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[科教] 生物检测的一个“小目标”实现了

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发表于 1-25-2017 10:51 AM | 显示全部楼层 |阅读模式

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如何快速、准确开展各类遗传性疾病、传染病、肿瘤和神经退行性疾病等重要疾病的早期检测,是千万百姓心中的愿望。

如今,一项2016年度国家自然科学二等奖的成果,向破解生物检测领域的这一“难题”前进了一小步。

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樊春海到加州大学圣巴巴拉分校Heeger教授的办公室访问

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樊春海在实验室操作自行研制的超分辨荧光显微镜


来自中科院上海应用物理研究所研究员樊春海团队的“生物分子界面作用过程的机制、调控及生物分析应用研究”,以生物传感“界面”为核心,针对生物分子在传感界面上的吸附、组装和识别过程这一关键科学问题开展工作。经过10多年时间的系统研究,不仅提出并发展了一种基于生物分子构象变化的“动态”生物传感检测新策略,通过构建一系列基于界面调控的生物传感器,实现了若干与重大疾病相关的生物分子的高灵敏、高选择性生物分析检测;而且针对健康、环境和生物安全等领域面临的重要挑战,发展了若干早期生物检测技术,对于环境和传染性疾病的监控等方面具有重要意义。

在樊春海看来,这项研究属于“生物分析化学”与“界面物理化学”交叉的基础研究。“两相交界的表界面是物质、能量交换和信号转化的场所。”他表示,“交叉”这个词贯穿于自己整个科学研究历程。

被“生物传感”吸引

生物传感器在医学诊断、食品营养、环境监测、国防工业及人类卫生保健等诸多领域均有着重要的应用潜力。很多国家把生物传感研究作为生物技术产业化的关键技术,投入了相当大的人力、物力。因此,在很大程度上,生物传感研究已经成为一个前沿研究领域。然而,如何在激烈的国际竞争中能够脱颖而出呢?

樊春海回忆,他在2000年时偶然阅读到国际权威杂志Advanced Materials关于艾伦?黑格(Alan Heeger)教授的一个专题报道。黑格在2000年因为导电高分子材料方面的开创性贡献而获得诺贝尔奖。该报道说,黑格在获奖后希望做一些以往不敢做的事,比如生物学,特别生物传感是最重要的一件事情。这使樊春海受到极大的鼓舞,鼓足勇气向黑格教授申请博士后并获得认可。

2001年8月,樊春海到加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)高分子与有机固体研究所在黑格教授指导下开展新型生物传感器的研究工作。

在黑格实验室的博士后研究,使樊春海从一个初出茅庐的年轻研究者一下进入到了学科的前沿。“黑格教授给我留下的最深印象是看问题的眼光非常开阔,而且他非常推崇学科交叉。”樊春海说。在黑格的指导下,樊春海陆续取得了一些研究进展,相关研究工作在《美国科学院院报》(PNAS)和《美国化学会志》(JACS)等权威杂志上发表。其中,他们发展出了一种新型的E-DNA电化学DNA生物传感器,论文在PNAS发表后,立刻得到了国际同行的关注和好评。例如,著名的《生物技术趋势》杂志即邀请两位权威专家连续发表两篇评论论文进行点评。相关专利还被授权给了三个生物传感器研发公司。


引入纳米技术

2003年发生的一件事情让樊春海对纳米研究产生了浓厚的兴趣。UCSB联合美国几所著名大学成立了加州纳米系统研究院,推进纳米科学的研究,他也成为这个研究院最早的一批博士后之一。

“纳米科学顾名思义是在纳米尺度上开展研究,这是一个典型的综合交叉研究领域。”樊春海介绍,中科院上海应用物理研究所在用纳米技术开展生物学研究方面非常有特色,在国际上有一定影响力。因此,樊春海在该所纳米生物学科带头人胡钧研究员的邀请下,作为中科院“百人计划”于2004年加入上海应用物理研究所。同时,在时任所长徐洪杰和副所长朱志远的支持下,樊春海很快就在所内建立了生物传感与分子机器课题组,将纳米思维引入到生物检测中,希望通过纳米技术来提升生物检测的性能。

DNA纳米技术是利用DNA分子自组装和识别能力,将其作为一种纳米材料实现精确的纳米构筑。研究中,樊春海团队通过对界面的功能设计与调控,显著提高了生物传感过程中的生物分子识别能力。他们还系统研究了生物分子在宏观及纳米尺度上与无机材料界面的相互作用,深化了对传感界面上生物分子吸附、组装和识别等过程中物理化学机理的理解;通过界面共组装精确调控了蛋白质、DNA等生物分子及细胞在宏观和纳米界面上的吸附和可控耦联,从而显著提高了生物传感过程中生物分子的识别效率,并建立了生物传感识别与生物检测性能之间的关联。

“我们希望在纳米的世界,通过一些先进的物理手段,实现如DNA等生物分子按我们的意愿堆积、编织起来,构成纳米的器件。”樊春海表示,“这个将来可能会引领新的纳米技术。”

更广泛的交叉研究

樊春海还告诉记者,他的团队不仅有机会接触到同步辐射这样先进的表征手段,更有机会组建融合物理、化学和生物于一体的多学科的研究团队。据悉,上海应用物理研究所多个课题组联合组建了物理生物学研究室,并建设了先进、完备的实验平台。团队成员李迪研究员表示:这种独特的研究氛围不仅使生物传感研究能够快速推进,而且能够拓宽更多前沿的研究方向。

而这一切,让樊春海在生物传感方面的研究越走越远,并带领研究团队取得一系列突破性的研究成果。上海应用物理研究所所长赵振堂说,樊春海团队近年来更是将体外检测的生物传感探针应用到细胞里面,大力发展细胞成像的新技术,并依托上海光源成立了生物成像中心。樊春海表示,“这使我们在多年的学科交叉之后,能够有机会回馈生命科学,为生物学研究提供新的研究手段。”

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新米人

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发表于 1-25-2017 11:50 AM | 显示全部楼层
感谢woaini分享~~~
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