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从仪器研制与改造看生命科学行进轨迹

从仪器研制与改造看生命科学行进轨迹
基因技术的突破使生命科学发展进入了知识爆炸时代,许多新概念和新技术让人眼花缭乱。几年前人们听到的是“基因组”、“蛋白质组”、“生物工程”等名词,现在科学家在谈论“生命模块”、“人工电路基因”、“纳米粒子智能导弹”……生命科学究竟沿着怎样的路线在前进?带着这个问题,记者蕞近走进了中科院生物物理所几个实验室。

“联通”产效率

2009年蕞后一个月的蕞后几天里,一个类似齿轮的灰色金属圆形物,摆放在中科院生物物理所研究员杨福全办公室的茶几上。这是他自己设计、委托企业加工完成的一件蕞新“作品”,工厂送来刚拆封,等着他验收。

“这是我新研制的逆流色谱仪的核心部分——一种新型逆流色谱柱。我准备把它用于膜蛋白质的富集和亚细胞器的分离,进而用于膜蛋白质组学研究。”巧遇《科学时报》请他谈生物技术目前的发展态势,他顺便告诉记者。

“国际上目前有这样的仪器吗?”记者问。

“还没有,不过这个现在还需要保密。我还是给你看看另外一样东西。”

说话间,杨福全从柜子里拿出一个已经组装好的“作品”。“这是毛细管液相色谱—电喷雾质谱接口平台,是我们在中科院仪器研制和改造项目支持下,通过学习、消化和吸收,在国内设计加工的,使仪器能够适合于各种复杂程度的蛋白质样品分析。这个准备安装在新进的一套二维液相色谱—高分辨质谱系统上。”

据杨福全介绍,蛋白质组学是目前生命科学研究的热点之一。蛋白质组学技术发展很快,蛋白质组学研究竞争也异常激烈。有了基本硬件设备而又能让设备高效地工作,才能做出高水平工作。其中,现代色谱分离技术和生物质谱技术构成了蛋白质组学技术的主体。色谱—质谱系统连接的好坏直接影响整个系统的灵敏度和效率。这个接口平台就是针对商用仪器的不足而设计加工的,它与自制的毛细管液相色谱柱联合使用,不仅降低了整体设备的运行成本,更重要的是大大提高仪器系统的通量、灵敏度和效率。

2004年从美国国家卫生研究院(NIH)国立心、肺和血液研究所回国的杨福全博士,目前担任中科院生物物理研究所质谱首席技术专家,主要从事蛋白质组学新技术新方法的研究与应用。对现有仪器进行改造、研制生命科学研究领域中的新仪器设备是他目前重要的任务之一。

杨福全介绍,生物质谱技术和双向电泳、高效液相色谱(HPLC)、毛细管电泳等现代分离技术的结合,实现了多肽、蛋白质和核酸等生物大分子的高通量分析和鉴定;这些技术通过与荧光标记技术、稳定同位素标记等技术的结合,又实现了生物大分子高通量的定量分析,从而推动了蛋白质组学技术的发展,促进蛋白质组学技术在生命科学中的应用。

“实验室的仪器装备改造后,技术水平是否取得较大的提高?”记者追问。

杨福全并未直接回答记者的问题,而是打开不久前新当选的中科院院士、北京大学教授尚永丰给他写的一封电子邮件,上面写道:“过去两年我实验室的学生和工作人员在你实验室做了很多的质谱分析。这些分析对我们的研究起到了很大的作用,2009年我们发表的文章,包括在Cell、PNAS和TheEmboJournal杂志上的文章,都用了你实验室的质谱分析结果。所以,在此我想向你和你实验室的相关人员表示真挚的感谢。我几次在不同的场合说过:国内好多单位都有质谱仪,但真正能用到科研上的不多。很高兴北京有你这一家,为我和其他实验室的研究工作提供了很好的技术支持。我们实验室主要从事基因表达调控的表观遗传机制研究,今后肯定还需要你的支持和帮助。希望我们找个时间聊聊,探讨一下合作研究的可能性。”

杨福全介绍,蛋白质组学技术目前的发展趋势主要包括3个方面:高分辨、高质量精度和快速的质谱仪器的开发;高效、高选择性的样品富集技术的开发;由生物质谱技术、现代分离技术和稳定同位素标记技术等技术集成的高通量的定量蛋白质组学技术开发。因为随着蛋白质组学技术在生命科学和蛋白质科学研究中的不断深入应用,全面系统分析细胞、组织或生物体中蛋白质量的动态变化规律或绝对量的分析,已成为蛋白质组学研究的必然趋势。

“衔接”出速度

中科院生物物理所研究员刘志杰从另一个角度解说了生命科学发展对新设备的需求。这位曾参与美国东南结构基因组研究中心工作的研究员2006年回国,一直致力于改进中国生命科学的研究设备。

他说,10年前,研究人员解析一个蛋白质三维结构大约需要1~2年时间,随着新技术、新方法的发展,截至2009年12月底,全世界已解析了7万多个蛋白质分子的三维结构。这些高效率的自动化方法,主要包括高通量克隆、高速度表达纯化、蛋白质自动化结晶、自动化衍射数据收集和结构解析等。如果研究人员继续采用原有的老方式,美国于2000年启动的“结构基因组计划”根本不可能按时完成,甚至做不出其中的1/10.

目前,刘志杰在中科院生物物理研究所的蛋白质科学研究平台构建了一套高通量的从基因克隆到蛋白质结构解析的流水线。这一流水线由几个模块组成,每个模块都力争实现自动化。如第一个模块即是自动化克隆和小规模可溶性表达筛选,使用该模块可自动筛选出可溶性表达的蛋白质。

“如果使用传统方法,只能一个个地进行手工试验,不但费时费力还容易出错。现在可以一次筛选96个目标基因,很快了解哪些蛋白质在哪种条件下是可溶的。也就是说,过去需要几个月或几年完成的工作,如今一个人几天就能完成。”他说。

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