化学生物学的定义

化学生物学是20世纪后期发展起来的一门前沿科学,它以研究生命现象及其调控为目标,在分子水平上探索生命现象的本质和维护生命功能,即通过研究生物活性分子的结构、功能和作用,进而利用化学的理论、方法、手段和策略来解决重要的生命及生物医学问题;化学生物学是一门交叉学科,与生理学、细胞学、遗传学、生物化学、分子生物学和生物医学有着广泛的联系与交叉。

 

化学生物学的发展简史

化学生物学作为一门新的交叉前沿学科,其诞生是在现代科学高速发展的前提下,化学与生物学和医学交叉结合的必然结果。它既有独特的科学背景,又呈现出深刻的科学内涵。 自20世纪90年代开始,传统生物学研究手段和简单借鉴应用化学方法的研究策略已不能适应生命科学深入研究的需要,生物学家和化学家不得不在更高层次上密切合作。这一阶段中,科学家们在生物大分子的结构和功能上取得了令人瞩目的研究进展,特别是对基因转录调控、细胞周期和信号跨膜传导等的研究取得了突破性的进展,打破了传统学科间的界限并催化和衍生出新的分支学科。20世纪90年代初启动的旨在分子水平上破译人类所有遗传信息的人类基因组计划,将生命科学推向了新的高峰。 随着分析方法和技术的突破,科学家成功绘制了人类基因组序列并提前两年完成人类基因组计划几乎所有目标。蛋白质组学和功能蛋白质组学的概念也随之被提出。功能蛋白质组指的是不同时期细胞内蛋白质的变化,比如正常细胞和异常细胞之间,细胞用药和不用药之间的蛋白质水平上的差别,这在疾病研究和药物筛选上很有意义,也是蛋白质组在应用上最具前景的方面。显然,蛋白质组学的研究任务的完成仅仅依靠生物学理论,生物化学和分子生物学技术是远远不够的,必须全方位地结合化学、生物学和医学的理论和技术。于是,利用化学的理论、手段和策略来研究生物学和医学问题的科学——化学生物学就应运而生了。

 

化学生物学研究的重要领域

1. 化学遗传学——采用小分子活性化合物作为探针,探索和控制细胞生命过程 化学遗传学作为化学生物学的重要领域,采用的方法是通过寻找能微扰细胞内过程的探针分子并对其作用模式进行解析,从而得到对复杂细胞过程的新认识。化学遗传学主要采用生物活性小分子来修饰靶蛋白并产生类似的功能。目前,该领域的研究已扩展到基因表达、细胞周期和细胞信号传导的小分子调控等几方面。

2. 调控过程中分子间的相互作用与分子识别的研究生命体内拥有大量的活性物质,它们功能基团繁多,结构复杂,作用力种类众多,构造了蛋白质、核酸和糖等生物大分子。这些大分子间的相互作用和对小分子的识别是揭开生命奥秘的关键之一。尽管众多可多科学家在该方面做了许多探索,但是许多大分子之间,小分子与大分子的作用模式、构效关系和作用机制仍然不明了,这方面的研究是当前最活跃的前沿研究领域之一。

3. 分子进化及其系统工程的研究分子进化研究的目的是探讨生命起源和化合物的生物合成途径,以了解自然界生物进化的分子机理,推动生命科学的理论研究。分子进化工程则是通过人工合成和生物表达的手段,人为地制造大量突变,按照特定的需要筛选出符合特定要求的分子,从而实现分子水平的进化模拟。这方面的研究有可能成为药物筛选与设计的新手段。目前该领域的研究尚处于起步阶段。

 

化学生物学的发展前景

化学生物学作为一个新兴的前沿交叉研究领域, 所发现和创制的新颖生物活性物质将为医学和生命科学研究提供重要的研究工具, 即用来发现和表征它们在生物体中的靶分子——对生理过程具有调控作用的蛋白质、核酸和糖复合物等生物大分子。化学生物学工作者能进一步研究生物活性小分子与生物体靶分子间的相互作用, 分子识别和信息传递,从而阐明各种生理和病理过程的分子机制, 为开发新颖药物、临床诊断、治疗及疾病预防提供新的途径。随着化学生物学研究的深入,将给结构生物学、蛋白质组学、糖化学等领域带来许多新课题,同时使它们提高到一个新的研究水平。同时,化学生物学的研究也将大大推动生物制药等高新技术产业的发展。