海大学王绍泉在《多层次阀值模糊综合评判在分析大坝安全中的应用》一文中，以模糊数学理论为依据，在考虑各专家的权威性权和专业熟悉性权的基础上，研究了大坝安全分析的多层次阀值模糊综合评判模型［17］。2005年河海大学杨云在其博士论文《大坝安全管理关键技术研究》，刘成栋在其硕士论文《大坝安全评价的多因素赋权分析方法及其应用研究》中提出了大坝安全评价体系，重点研究了评价指标的专家权重和信息权重［18-19］。2006年，广东水科院廖文来，何金平在其发表的文章《基于集对分析的大坝安全综合评价方法研究》中建立了大坝安全集对分析评价模型［20］。2007年，南京水科院何勇军发表的《模糊测度理论在大坝安全智能决策支持系统中的应用》中，提出了安全评价集对的表示方法［21］。2021年，河海大学刘强、沈振中等在《基于灰色模糊理论中的多层次大坝安全综合评价》中建立了基于灰色模糊理论的多层次大坝安全综合评价模型，取得了较好的效果［22］，促进了水库大坝安全评价技术的发展。b)风险分析技术的发展现况。在20世纪末期，风险分析才开始运用到国内大坝安全评价中。风险分析是对大坝失事概率的分析和大坝失事所造成的损失的一种新的评价方法，国内的一些学者进行深入研究，得出了大量水库大坝安全评价的风险分析方法。如水库大坝总体安全度评价方法，根据大坝总体安全度，参考水库大坝安全度评判标准，得出水库大坝安全的程度。单一风险分析法，主要考虑大坝系统的不确定性，以数理统计法为主，应用最广，已经从直接积分法、蒙特卡罗法(MC)等发展到均值一次二阶矩法(MFOSM)、改进一次二阶矩法(AFOSM)、JC法、二次二阶矩法等［23］。综合风险分析法，通过两次映射，把无序空间上的点映射到有序空间上，从而实现风险的比较优化。通过指标体系的量纲一体化实现将一个由m个无序的、单位不统一的指标构成的m维空间A上的点映射到一个由无计量单位的m个指标构成的m维空间B上的点，而后通过各种综合分析方法，将各项指标值转化为一个综合指标值，实现在一个一维有序空间中的比较分析。综合分析法包括层次分析法、模糊综合分析法、灰色综合分析法、最大熵原理等。人工神经网络法［24］，通过对多因素风险进行模拟记忆然后分析未来类似的风险。国内正积极运用风险分析技术评价水库大坝安全的问题，建立基于风险的大坝安全评价体系。c)存在的问题。近年来，我国在水库大坝安全评价技术方面取得了很大进步，但是也存在着一些问题:①相关技术规范体系还尚未形成，我国已经颁布的《水库大坝安全评价导则》中阐述了对水库大坝的防洪标准复核、渗流安全评价、抗震安全复核、结构安全评价和金属结构安全评价的内容、方法和标准，但没有针对如何根据大坝坝体安全监测进行在线综合评价进行详细的指导说明。大坝坝体安全评价和快速预警方面，我国也没有统一的技术标准。②大坝安全监测系统在已建大坝的实施难度大，主要问题集中在坝体内部仪器的数据校正和控制方面难以达到国家的规范标准。③系统运行保障技术不成熟，导致多数监测系统运行在几年后就不能工作。④大坝管理单位普遍存在着规章制度不全、水工监测队伍整体素质偏低或专业人员结构布局不合理等问题，存在“重机电，轻水工”的现象，造成水工队伍不稳定，人员流动大，对监测设施的巡查与维护不到位，对仪器设备缺乏定期检校，致使大坝安全监测工作不能正常开展。⑤水库大坝观测资料分析问题及评价深度只停留在短期的定性分析，缺乏系统性与综合性，使观测成果不能完整、客观地反映大坝安全状况。⑥水库大坝安全现状判断的基础资料极端缺乏、水库大坝隐患严重程度认定难度大、风险程度排序不清和基层技术力量的薄弱等给大坝安全评价技术风险分析带来了很多困难。2水库大坝安全评价技术的发展根据国内外对水库大坝安全评价的研究现状及存在的问题，大坝管理单位及大坝安全技术研究者应紧紧围绕水库大坝安全评价技术中监测系统和风险分析的关键技术问题，全面开展课题研究和实践操作工作，将研究出的新设备更好的运用到实践中去;在水库大坝安全评价项目建设中不断积累经验，及时解决实际应用中存在的问题;完善研究成果，进一步推动技术成果的创新，创造出一套先进实用的水库大坝安全评价技术系统;积极实践系统运行效率保障，设备防护、系统综合布线、在线分析与安全评价、快速预警等一系列相对成熟的关键技术成果;才能推动水库大坝安全评价技术的进一步发展。根据国内外对水库大坝安全评价的研究现状及存在的问题，水库大坝安全评价技术的发展可归纳如下几点:a)大坝安全监测仪器，通常工作在高低温、高湿度等环境中，监测仪器的长期稳定性、可靠性是考核大坝监仪器的最重要的指标，各类仪器均应进一步探索和改进仪器抗恶劣环境的能力、增强长期稳定性和可靠性的发展。目前，大坝安全监测自动化正朝着网络化、智能化方向发展，各种智能仪器将会在大坝安全监测中广泛应用。因此，智能变送器、智能传感器、以及个人数字助理等数字设备的研究开发，也是未来大坝安全监测发展的方向。b)大坝安全评价数据采集系统发展。由于国内外有关厂家对建筑物各测点的全面控制且低成本、可互操作的监测系统产品的研发还不够理想，因此对目前各种大坝监测数据采集系统的开放性、可兼容性、可靠性及现场设备监测网络适应多种通信介质的广泛易组合性、可远程监控等性能进行改进，是未来的一个重要的发展方向。c)群坝安全信息系统集成的发展。目前，国内外大多水库都没有统一的管理，我们应以公司管理为中心，各坝区为分中心，实行统一管理、远程操控、监测数据采集、分析评价和网络报送等由中心负责，各分中心只需保证系统的现场硬件设备正常运行即可，这就大大减少了管理人员，且提高了工作效率，也是大坝安全评价发展的一个重要的方向。d)大坝采用视频图像监控综合自动化系统监测的发展。由于现在大多数大坝都是人工监测，监测数据不精确、工作效率低，所以利用视频图像作为大坝安全监测的辅助手段来更好地了解和检查大坝的工作状态和运行情况，并建立同时存在多个自动化系统，同时监测大坝各个方面，对工程自动化系统的综合管理，也是大坝安全监测一种发展方向和趋势。e)大坝风险标准对大坝安全评价的发展。国外一些发达国家早就在研究风险标准，基本都已建立了本国的生命风险和经济风险标准，但对环境风险、社会风险仍未研究制定相应的定量评价标准。由于社会经济发展水平、传统文化背景、社会价值观、管理体制、保险制度等方面的差异，不同国家、不同地区以及不同大坝业主对风险标准的认识及相应制定的生命风险和经济风险标准也不尽相同。我国对大坝安全风险标准的研究还几乎处于空白，尚未形成一套完整的体系，所以大坝风险标准的研究也是大坝安全评级技术发展的趋势。f)基于风险的大坝安全评价体系发展。传统大坝安全评价方法着重于工程自身的安全，未考虑非工程措施对大坝安全的作用。引入风险概念后，由于采用风险作为大坝安全的衡量标准，工程安全评价需同时关注下游公共安全，即同时要考虑工程安全与大坝溃决、下游损失之间的关系。因此，传统大坝安全评价已不能满足社会发展和水库下游公众对自身安全程度的要求，必须建立基于风险的大坝安全评价体系，制定适合我国国情的风险评价方法体系。g)随着高坝的发展，超高边坡稳定分析方法与安全评价体系，复杂地质条件下大型地下洞室群稳定性评价与控制标准，深埋长大隧洞围岩稳定性及地质超前预报，超大深厚复杂地基处理等也是大坝安全评价技术未来的发展方向。3结语虽然国内外水库大坝安全评价技术在近几十年来得到了空前的发展，但相对于水电大坝安全高效运行及极端气候变化对大坝安全性影响的需求来说，还有很大的发展空间，尤其是近年来一些巨型的高坝大库相继开工建设，给大坝安全评价技术领域提出了许多新的课题。综合起来可以得出以下几点:a)要使水库大坝安全评价更好地发挥其作用，必须自始至终把大坝安全监测和风险分析放在首位。b)大坝安全评价技术应充分利用科技进步，走向即时化、智能化、网络化、三维可视化、一体化。总之，大坝安全评价就是通过监测分析和风险分析，确保水库大坝以较少的投入来保证长期、稳定、安全的运行。参考文献:［1］庞毅．土石坝安全监测分析评价技术与工程应用［M］．北京:中国水利水电出版社，2021:17-21．［2］D．L．Fread，JMLewis．NWSFLDWAVModel［Ｒ］．NationalWeatherService(NWS)Ｒeport:HydrologicＲesearchLaboratoryOfficeofHydrology，1998．［3］楼渐逵．加拿大BCHydro公司的大坝安全风险管理［J］．大坝与安全，2000．4(1):2-11．［4］贾彩虹．老坝渗流的敏感性研究［D］．南京:河海大学2002．［5］胡灵芝．混凝土坝变形安全监控时变模型及其应用研究［D］．南京:河海大学，2005．［6］LucE，Chouinard．Statisticalanalysisinrealtimeofmonitoringdataforidukkiarchdam［C］．Trivandrum，India:2ndInternationalconferenceondamsafetyevaluation，1996．［7］杨杰，吴中如．大坝安全监控的国内外研究现状与发展［J］．西安理工大学学报，2002(1):1-3．［8］李雷．大坝风险管理与应急预案——现代大坝安全理念［J］．中国水利，2021(22):63-66．［9］DavisS．Bowels，LorenＲ．Anderson，etal．THEPＲACTICEOFDAMSAFETYＲISKASSESSMENTANDMANAGEMENT:ITSＲOOTS，ITSBＲANCHES，ANDITSFＲUIT［C］．Buffalo:theEighteenthUSCOLDAnnualMeetingandLecture，August8—14，1998．［10］ＲichardB，Waite，DavisS，etal．DamSafetyEvaluationforaSeriesofUtahPowerandLightHydropowerDams，IncludingＲiskAssessment［C］．NewMexico:InProceedingsfromthe6thASDSOAnnualConferenceAlbuquerque，October1-5，1989．［11］王仁钟，李雷，盛金保．病险水库风险判别标准体系研究［J］．水利水电科技进展，2005，25(5):5-8．［12］何金平．大坝安全监测理论与应用［M］．北京:中国水利水电出版社，2021．［13］张进平，黎利兵，卢正超．大坝安全监测研究的回顾与展望［J］．中国水利水电研究院学报，2021，6(4):317-318．［14］胡卓玮．洪涝灾害应急响应决策支持业务系统关键技术研究［D］．北京:首都师范大学，2007．［15］陈文燕，朱林，王文韬．大坝安全监测的现状与发展趋势［J］．电力环境保护，2021，25(6):3．［16］尉维斌，李珍照．大坝安全模糊综合评价决策方法的研究［J］．水电站设计，1996(1):1-8．［17］王绍泉．多层次阀值模糊综合评判在分析大坝安全中的应用［J］．大坝观测与土工测试，1997(4):14-16．［18］杨云．大坝安全管理关键技术研究［D］．南京:河海大学2005．［19］刘成栋．大坝安全评价的多因素赋权分析方法及其应用研究［D］．南京:河海大学，2004．［20］廖文来，何金平．基于集对分析的大坝安全综合评价方法研究［J］．人民长江，2006，37(6):57-58．［21］熊威，田波，卢建华．水库大坝安全评价技术与方法探讨［J］．人民长江，2021，42(12):24-27．［22］盛金保，王昭升．水利讲坛第十四讲:水库大坝安全评价［J］．中国水利，2021(4)，63-66．［23］王昭升，盛金保．基于风险理论的大坝安全评价研究［J］．人民黄河，2021，33(3):104-106．［24］赵志仁，徐锐．国内外大坝安全监测技术发展现状与展望［J］．水电自动化与大坝监测，2021，34(5):52-56．［25］田俊生，高明忠．大坝安全监测技术研究［J］．四川水利发电，2021，31(1):85-88．［26］郑守仁．我国水库大坝安全问题探讨［J］．人民长江，2021，43(21):1-5．［27］李端有，王志旺．水库大坝安全管理及发展动向分析［J］．中国水利，2007(6)，7－9．［28］江世勇．大坝安全监测新技术和发展趋势［J］．中华民居，2021，29-30．［29］彭虹．大坝安全监测自动化30年历程回顾与展望［J］．水电自动化与大坝监测，2021，36(5):64-68．［30］李升．大坝安全风险管理关键技术研究及其系统开发［D］．天津:天津大学，2021．作者简介:袁坤，男，河南信阳人，主要从事水工结构研究工作。基因工程技术的现状和前景发展

摘要

从2０世纪70年代初发展起来的基因工程技术，经过30多年来的进步与发展,已成为生物技术的核心内容。许多科学家预言，生物学将成为21世纪最重要的学科,基因工程及相关领域的产业将成为２1世纪的主导产业之一。基因工程研究和应用范围涉及农业、工业、医药、能源、环保等许多领域。ﻫ基因工程应用于植物方面ﻫ农业领域是目前转基因技术应用最为广泛的领域之一。农作物生物技术的目的是提高作物产量,改善品质，增强作物抗逆性、抗病虫害的能力。基因工程在这些领域已取得了令人瞩目的成就.由于植物病毒分子生物学的发展，植物抗病基因工程也也已全面展开。自从发现烟草花叶病毒（TMV)的外壳蛋白基因导入烟草中，在转基因植株上明显延迟发病时间或减轻病害的症状，通过导入植物病毒外壳蛋白来提高植物抗病毒的能力，已用多种植物病毒进行了试验。

在利用基因工程手段增强植物对细菌和真菌病的抗性方面，也已取得很大进展.植物对逆境的抗性一直是植物生物学家关心的问题。由于植物生理学家、遗传学家和分子生物学家协同作战，耐涝、耐盐碱、耐旱和耐冷的转基因作物新品种(系）也已获得成功。植物的抗寒性对其生长发育尤为重要。科学家发现极地的鱼体内有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长,从而免受低温的冻害并正常地生活在寒冷的极地中.将这种抗冻蛋白基因从鱼基因组中分离出来，导入植物体可获得转基因植物,目前这种基因已被转入番茄和黄瓜中。

随着生活水平的提高，人们越来越关注口味、口感、营养成分、欣赏价值等品质性状。实践证明，利用基因工程可以有效地改善植物的品质,而且越来越多的基因工程植物进入了商品化生产领域，近几年利用基因工程改良作物品质也取得了不少进展,如美国国际植物研究所的科学家们从大豆中获取蛋白质合成基因，成功地导入到马铃薯中，培育出高蛋白马铃薯品种，其蛋白质含量接近大豆,**提高了营养价值，得到了农场主及消费者的普遍欢迎。在花色、花香、花姿等性状的改良上也作了大量的研究。

基因工程应用于医药方面ﻫ目前,以基因工程药物为主导的基因工程应用产业已成为全球发展最快的产业之一，发展前景非常广阔.基因工程药物主要包括细胞因子、抗体、疫苗、激素和寡核甘酸药物等。它们对预防人类的肿瘤、心血管疾病、遗传病、糖尿病、包括艾滋病在内的各种传染病、类风湿疾病等有重要作用.在很多领域特别是疑难病症上，基因工程工程药物起到了传统化学药物难以达到的作用。我们最为熟悉的干扰素(ＩFN)就是一类利用基因工程技术研制成的多功能细胞因子,在临床上已用于治疗白血病、乙肝、丙肝、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种疾病。

目前，应用基因工程研制的艾滋病疫苗已完成中试，并进入临床验证阶段；专门用于治疗肿瘤的“肿瘤基因导弹"也将在不久完成研制，它可有目的地寻找并杀死肿瘤,将使癌症的治愈成为可能。由中国、美国、德国三国科学家及中外六家研究机构参与研制的专门用于治疗乙肝、慢迁肝、慢活肝、丙肝、肝硬化的体细胞基因生物注射剂,最终解决了从剪切、分离到吞食肝细胞内肝炎病毒，修复、促进肝细胞再生的全过程.经4年临床试验已在全国面向肝炎患者。此项基因学研究成果在国际治肝领域中，是继干扰素等药物之后的一项具有革命性转变的重大医学成果。基因工程应用于环保方面工业发展以及其它人为因素造成的环境污染已远远超出了自然界微生物的净化能力，已成为人们十分关注的问题。基因工程技术可提高微生物净化环境的能力。美国利用DNＡ重组技术把降解芳烃、萜烃、多环芳烃、脂肪烃的4种菌体基因链接，转移到某一菌体中构建出可同时降解4种有机物的“超级细菌”，用之清除石油污染，在数小时内可将水上浮油中的2/3烃类降解完,而天然菌株需1年之久.也有人把Ｂt蛋白基因、球形芽孢杆菌、且表达成功。它能钉死蚊虫与害虫，而对人畜无害，不污染环境.现已开发出的基因工程菌有净化农药的ＤDＴ的细菌、降解水中的染料、环境中有机氯苯类和氯酚类、多氯联苯的工程菌、降解土壤中的TＮT炸药的工程菌及用于吸附无机有毒化合物（铅、汞、镉等）的基因工程菌及植物等.

90年代后期问世的DNA改组技术可以创新基因,并赋予表达产物以新的功能，创造出全新的微生物，如可将降解某一污染物的不同细菌的基因通过ＰＣR技术全部克隆出来，再利用基因重组技术在体外加工重组，最后导入合适的载体，就有可能产生一种或几种具有非凡降解能力的超级菌株，从而＊＊地提高降解效率.四、前景展望由于基因工程运用DNA分子重组技术，能够按照人们预先的设计创造出许多新的遗传结合体,具有新奇遗传性状的新型产物，增强了人们改造动植物的主观能动性、预见性。而且在人类疾病的诊断、治疗等方面具有革命性的推动作用，对人口素质、环境保护等作出具大贡献。所以，各国政府及一些大公司都十分重视基因工程技术的研究与开发应用，抢夺这一高科技制高点。其应用前景十分广阔。我国基因工程技术尚落后于发达国家，更应当加速发展，切不可坐失良机。

但是，任何科学技术都是一把“双刃剑”,在给人类带来利益的同时，也会给人类带来一定的灾难.比如基因药物,它不仅能根治遗传性疾病、恶性肿瘤、心脑血管疾病等,甚至人的智力、体魄、性格、外表等亦可随意加以改造；还有,克隆技术如果不加限制，任其自由发展，最终有可能导致人类的毁灭。还有，尽管目前的转基因动植物还未发现对人类有什么危害,但不等于说转基因动植物就是十分安全的，毕竟这些东西还是新生事物，需要实践慢慢地检验.转基因生物和常规繁殖生长的品种一样,是在原有品种的基础上对其部分性状进行修饰或增加新性状，或消除原来的不利性状，但常规育种是通过自然选择，而且是近缘杂交,适者生存下来,不适者被淘汰掉。而转基因生物远远超出了近缘的范围，人们对可能出现的新组合、新性状会不会影响人类健康和环境，还缺乏知识和经验，按目前的科学水平还不能完全精确地预测.所以,我们要在抓住机遇，大力发展基因工程技术的同时，需要严格管理，充分重视转基因生物的安全性。近两年来我国化学生物学领域的突出进展时间:20１5—04-17来源:学术堂所属分类：

应用化学论文近年来，化学生物学已经成为具有举足轻重作用的一门新兴交叉学科，是推动未来生命科学和生物医药发展的关键研究领域。通过充分发挥化学和生物学、医学交叉的优势，化学生物学的研究具有重要的科学意义和应用前景，能够深入揭示生物学新规律，促进新药、新靶标和新的药物作用机制的发现,造福于人类的健康事业，推动社会经济发展。目前，化学生物学研究已经引起各国政府和全球重要科研机构的高度重视，成为发达国家竞相资助和优先发展的领域之一。化学生物学研究受到各国政府、科研机构和大制药公司的高度重视。美国国立健康研究院（NＩＨ)提出的生物医学路线图计划(NIＨRoadmap），将化学生物学设定为5个研究方向之一。它们还设立了巨额预算作为化学生物学的培训经费以及建立了若干着名的小分子化合物筛选平台。例如，博大研究院（BrｏａdInstitute)就是一个由哈佛大学和麻省理工学院共建的合作单位，致力于开发在生命科学和医药学中能探究基因组学的新工具。化学遗传学（chemicalgenetｉcs）以及化学基因组学（cheｍiｃalgｅnoｍicｓ）在该过程中发挥着重要的作用。耶鲁大学基因组和蛋白质组研究中心（YａlｅUnｉverｓiｔyCenterforＧeｎｏmiｃsaｎdProｔｅomｉcs）专门成立了化学生物学研究小组,从事化学生物学新技术的开发，并应用于功能基因组等方面的研究中.美、日和大部分欧洲发达国家的一流大学均建立了化学生物学人才培养计划.各出版机构都相继出版了高水平的化学生物学专业学术杂志，此外许多生物和化学国际会议也设立了化学生物学分会。这些努力都极大地推动了国际上化学生物学研究水平的快速进步。在化学生物学的发展过程中,相继出现了如组合化学、高通量筛选技术、分子进化、基因组（芯片）技术、单分子和单细胞技术等一系列新技术和新方法,为化学与生物学、医学交叉领域的研究注入了新的内涵和驱动力.近年来，化学生物学家以小分子探针为主要工具，对细胞生命现象，尤其是细胞信号转导过程中的重要分子事件和机理进行了深入的研究。通过充分发挥小分子化学探针研究信号转导的优势，探索和阐述信号转导途径的分子事件与规律以及在病理状态下的变化规律,为疾病的诊断和治疗研究探索新的思路.与此同时,化学生物学在与包括生物化学、分子生物学、结构生物学、细胞生物学等领域的交叉合作越发深入，研究优势越发明显,这也推动了化学、医学、药学、材料科学和生物学科相关前沿的探索研究，现举例介绍目前的一些具体的交叉研究趋势:第一，生物有机化学与细胞生物学的交叉融合，利用有机化学手段，通过设计合成一系列多样化的分子探针，研究细胞信号转导过程的重要分子机理;第二,药物化学与医学的交叉融合,为了实现“从功能基因到药物”的药物研发模式,采用信号传导过程研究与靶标发现相结合，注重药物靶标功能确证与化合物筛选相融合的研究策略;第三，化学生物技术与生命科学问题的交叉融合，以化学生物学技术为手段，着重发展针对蛋白质、核酸和糖等生物大分子的特异标记与操纵方法,以揭示它们所参与的生命活动的调控机制；第四,分析化学与生物学的交叉融合,以化学分析为手段,发展在分子水平、细胞水平或活体动物水平上获取生物学信息的新方法和新技术.化学在让生命可视、可控、可创造的进程中日益彰显其核心作用。以下对近两年来我国化学生物学领域取得的突出进展加以具体的归纳和介绍。1基于小分子化合物及探针的研究1.1以小分子化合物为探针，深入研究细胞生理、病理活动的调控机制

自吞噬（ａutophagｙ）是细胞内的一个重要降解机制.中国科学院上海有机化学研究所马大为和美国哈佛大学袁钧英合作，发现ｓpautin－１可以特异性地抑制泛素化酶USP１0和USP13，进一步促进了VＰS34／P１３复合物的降解，导致特异性地抑制自吞噬。他们发现USP10和UＳP13作用于VPＳ3４/P13复合物的亚单位Ｂｅｃｌin-1，Ｂecｌin-1是一肿瘤抑制剂，调控P５３的水平。他们的发现提供了一个蛋白去泛素化调控P５３和Beclｉｎ—１的水平、抑制肿瘤的新机制［1].近年来,细胞坏死逐渐被认为是哺乳动物的发育和生理过程的重要组成部分，并参与了人类的多种病理过程。雷晓光和王晓东等通过筛选得到1个抑制细胞坏死的小分子化合物坏死磺酰胺(necrosｕｌfｏnamide)。此前王晓东实验室的研究证实了RＩP３的激酶活性在肿瘤坏死因子TNF－α诱导的细胞坏死过程中是不可或缺的，并发现MLKＬ扮演着ＲIP3激酶其中1个底物的角色。这次发现的小分子正是通过特异识别MLＫL而阻止坏死信号的传导［2]，对于设计并开发针对细胞坏死相关疾病的药物起到了极大的提示和推动作用。裴端卿等继发现维生素C能够显着提高小鼠与人的体细胞重编程效率（效率可以达到约10％)引起广泛关注之后,进一步研究发现体细胞的组蛋白去甲基化酶Jｈdm1a／1b是维生素C介导的细胞重编程的关键作用因子。他们发现，维生素C能够诱导小鼠成纤维细胞H3Ｋ36me2／3去甲基化,并促进体细胞重编程。该工作也证明了制约体细胞“变身"的分子障碍是组蛋白H3K3６me2/3，而维生素C能够突破这一障碍从而促进重编程的发生［3］,该工作被选为了《CeｌｌＳtｅｍCｅｌl》当期的封面文章.邓宏魁等通过系列筛选工作，首次发现４个小分子化合物可以完全替代Ｙamaｎaka四因子，将小鼠体细胞诱导成为多潜能性干细胞，这项工作将直接导致化学再生医药新领域的产生［4］。宋保亮等针对胆固醇负反馈调控途径，筛选活性小分子化合物,研究其对代谢性疾病的功能作用，并揭示胆固醇代谢负反馈调控的信号转导机制.首先他们针对ＳREBP途径构建报告基因系统，对数千种化合物进行筛选，获得1种名为白桦酯醇的小分子化合物，它能够特异性地阻断ＳＲEＢP的成熟,抑制其活性。在细胞水平,白桦酯醇能显着抑制胆固醇、脂肪酸和甘油三酯等脂质合成基因的表达，减少脂质合成，降低细胞内脂质含量.因此,白桦酯醇具有良好的抗动脉粥样硬化作用和Ⅱ型糖尿病的治疗作用[5]。1。2若干细胞关键信号转导通路的研究

李林发现了ＮC04３和中国科学院昆明植物研究所郝小江发现了天然产物S3类似物ＨLY７8两个全新的调节Wｎt信号途径的小分子。其中，ＮC043影响细胞内β—cａｔeｎin和ＴCF4的相互作用而抑制Wnt信号途径并抑制结肠癌细胞的生长［6］;S３抑制经典Ｗnｔ信号途径，并且它发挥作用的主要机制是在细胞核里，这为治疗由于经典Wnt信号途径异常激活而引起的癌症提供了先导化合物。同时,他们还发现S3对于不同的经典Wnt信号途径异常激活的肿瘤细胞系的抑制效率也是不一样的，这为后期探明不同肿瘤细胞系之间的差别和揭示Ｗnt信号途径下游转录调控的机理提供了契机。1.３重要靶标、抑制剂和标记物的发现

陈国强等在前期发现从腺花香茶菜中提取的腺花素(Adenaｎthin)能够诱导白血病细胞分化的基础上,成功地捕获了它在细胞内的靶蛋白—-—过氧化还原酶(perｏxirｅｄoｘｉn）Ｉ／ＩＩ,并依此阐释了白血病细胞分化的新机理[7]。通过对腺花素进行分子改造，并在明确其活性基团后,合成生物素标记的腺花素分子，他们借助蛋白质组学和生物信息学技术平台的支持，以生物素标记的腺花素为“诱饵"，利用蛋白质组学和生物信息学技术,在白血病细胞中“垂钓”腺花素可能结合的蛋白质，结果发现,腺花素能够与过氧化还原酶PrxI和PrxＩI共价结合,该工作对白血病的病理研究及治疗都将起到极大的推动作用。吴乔、林天伟、黄培强等发现了名为ＴＭPA的化合物，能够通过与吴乔等前期发现的与糖代谢调控密切相关的新靶点—Nuｒ77的基因转录调控因子的结合，使原先结合Nｕr77的ＬKB1得到分子释放。后者能够从细胞核转运到胞浆,并激活直接参与糖代谢调控的重要蛋白激酶ＡMPＫ，达到降低血糖目的。此外，他们还通过晶体结构解析了Nuｒ77－ＴMＰA的复合物晶体，从原子水平上进一步解释了TMPＡ结合Nur77的构象和精确位点，为今后设计和研发新型的糖尿病药物提供了必不可少的结构基础［8].该工作所发现的化合物ＴＭPA或可成为一种新型糖尿病治疗药物的“雏形"，为未来新型糖尿病治疗药物的研发提供一个全新方向和路径。杨财广等[9]进行了基于mRNA中N6位甲基化修饰的腺嘌呤（N6-mｅtｈyladｅnosｉne，m6Ａ)去甲基化酶FTO结构开展小分子调控的研究，首次获得了对核酸去甲基化酶FTO具有酶活和细胞活性的小分子抑制剂.张翱、镇学初等[10]针对帕金森氏病治疗过程中出现的异动症进行作用机制研究，阐明了５—羟色胺1A受体和FosB基因与异动症的关系,进而发现了同时靶向多巴胺D2和5—羟色胺１Ａ受体的新型抗帕金森活性化合物.1.4天然产物分子的生物及化学合成谭仁祥等通过研究发现了螳螂肠道真菌(Daldiniａeｓchscholzｉi）产生的结构全新的Dalesｃonoｌ类免疫抑制物及其独特的“异构体冗余现象”。在此基础上，发现Ｄaｌescoｎol类免疫抑制物是由不同的萘酚通过酚氧游离基耦合产生的，同时发现其“异构体冗余现象"很可能源于真菌漆酶引致的关键中间体优势构象［１1］.该成果不仅为此类免疫抑制物来源问题的解决奠定了重要基础，而且为酚类合成生物学研究提供了新的思路和概念。萘啶霉素(NDM)、奎诺卡星(ＱＮC）及Ecｔeiｎaｓcｉdin743（EＴ—7４３)均属于四氢异喹啉生物碱家族化合物,它们都具有显着的抗肿瘤活性,其中EＴ－743已发展为第1例海洋天然产物来源的抗肿瘤新药。这3种化合物都具有一个独特的二碳单元结构，其生物合成来源问题一直没有得到解决。唐功利等［12］在克隆了ＮDM和ＱＮC生物合成基因簇的基础上,通过前体喂养标记、体内相关基因敲除－回补以及体外酶催化反应等多种实验手段相结合的方式，阐明了二碳单元的独特生源合成机制：ＮapＢ/Ｄ及ＱｎcＮ／L在催化功能上均属于丙酮酸脱氢酶及转酮醇酶的复合体，它们负责催化二碳单元由酮糖转移至酰基承载蛋白(ACP)上，而后经过非核糖体蛋白合成(ＮＲPS)途经进入到最终的化合物中.这种将基础代谢中的酮糖直接转化为次级代谢所需要的二碳单元在非核糖体肽合成途径中是首次报道.该研究结果也有助于揭示海洋药物ET-743独特的二碳单元生物合成来源,为非核糖体聚肽类天然产物的组合生物合成带来新的前体单元。此外,他们还利用全基因组扫描技术定位了抗生素谷田霉素生物合成的基因簇，通过基因敲除结合生物信息学分析确定了基因簇边界。谷田霉素可以抑制致病真菌，且对肿瘤细胞表现出极强的毒性(比抗肿瘤药物丝裂霉素的活性高约1０00倍）;该家族化合物属于ＤNA烷基化试剂，典型的结构特征是吡咯吲哚环上的环丙烷结构。在对突变株的发酵检测中成功分离、鉴定了中间体YTM—T的结构,并结合体外生化实验揭示了一类同源于粪卟啉原ＩＩＩ－氧化酶(CoproporｐｈｙrinogｅｎＩIＩoxidase)的甲基化酶以自由基机理催化YTM—T发生Ｃ－甲基化[1３］，这是此类蛋白催化自由基甲基化反应的首例报道,为下一步阐明YTM结构中最重要的环丙烷部分生物合成途径奠定了基础.Pyrｒｏinｄoｍｙｃins(PTR)是能够有效对抗各类耐药病原体的一种天然产物，它含有１个环己烯环螺连接的ｔetramaｔe这一独特的结构。刘文等［14］通过对ＰYR生物合成的研究揭示了2个新的蛋白质，均能够单独在体外通过迪克曼环化反应将N—乙酰乙酰基的-l-丙氨酰硫酯转化成tetraｍaｔe。这一工作揭示了一种通过酶的方式首先生成C-X（X＝O或N)键，然后再生成C-C键来构建５元杂环的生物合成途径。1。5金属催化剂在活细胞及信号转导中的应用利用化学小分子在活体环境下实现生物大分子的高度特异调控是化学生物学领域的前沿热点问题之一。作为生物体内含量最多的一类生物大分子，蛋白质几乎参与了所有的生命活动，因此“在体”研究与调控其活性及生物功能意义重大。与发展较为成熟的蛋白质活性抑制剂及相应的“功能缺失性”研究相比,小分子激活剂对于研究蛋白质的结构与功能更为有效。这主要是因为后者可以在活细胞及活体动物、组织内实现“功能获得性”研究，从而为目标蛋白质在天然环境下的功能及其在生命活动中扮演的角色提供更准确和细致的信息。然而，通过小分子实现蛋白质的原位激活是一项极具挑战性的任务，目前大多数成功的例子都来源于大规模小分子库筛选而获得的针对某一特殊蛋白质靶标的“别构剂”,而没有一种广泛适用于不同类型蛋白质的普适性小分子激活策略.陈鹏课题组通过将基于钯催化剂的“脱保护反应”与非天然氨基酸定点插入技术相结合，首次利用小分子钯催化剂激活了活细胞内的特定蛋白质[15］.该方法通过将一种带有化学保护基团的赖氨酸（炔丙基碳酸酯－赖氨酸，Prｏｃ-赖氨酸）以非天然氨基酸的形式定点取代目标蛋白质上关键活性位点的天然赖氨酸,使蛋白质的活性处于“关闭“状态.利用能够高效催化“脱保护反应”的钯化合物，他们在活细胞内实现了蛋白质侧链的原位脱保护反应（Prｏｃ-赖氨酸向天然赖氨酸的转化）,使该蛋白质重新回到“开启”状态,实现“原位”激活。这一策略的优势在于将非天然氨基酸直接插入了目标蛋白质酶的催化活性位点,使其处于完全“关闭”的状态；而在激活过程中只要产生少量的处于“开启"状态的蛋白质就足以对其功能及相关生物学功能进行研究.利用这一技术，他们深入研究了一种细菌三型分泌系统的毒素效应蛋白OspＦ（磷酸丝氨酸裂解酶）对宿主细胞内的胞外信号调节激酶（Erk)参与的信号转导通路的影响,并证明了该方法可作为普适性平台，为活细胞及活体内的生物大分子激活提供了新的策略和工具。2基于蛋白质和多肽的研究李艳梅课题组长期致力于化学合成糖肽疫苗和免疫学研究，取得了一系列成果.现阶段化学合成疫苗的研究主要存在两大问题:一是需要寻找有效的特异性抗原，以区分正常组织和病变组织，二是需要寻找疫苗体系以打破免疫耐受,促进机体免疫反应。针对第1个问题，他们以ＭＵC1糖肽为骨架,合成了具有不同糖基化修饰的肿瘤相关糖肽抗原.以牛血清白蛋白为载体，筛选表位，并研究构效关系，发现T9位苏氨酸的糖基化修饰对糖肽的免疫原性具有至关重要的影响.针对第2个问题,他们对疫苗进行了结构优化，通过T细胞表位、免疫刺激剂和自组装片段等策略提高免疫反应效果，设计合成了两组分疫苗、三组分疫苗以及自组装疫苗等一系列高效的疫苗,能够产生高强度的IｇG抗体,同时可以通过疫苗分子调节体液免疫和细胞免疫.这些疫苗产生的抗体能够结合并通过补体依赖细胞毒性作用杀死瘤细胞.该研究为进一步的疫苗研究打下了坚实的基础［１6，17］。目前，治疗癌症的主要方法仍然是化疗法。利用能够特异性靶向癌细胞的药物可以减少药物的负效应，提高癌症患者的治愈率.不同类型的纳米载体,如脂质体类、多聚纳米颗粒、嵌段共聚物胶团和树枝状高分子，常用于抗癌药物的靶向性释放。为了更大地提高抗癌药物的特异性释放效率，多种方法被相继开发,例如,将叶酸配体引入纳米载体引导药物靶向癌细胞的特定部位，将对生理特性的环境敏感分子(酸度敏感分子、温控分子以及特定酶响应分子）引入纳米载体用于体内特定环境的释放。刘克良等[18］制备了外围为疏水性含有叶酸修饰的聚乙二醇（PEG)而核心为超顺磁性Fｅ3O４的纳米药物载体,并展示了该组装体细胞内酸性环境定点释放ADＲ药物的功能。非共价作用力是维持蛋白三维结构的重要因素，小型多肽因结构小和非共价相互作用位点少而难以形成稳定的三维空间结构.他们[１9～２１]利用多肽间相互作用催化分子间硫酯的胺解，制备了新型的共价偶联的６HＢ多肽分子,并在多种条件下展示均具有高的热稳定性.该策略为稳定多肽的三维结构提供了新的思路。化学方法能够实现原子水平精确控制蛋白质的序列和结构,是获取特定修饰的生物体系难以表达的蛋白质的一种重要手段。当前使用最为广泛的技术是以硫酯为合成子的自然化学连接反应。然而，多肽硫酯因其高度的热不稳定性和反应活性而不容易采用目前最为广泛使用的Fmoｃ固相合成技术合成。刘磊等[２2]利用烯胺的水解反应,基于所提出的溶液中分子内从Ｎ到Ｓ不可逆酰基迁移制备硫酯的策略,以多肽酰胺为底物，实现了Fｍoc固相合成硫酯。基于酰肼能够在弱酸性条件下被亚硝酸转化为酰基叠氮的特征，刘磊等发展了以多肽酰肼为结构单元的合成蛋白质的多肽酰肼连接技术［23],结合保护基Tbeoc实现了全收敛酰肼连接制备蛋白质［２4］,并结合非天然氨基酸嵌入技术发展出蛋白质半合成的新策略[2５]。抑制病变蛋白Aβ聚集及解聚已成为治疗阿尔茨海默症(AＤ）的重要手段，受到人们的广泛关注。大多数报道的Aβ抑制剂是有机小分子或肽.然而,这些抑制剂或不能穿透血脑屏障(BBB），或缺乏与Ａβ的识别能力，应用受到限制。能够靶向结合Aβ,进而抑制Aβ聚集的药物成为本领域目前研究的重点。利用自主设计细胞荧光筛选体系,结合化学、分子生物学、生物化学、生物物理和现代波谱学等手段，曲晓刚等发现一些特殊结构类型聚金属氧酸盐能够调控AD病变蛋白Aβ的聚集,抑制效果与聚金属氧酸盐的结构、所带电荷数及体积密切相关。研究成果作为封面文章发表在德国《Anｇew。Cｈem．Ｉｎｔ．Ed。》［２4]并被《C＆EＮNews》作为亮点给予报道.此外,他们最新研究发现,具有锌指结构的2个三螺旋金属超分子化合物能够有效地抑制Aβ聚集，并已获得专利授权。进一步研究表明，这2个金属超分子化合物能够特定地结合在α／β－不一致伸缩区域，抑制Aβ的细胞毒性。体内研究表明,这些化合物可改善转基因小鼠模型的空间记忆障碍,并降低脑内不溶性Aβ的水平。同时，该化合物还能解聚已经形成的Aβ聚集体。这表明金属超分子化合物不仅可以预防早期ＡD的发生，还具有缓解AＤ的作用，并已获专利授权。这将为设计和筛选金属超分子化合物作为Aβ抑制剂提供新的途径.工作作为封面文章发表在《Cｈem．Ｓci．》［27］,并被英国皇家化学会《ChｅｍｉsｔryWorld》以“新超分子阿尔茨海默症药物(NewsupｒａmoleculaｒAlzｈeｉmeｒ’ｓdrugs）”[26］为题给予亮点报道。刘扬中等［２9］开展了金属配合物抑制结核菌内的蛋白剪接功能的研究,发现结核菌内一些酶通过Inｔｅｉn的蛋白剪接被活化，抑制蛋白剪接将抑制结核菌的生长.高等生物不具有Intein，因而Intein是抗结核菌药物的理想靶点。通过体外蛋白剪接实验和细胞实验证实，顺铂在结核菌的作用靶点是Ｉnｔeiｎ蛋白。王江云课题组[30］通过扩展基因密码子，实现了具有光点击活性的非天然氨基酸环丙烯赖氨酸在哺乳动物中的基因编码。光照条件下,特异位点整合了环丙烯赖氨酸的蛋白质与小分子四唑化合物发生环加成反应,生成荧光活性基团，从而实现了时空可控的对哺乳动物细胞内蛋白特异位点的标记.此外，该课题组和陆艺课题组利用非天然氨基酸的定点插入，首次实现了用18kD的肌红蛋白模拟呼吸链中重要膜蛋白复合物细胞色素c氧化酶。该工作首次提供了细胞色素ｃ氧化酶中保守翻译后修饰Ｔyｒ—Ｈｉｓ功能的直接证据,是蛋白质设计领域的重要进展，并有望在生物能学中获得重要应用［３1］。电子传递(ET）涉及生物体内许多重要的生化过程,王江云课题组及龚为民课题组通过基因密码子扩展，实现在活细胞中编码螯合金属的非天然氨基酸3-吡唑基酪氨酸，为研究生物大分子中的光致电子转移现象以及利用生物元件实现高效可控的光致电荷分离提供了有力的工具。这为蛋白动态构象变化研究提供了新的研究手段,为利用合成生物学手段生产可再生能源提供了新的研究思路，为金属蛋白设计提供了新的工具。该项研究成果以内封面文章的形式发表于德国《Ａngｅw．Chｅm．Iｎt。Ed。》[32］。作为哺乳动物体内酸性最强的器官，胃所含的强酸性胃液（ｐH为1~3)是人和动物抵御绝大多数微生物病菌的一道天然屏障.然而，肠道病原菌能够在强酸性的胃液下存活，并进而造成肠道感染.陈鹏等[33］通过在蛋白中定点嵌入含有光交联基团的非天然氨基酸系统地捕获了一种酸性分子伴侣蛋白在酸胁迫下的“客户蛋白”，并依此阐释了大肠杆菌抵御胃酸的机理，理解大肠杆菌的抗酸性机理将极大地加深我们对这类病原菌的认识，为今后发展新型抗生素奠定基础。结果发表后《C&ENNeｗs》作了专题报道.其后，他们进一步运用非天然氨基酸编码技术成功地在肠致病性大肠杆菌、志贺氏菌及沙门氏菌中实现了光交联及叠氮非天然氨基酸的定点嵌入，为病原菌侵入宿主细胞的机理研究打下基础[34]。此外，他们结合在蛋白中定点嵌入末端为烯烃的非天然氨基酸及Thｉoｌ－ene反应，实现了药用蛋白质定点的标记及PＥG化修饰，为药用蛋白的化学改性提供了新途径[3５］。3糖化学生物学的进展寡糖化合物的合成是制约糖科学发展的瓶颈之一.叶新山等利用“糖基供体预活化”策略，将添加剂控制的立体选择性糖基化方法应用于葡萄糖和半乳糖硫苷供体的糖基化反应中，实现了路易斯酸控制的高α－立体选择性糖基化反应［36］;并将该策略成功应用于伤寒Vｉ抗原寡糖重复片段的合成［37].俞飚等对一价金催化的以糖基邻炔基苯甲酸酯为供体的糖基化方法的机理［3８］进行了深入研究，并进一步用于药用分子Digitoxｉn［39]和皂苷类化合物［４０］的合成；他们还首次实现了结构复杂的含脱氧糖单元的抗生素LandｏmyｃinA的合成[４１]。发展糖化学生物学研究的新方法至关重要。陈兴课题组[4２]报道了一种具有细胞靶向性的非天然糖代谢标记新方法。他们将非天然糖包裹在靶向性脂质体内,并通过受体介导的细胞内吞，将非天然糖传输到特定的细胞内,进入细胞的非天然糖通过糖代谢途径修饰于细胞表面聚糖上，最后可通过生物正交反应进行成像和检测.张延等［4３］建立了一种从复杂生物样品中分离富集糖基化蛋白的新方法,开发了一种具有选择性富集叠氮标记O—糖基化多肽及蛋白的炔基修饰纳米磁珠，通过炔基与叠氮基团之间的点击反应富集带有叠氮标记的糖蛋白，通过DTT及TCＥP等的还原作用将磁珠结构上的二硫键切断，从而将富集的糖蛋白从磁珠上解离,再通过SDＳ—ＰＡＧE、LC—MS等技术对这些糖基化蛋白进行鉴定。王鹏课题组与美国西北大学Mｒｋｓich教授合作［44]，发展了一种糖基转移酶快速鉴定的新方法。该方法结合了高通量基因克隆技术、无细胞蛋白表达技术、自组装单层糖芯片技术以及在线质谱分析技术，将７种糖基供体与近1０0种细胞外表达的糖基转移酶分别放到含有23种不同糖基受体的芯片上进行反应，反应后冲洗糖芯片并使用全自动的在线质谱检测系统分析结果,超过3万个的反应可在几天内完成。糖类化合物在药学上的用途一直吸引着研究者的兴趣。叶新山等[45］对肿瘤相关天然糖抗原STn进行结构修饰，发现某些经适当修饰后的抗原具有更高的免疫原性，所产生的抗体能识别天然抗原，并且与表达SＴn抗原的肿瘤细胞相作用,从而为抗肿瘤糖疫苗的研究提供了新的路径。他们［46］还设计合成了几种N－烷基二脱氧氮杂糖化合物，这些氮杂糖化合物能够抑制ConA诱导的小鼠脾Ｔ淋巴细胞的增殖；进一步研究表明，这种抑制效应源于它们对细胞因子IＦN－γ和IL－4分泌的抑制；然后进行了动物水平的皮肤移植实验,结果显示这些氮杂糖类化合物能够延长小鼠皮肤移植后皮片的存活时间。这些结果为新型免疫抑制剂的研制提供了希望。4核酸化学生物学的进展随着化学、生物学和医学研究的发展和融合，现在发现大量重大疾病,如恶性肿瘤、遗传疾病等，都与核酸相关.核酸不仅是遗传基因信息的载体,同时基因信息调控的正确与否与生命体的正常生理功能和健康与疾病有密切的联系.而且,机体受各因素影响发生基因变异到形态学或生理功能发生病变，是一个多阶段的改变累积过程.端粒DNA和端粒酶与人的寿命和癌症等疾病密切相关,已成为癌症治疗的特殊靶标。曲晓刚等［47］发现，碳纳米管可以通过稳定人端粒i-motif结构来抑制端粒酶的活性，此实验结果第一次证实单壁碳纳米管（ＳWＮT）干扰端粒功能。这为SWNT的生物医学效应和i－motifDNA的生物学重要性提供了新的认识。周翔等［48］发现G—四链体能够诱导ＤＮA链间的交换,这种高度选择性的链交换反应揭示了基因重组和DＮA修复的一种全新机制。谭铮等[49]鉴定得到了一个端粒DNA结合蛋白，该蛋白能够与端粒、端粒酶相互作用，提高端粒酶延伸端粒ＤＮA的催化活性和进行性.在DNA甲基化方面，周翔等［50]设计了系列卤代铵盐衍生物,可以高选择性识别ＤＮA链中的５—甲基胞嘧啶，这种精确的识别还可以区分5-甲基胞嘧啶和5-羟甲基、5-醛基胞嘧啶，有望融合下一代测序方法为表观遗传学的研究提供了有力的工具和新的突破。任劲松等［51］首次将适体ＤＮA同时用作介孔硅封盖试剂和癌细胞靶向试剂，结合化学疗法、光热疗法和成像于一体系，用于癌症诊断和治疗，该工作作为封面文章发表在《Adｖ．Mater．》上.他们[５2］还通过纳米金可视化的方法对微量端粒酶活性进行快速检测。这些针对mｉRNＡ、端粒酶、循环肿瘤细胞的研究对于目前癌症的快速诊断和早期预警提供了技术支撑。RNA干扰近年来一直被认为可用于新一代生物制药技术，各国政府及制药巨头投入巨大，但小核酸生物制药一直受到核酸稳定性、脱靶效应及给药性差等因素制约。梁子才、席真等［5３］通过深入研究小核酸在人血清中的稳定性,发现血清中ＲＮaseＡ具有双链RNA限制性内切酶性质，是造成小核酸血清不稳定性的主要因素,并发现对双链sｉＲNＡ中热切位点的单碱基修饰可以极大提高小核酸血清稳定性。他们进一步发现，利用普适性碱基对双链siＲNA进行单点突变,可以极大提高RNA干扰中双链siＲNA的链选择性，降低siRＮA的脱靶效应[54］。通过研究siRNA的体内不对称性选择机制而设计合成的超高效ｓｉＲNＡ可以达到pｍｏl/L级的RNA干扰活性［５5].5分析方法和手段的进展徐涛和徐平勇等在超高分辨率成像领域取得重要研究成果.近期发展的超高分辨率成像技术（Ｆ）ＰALM/STORM能够在纳米尺度展示生物分子的精确定位，是蛋白质研究和荧光成像领域的研究热点和发展趋势。然而，现有的荧光蛋白限制了当前（F）PALM/STＯＲM等超高分辨成像技术的发展和广泛应用。为了进一步完善和优化现有的超高分辨成像方法，发展具有普适性和颜色多样的新型光激活荧光蛋白（PＡFPs)至关重要。但是与传统的光不敏感荧光蛋白（比如GＦＰ,RＦP)领域相比较，可逆光转化荧光蛋白RSFP的发展较为滞后，品种较少。他们通过一种光转化荧光蛋白mＥoｓ2的随机突变，获得了一系列具有光开关功能的绿色荧光蛋白,改善了现阶段光开关荧光蛋白（RＳFP）发展滞后、品种单一的问题。其中的ｍＧｅｏｓ－M因其具有十分优异的单分子特性,有望成为替代Dronpa的新一代超高分辨率显微成像分子探针［56].此外，为了解决膜蛋白的标记问题，同时发展综合性质更佳的荧光蛋白探针,他们［５７］通过晶体结构解析和定点突变,获得了2个真正单体荧光蛋白：mEｏｓ3。1和ｍEｏs3.2.进一步的研究显示，ｍEos3具有成熟时间短、亮度高的特性.用于单分子定位时具有很高的标记密度和光子产出，在超高分辨成像中比当前所有ＰＡＦPs都表现出色。杨弋等［５8］发明了一种简单实用的光调控基因表达系统，将可以广泛应用于基础研究领域,并可能用于光动力治疗,这是我国科学家在合成生物学与光遗传学前沿领域获得重要突破。通过合成生物学的方法，他们成功开发出一种简单、稳定、容易使用的光调控基因表达系统。该系统称为LｉgｈtＯn系统，由１个光调控的转录因子和含有目的基因的转录单元构成。在蓝光存在的情况下，转录因子能够迅速被激活,从而启动目的基因的转录与表达。利用该系统在小鼠活体内进行实验，他们成功实现了红色荧光蛋白在小鼠肝脏的指定区域的光控表达。此外,他们课题组［59］还开发了一系列检测NAＤH的遗传编码荧光探针。方晓红、郭雪峰等［6０]利用具有G4构象的DNA适配体分子构建了功能化的单分子器件，实现了对凝血酶的高选择性的可逆检测，最低检测浓度可达2。6ａmol／L（～８８ag/ｍL)。与微流控技术相结合,进一步实现了对单个生物结合过程的在线检测，从而发展了一种高特异性、高灵敏度的在线生物检测的可行性技术。该方法也提供了单个蛋白质分子检测的新思路。颜晓梅等[６1]通过对噬菌体进行基因改造，构建了双砷染料－四半胱氨酸重组噬菌体体系,成功地应用于细菌的灵敏、特异检测。由于噬菌体只能在活菌中繁殖，而且重组四半胱氨酸标签中的半胱氨酸必须处于还原态才能与双砷染料牢固结合，因此可以利用细菌胞浆的还原环境，通过对重组噬菌体四半胱氨酸的检测实现死菌和活菌的区分。噬菌体入侵活的宿主菌并在其体内快速繁殖,噬菌体衣壳蛋白所表达的四半胱氨酸片段与后续加入的跨膜双砷染料结合,发出强烈的荧光，单个活细菌的信号可用流式细胞仪或荧光显微镜灵敏检测.陈鹏课题组发展了一种强酸性环境下的活细胞pＨ荧光探针［62]。由于传统的基于荧光蛋白或荧光小分子的pH探针在酸性条件下不够稳定或细胞内定位困难，无法适用于对强酸性环境下的活细胞进行探测。他们通过将酸性分子伴侣蛋白质和荧光小分子相结合,成功用于检测活体内强酸性环境的pＨ荧光探针,并分别在革兰氏阴性细菌及哺乳细胞表面做了展示.杨朝勇等［63］发展了一种基于l—ＤNA分子信标（l—ＭB)的安全、稳定、准确的细胞内的纳米温度计。根据该探针所设计的温度敏感的发夹结构和荧光共振能量转移的原理,它能够用于对活细胞内的温度进行测量,将成为一个无创、准确地获取细胞内的温度的有力工具.6化学生物学领域的部分国际研究热点和前沿以及我国科学家的贡献6。１以细胞信号转导为主线的化学生物学研究蓬勃发展在G蛋白偶联受体、TGＦ-β受体、Ｗｎt、ＮFκB等信号转导途径的分子机理及其与细胞增殖、分化、凋亡及迁移等生命活动的关系的化学生物学研究方面都取得了突破性的进展，涌现了若干高水平的研究成果。我国科学家也在急性髓系白血病（ＡMＬ）细胞凋亡的机制和治疗手段、抑制ＴGＦβ受体活性的小分子及机理研究、酸敏感离子通道的动力学行为和通道门控功能、干细胞多能性的维持机制及相应的诱导因子的发现等方面取得突破。６.2生物活性分子的合成方法取得进展在直接利用天然小分子探针的同时，科学家们还发展了高效的天然产物组合库合成方法,复杂天然糖缀合物及寡糖的化学合成方法，环肽及带有不同修饰基团的多肽的合成方法,利用合成生物学合成活性分子等。在合成生物活性小分子或生物大分子方面所取得的这些成果极大地推动了我国化学生物学的发展.6.3现代分析技术和方法在化学生物学研究中的重要性日益彰显各种原位、实时、高灵敏、高选择、高通量的新方法和新技术在国际上不断涌现，我国科学家对此也做出了巨大贡献。例如,在生物分子检测探针和生物传感器方面，发展了多种适合于实时检测活细胞中金属离子、自由基、活性氧等重要生物活性分子的光学探针，发展了细胞表面糖基和聚糖等的原位检测传感器。开发了基于化学抗体-核酸适配体的蛋白质、核酸检测新方法,药物小分子或小分子配体与蛋白质复合物结构和分子识别的质谱分析和光学检测等新方法。在单分子水平的分析检测方面,发展了能在活细胞状态监测蛋白质亚基组成和信号转导过程中蛋白质动态行为的单分子荧光成像法、分析蛋白质聚集状态的单分子荧光光谱法,以及能在细胞上实时检测配体-受体的作用力和复合物稳定性的单分子力谱法.6.4在时间与空间上对细胞内的分子过程与新陈代谢进行成像与控制的技术这些技术可为复杂生物学问题的解析提供重要的工具，是国际上的研究前沿与热点.我国科学家针对细胞代谢研究的技术瓶颈问题，发明了系列特异性检测核心代谢物NADＨ的基因编码荧光探针，实现了活细胞各亚细胞结构中对细胞代谢的动态检测与成像,不仅可为细胞、发育等基础研究提供创新方法,也为癌症和代谢类疾病的机制研究与创新药物发现提供了有力工具。在此基础上，利用合成生物学与化学生物学方法，开发出由光调控的转录因子和含有目的基因的转录单元构成的基因表达系统，为发育、神经生物学的复杂生物学问题解析提供有力研究工具。6.5计算化学和计算生物学取得明显进展计算化学与计算生物学在生命科学和药学研究中的应用在国际上受到了极大的关注。我国科学家较快地将计算化学和计算生物学应用于化学生物学研究，开展了不少开创性的研究和有特色的工作，取得了一些具有重要创新性的成果.其中,在以小分子为探针进行药物靶标预测和生物分子功能研究、生物分子模拟应用、生物网络和化学小分子对于生物系统的作用以及蛋白质设计等方面都取得了一些创新性成果.7化学生物学的发展趋势化学生物学经过十多年的发展正在成为一门具有自身特点和内涵的学科，将成为研究生命科学问题的重要手段及创新药物研究的重要工具。以下就未来化学生物学发展的趋势加以展望。７．1化学生物学的方法与技术7。1.１探针分子的发现分子探针是一类能与其他分子或者细胞结构相结合，帮助获得重要生物大分子在细胞中的定位、定量信息或进行功能研究的分子工具。７。１