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1、化学生物学研究进展马 林姓 名职 称讲座题目池 振 国副 教 授OLED材料与器件 技术进展陈 振 兴教 授金属粉体的表面 改性及其应用容 敏 智教 授现代复合材料导 论祝 方 明教 授高分子化学前沿 科学问题匡 代 彬教 授太阳能电池的研 究与应用帅 心 涛教 授纳米医学进展马 林教 授化学生物学研究 进展 麦 堪 成教 授新材料与生活章 明 秋教 授浅谈材料科学与 工程一、化学生物学方法 20世纪80年代，随着生命科学材料科学和生物 技术等研究领域的发展，诞生了一大批边缘学 科，化学生物学就是其中之一。 化学生物学是用化学的理论研究方法和手段从 分子或亚分子水平去探索生物医学问题的一个 新
2、的研究领域。它融合了传统的天然产物化学 生物有机化学生物无机化学生物化学药物化 学晶体化学波谱学和信息化学等学科的特点 和研究方法，从更深层面去研究生命现象和生 命过程 化学与生物学的融合带来化学生物学科的形成 和快速发展，这已是不争的事实化学生物学的研究内容 化学生物学研究一般都是从对生物体的生理 或病理过程具有调控作用的小分子生物活性 物质开始，研究其结构，发现其在生物体中 的靶分子，研究这些物质与生物体靶分子的 相互作用， 进一步采用化学方法改造其结构，创制具有 某种特异性质的新颖生物活性物质，探讨其 结构与活性关系和作用机制，阐明生理或病 理过程的发生、发展与调控机制，揭示生命 过程的
3、秘密，并进一步从中发展出新的诊断 与治疗方法或药物。无机 有机 高分子 物质生物大分子合成 分离纯化 分析化 学 物 质相 互 作 用细胞动植物蛋白质 酶 核酸细胞膜 信号转导 细胞凋亡 细胞周期细胞分化 药物代谢 毒理学生物化 学功能生 物 转 化生物 学功能医药学 学作用 化学生物学的研究 内容简单的可以分 为四个大的方面： 国际学术界认为化学生物学包括： 蛋白质组学和基因组学（proteomics and genomics）、 分析技术（analytical technique）、 生物无机化学（bioinorganic chemistry）、 生物有机化学（bioorganic che
4、mistry）、 组合化学（combinatorial chemistry）、 生物高分子（biopolymer）、 生物催化与生物转化（biocatalysis and biotransformation） 、 作用机制（mechanism）、 模拟体系（model system） 下一代疗法（next generation theraoeutics）等。 化学遗传学方法的基本步骤 1，化合物的高通量、快 速合成、分离、分析； 2，生物体系的小分子调 控中，分子识别和分子 间相互作用的化学基础 研究； 3，化学遗传学-采用小 分子活性化合物作为探 针，探索和控制细胞过 程。细胞中涉及糖基化的
5、蛋白质 化 学 蛋 白 质 组 学二，化学生物学需要化学做什么？ 根据化学生物学的研究-尤其是化学遗传学或者化学基因 组学的研究方法，可以看出进行化学生物学研究首先需要 构建化合物库，小则几十种化合物，多则上万种化合物， 涉及到快速合成、快速分离分析，然后进行生物活性筛选 ；最后才能进入生物学研究阶段。其特点是： （1）化合物合成量少，一般mg级足够。 （2）化合物种数多，需要简单的合成反应，快速合成。 （3）需要快速分离纯化化合物。 （4）需要快速筛选化合物的生物活性。可见传统的合成、分离、分析方法已经无法满足 化学生物学研究的需求。 （1）当合成化合物的主体原料合成后，传统 的大烧瓶回流反
6、应，大高压釜加氢还原反应等 合成技术无法使用。 （2）由于合成的化合物量小，传统的浓缩、 蒸馏、分馏等分离技术已经不适用。 （3）由于合成的化合物数目多，传统的一个 一个的合成已经无法满足需要。 因此，化学生物学的发展自然的推动着化学合 成、分离、分析技术发进步。1，高通量合成技术 随着酶和受体作为药物治疗靶点的不断阐明，药 物自动化快速筛选方法的不断出现，筛选的效率 已非常高，但样品的来源却远远跟不上，科学家 们便把注意力转入合成大数目的化合物群，即化 合物库。组合化学应运而生。 组合化学，亦称同步多重合成化学或组合合成化 学，是一种将化学合成、组合理论、计算机辅助 设计和机械手结为一体的技
7、术，属于边缘学科。 它是在不同结构的构建模块之间以共价键系统、 反复地进行连结，从而产生一批不同的分子实体 的方法。由此，各种可以同时进行多种化合物的合成技术-高通量合成技术应运而生。 （1）组合合成技术 组合化学是在合成多肽的基础上发展起来的一项快速高 效的合成技术。早在1963年，Merrifield固相多肽合成 法就为组合化学奠定了基础，并因此获得了诺贝尔奖。 上世纪80年代中期，Geysen用96孔板在高分子链上首次 合成多肽成功，标志着组合合成的开始；此后,新固相合 成方法如相继发表；为了确定混合产物的成分,密码标记 和解密技术以及产物追踪技术也发展起来； 到了90年代初,以合成小分
8、子为主的平行单分子合成技 术发展成为组合合成的主要技术；90年代后期,组合化学 被推广应用于新材料和新型催化剂的研究。 固相合成反应 从1992年到1999年组合化学快速发展的整个阶段看,固相反 应一直占据着主要地位。这说明固相合成有其重要的优点： 它可用过量试剂使反应完全；过滤就能分离纯化产物；产物 易于提纯则更适于多步反应；另外，操作简单有利于自动化 ，因此也得以快速发展。 近年来,固相合成杂环类取得很大成功。如已成功合成烷基 四唑类衍生物、含2-氨基硫酚的杂环、四取代吡咯、 Indolizidine和Quinozidine衍生物、杂环二乙胺衍生物、5- 取代唑卟恶1,5-苯并二氮杂-2-
9、酮、大型杂环和相关芳环类、 苯并吡喃类化合物等。 固相合成对于肽合成极具优势,可也有很大弱点和诸多限制 。如,由于产物与树脂球珠相连,树脂本身的性质限制了反应 温度;因连接基团的反应敏感性,树脂与底物的连接与解离都 会增加合成路线设计难度;最后产物与树脂解离时,大量解离 剂给产物的提纯带来麻烦等。 液相合成反应 液相合成虽不如固相操作简单,但有成熟的传统 合成路线与工艺,方法也得心应手,应用广泛;对 步骤少的小分子合成有优势;液相合成混合物库 ,能提高合成速度;没有树脂负载量的影响,成本 低;反应过程中能进行产物跟踪分析等。相对于 固相来说,液相合成更适合于步骤少、结构多样 性小分子化合物库的
10、合成。 液相合成法现已成功合成了三氟甲基吡啶库、 -氨基酸库、非肽基,-二氟亚甲基磷酸库 、苯并咪唑衍生物库、1,5-二烷氧基-2,4-二硝 基苯库、多环天然产物类似物等大量化合物库。 混合-均分法 若n个底物分别与树脂珠连 接后,混合,等量分成m份,然 后分别与m个单体中的每一 个进行反应,所得产物再混 合,再把混合物分成p等份, 分别与m个单体中的每一个 进行反应,如此逐步继续, 直到反应结束,最后得到若 干化合物亚库。最终所得化 合物的总数为nmp组 成化合物库。 同步平行法 在不同的反应器内分别合成一系列单个分 子。此法既适于固相合成又适于液相合成 。通常用微滴定板(一块模制的塑料96
11、孔板 ),包含8排12列,每个装有要反 应的几毫升液体。 这种排与列的布置就能确定库化合物的结 构,即推知每一个孔中化合物的结构,此法 在库容量小时经常采用。假如一个底物S,与多个反应物R1、R2、R3、Rn反应 ,产生一个含有n个产物SR1、SR2、SR3、SRn的化合 物库；或者,若m个A1、A2、A3、Am反应物分别与n 个B1、B2、B3、Bn反应物反应,则得到mn个产物 的单个分子。阵列合成Array Synthesis Use parallel synthesis in a matrix format (8 x 12 array) - 20 reagents with 1 or 2
12、 reactions gives 96 products多针法 聚乙烯针状小棒为固相载体，先在小棒一端接 上联肽结构，另一端则固定于板上，每块板可 固定几十支平行排列的小棒，注意排列要规则 ，两针间距离适宜反应时将此板小棒头浸于 相对应滴度槽中进行缩合反应，整个过程采用 Merrifield 标准合成方法完成，最后脱去保 护基，但不从载体上切下肽链，让肽段悬挂于 树脂上可多次重复的进行活性研究。Resins attached to pins in an 8 x 12 array formatReagents or wash solvents in a 96 deep- well plateDr
13、op it in to run reactions or wash resinsEquipment forSolution Phase Organic Synthesis MicroWave Organic Synthesis 小 分 子 芯 片合成示例1合成示例2合成示例3合 成 示 例 4合 成 示 例 52，高通量分离分析技术 自动化制备高质量和足够数量的样品是进行化合 物高通量合成和生物活性高通量筛选的前提。 主要包括快速色谱 平行分离色谱 序列分离色谱 和串联色谱技术等 高通量分离技术是为了快速获 得适合高通量活性筛选的大量样品而发展起来的 自动化高效率的分离技术 利用梯度洗脱将复杂
14、样品快速分离为一系列化合 物组,使复杂样品的分离纯化速度得到很大提高 这些成分可以直接用于HTS,并且指导进一步分离 纯化 Commercial 24 & 96-well Filter PlatesRobotic TLC Plate SpottingExample TLC Plate Some Pertinent Points Analyze an entire plate (96 compounds) at once Trends are easy to spot Note similar impact of substituent change Non linearity of detec
15、tion No structural informationBDCAQuad平行快速制备色谱仪 Quad平行快速制备色谱有两种型号：4通道Quad UV和12通道Quad3TM型。Quad UV和Quad 3TM 使用Quad组分收集器，Quad UV具有可变波长的UV 检测器同时检测四种样品的紫外吸收。即可以同 时做4种不同混合物的纯化和收集。 CombiFlash OptiX 10高通 量平行分离纯化系统 Fast PSE-高通量样品处理 Fast PSE它采用多通道平行处 理的设计模式，样品处理的速度 更快，充分体现了未来压力溶剂 萃取技术的发展方向。 处理方式：一次处理六个样品 ；处理
16、时间：15min萃取六个样 品；溶剂消耗：10g样品仅需 15mL溶剂；最大操作压力： 150Bar；萃取釜体积：11mL、 22mL、33mL Fast PSE采用平行处理模式， 萃取速度更快，8小时内可完成 对200个样品的处理。 LC-UV chromatograms of four preparative HPLC purifications, each yielding 40 natural product library fractions.Chromatograms A-D show channels 1-4 in one parallel preparativeHPLC run. LC-MS (TIC) chroma
