化学生物学—分子成像
化学生物学中的分子探针技术
化学生物学中的分子探针技术化学生物学是化学和生物学交叉领域的一个研究方向，主要研究生物分子的结构、构象、功能及其与其他分子之间的相互作用等。
而在近几年的化学生物学领域里，分子探针技术成为了一种非常重要的实验方法。
本文主要介绍分子探针技术的相关知识，以及在化学生物学中的应用。
一、分子探针技术的概念分子探针技术，又称为分子探查技术，指的是利用分子识别，结合特异性现象和化学反应等手段，对生物体中特定结构或化学组分进行定位、测量和研究的一种实验手段。
通俗来讲，就是一种可以帮助我们找到分子的“导航仪”。
二、分子探针技术的应用分子探针技术在化学生物学中的应用非常广泛，涉及到很多领域和方面，例如：1. DNA、RNA测序分子探针技术可以通过高通量测序、原位测序等方法，对DNA、RNA的序列和拷贝数进行测定。
同时可以利用不同的标记方式对特定序列进行检测，如荧光标记、放射性标记等。
2. 药物筛选分子探针技术可以通过对药物与靶分子之间相互作用的研究，快速筛选出具有生物活性且具有潜在药物作用的化合物。
这种研究方式一般可以采用亲和层析、表面等离子共振(SPR)等技术。
3. 酶活性测定分子探针技术可以通过对酶与底物之间的相互作用，测定酶的活性和底物的含量。
例如，荧光标记底物可以通过检测荧光强度的变化，判断酶的活性及底物的浓度。
4. 细胞分子定位使用分子探针技术，可以通过荧光标记等方法，直接对生物体内的物质进行定位。
例如，可使用分子探针来成像肿瘤细胞表面的分子，以便快速接收有效信息并帮助诊断和治疗。
三、分子探针技术的类型按照标方法式的不同，可以将分子探针技术分为许多不同的类型，以下是其中常用的几种。
1. 标记分子探针标记分子探针是指使用特定标记的探针，例如荧光标记、酵素标记等，以便于检测某个分子或生物组分。
例如使用荧光标记的分子，可以发出荧光信号，从而实现对分子的定位和测量。
2. 催化分子探针催化分子探针是指通过某些特定的反应机理，实现对分子或生物组分的测量和识别。
化学生物学方法
化学生物学方法化学生物学是一门综合化学和生物学的学科，它利用化学的原理和技术方法来研究生物学问题。
化学生物学方法在生物医学、药物研发、农业和环境保护等领域具有广泛的应用。
本文将介绍几种常见的化学生物学方法。
1. 蛋白质质谱法蛋白质质谱法是一种通过测量蛋白质的质量和质量分布来研究蛋白质结构和功能的方法。
它基于质谱仪的原理，将蛋白质样品离子化并加速，然后通过质量分析，得到蛋白质的质谱图。
通过分析质谱图，可以确定蛋白质的分子量、氨基酸序列和修饰等信息，从而揭示蛋白质的结构和功能。
2. 荧光探针法荧光探针法是利用荧光探针与目标分子的相互作用而检测、定量和分析目标分子的方法。
荧光探针具有特定的荧光性质，当与目标分子结合时，荧光强度或发射波长会发生变化。
通过测量荧光信号的变化，可以获得目标分子的浓度、位置和活性等信息。
荧光探针法在药物筛选、细胞成像和生物传感器等领域得到广泛应用。
3. 聚合酶链式反应（PCR）聚合酶链式反应是一种通过体外扩增目标DNA片段的方法，它利用DNA聚合酶酶和特定引物在一系列不同温度的循环条件下，在较短的时间内实现DNA片段的指数级增加。
PCR可用于DNA分析、基因检测、疾病诊断等领域。
它具有高度敏感性和特异性，是现代生命科学研究和临床诊断的重要工具。
4. 蛋白质结构解析方法蛋白质的结构对于了解其功能和相互作用至关重要。
蛋白质结构解析方法包括X射线晶体学、核磁共振、电子显微镜等技术。
其中，X射线晶体学是最常用的方法，它通过测量蛋白质晶体对X射线的散射，得到蛋白质的三维结构。
蛋白质的结构解析对于药物研发、疾病治疗和酶工程等领域有着重要的应用价值。
5. 药物筛选方法化学生物学方法在药物研发中扮演着重要角色。
药物筛选是一种通过高通量技术筛选大量化合物，寻找具有特定生物活性的化合物的方法。
其中，高通量筛选技术包括酶活性测定、细胞活性测定和分子对接等技术。
这些方法可以高效地筛选出具有潜在药物作用的化合物，加速新药开发的过程。
单个分子成像技术的研究和应用
单个分子成像技术的研究和应用单个分子成像技术是一种非常先进的生物成像技术，能够在单个分子水平上研究生物学中的许多重要问题。
它已经成为生物领域重要的研究工具之一，被认为是生命科学领域的突破性科技之一。
单个分子成像技术的基本原理单个分子成像技术是基于单个分子自发荧光的原理研制出来的。
自发荧光是指在没有外界激发光的情况下，生物分子自身能发射荧光的现象。
利用这种现象，研究人员可以跟踪单个分子在细胞内的运动和相互作用。
对于大多数蛋白质而言，它们是没有自发荧光的。
因此，研究人员可以通过引入荧光标记的手段来实现单个分子成像的目的。
一般采用的方法是将荧光标记分子与待研究的蛋白分子进行结合，从而把荧光引入到蛋白分子中，实现单个分子成像。
单个分子成像技术的研究进展随着单个分子成像技术的不断发展，越来越多的方法被应用到实际的研究工作中。
例如，光学显微技术中的PALM技术和STORM技术，能够在细胞或组织的水平上获得高分辨率的图像；单个荧光分子跟踪技术，能够研究分子在细胞内的运动和相互作用等。
关于单个分子成像技术的应用，目前已经有很多的研究成果，下面我们对其中一些领域进行简要的介绍。
蛋白质分子的机械特性单个分子成像技术可以用来研究蛋白质分子的力学性质。
这类工作中，研究人员会在基质表面上放置一个微小的尖锐簇，然后利用光学显微镜观察单个蛋白质分子在这个簇上的运动情况，从而研究细胞介质对蛋白质分子的机械特性。
蛋白质酶的催化过程通过单个分子成像技术，研究人员能够实时地跟踪蛋白质酶酶活过程的各个环节。
例如，在研究人员的实验中，针对大肠杆菌转录酶的研究工作中，观察到了这个酶在整个催化过程中的各个状态，如绑定、解离、覆盖等。
蛋白质分子与底物的相互作用单个分子成像技术还可以用于研究蛋白质分子与底物之间的相互作用。
在这个研究领域中，研究人员可以用蛋白质标记荧光标或在表面上涂覆单个分子，然后跟踪它们之间真实的相互作用情况，这对于研究底物运动和扩散等基本问题有着重要的意义。
化学生物学研究中的分析检测方法
label-free microRNA detection using
oligonucleotide-silver nanoclusters as probe
Target
Anal. Chem. 84, 4587–4593 (2012) Biosens. Bioelectron. 41, 348-353 (2013)
22
4.核磁与活体成像
核磁共振在蛋白质研究中的应用
蛋白质结构和功能解析用分子力学计算得到蛋白质三维结构23
蛋白质动力学的研究 NMR技术可提供从ps至ms时间内蛋白质分子的运动信息
蛋白质和药物之间的相互作用 判断小分子是否与蛋白质有相互作用及作用强度
膜蛋白解析
24
磁共振成像在化学生物学中的应用
超分辨成像技术
细胞内单分子的检测方法
原子力显微镜单分子成像与单分子力谱法
重要发展方向
2. 单细胞检测
高通量单细胞分析 单细胞电化学及其它成像技术 活体成像技术
单细胞光学成像 分离技术 发展趋势
7
3. 生物质谱与质谱成像
质谱在组学研究中的应用 质谱成像技术 敞开式离子化技术 发展趋势
4. 核磁与活体成像
Anal. Chem. 84, 1452–1458 (2012) Chem. Commun. 49(9), 862-864 (2013)
30
MIT的Strano教授在Acc. Chem. Res. (2014)用一整段并引用一张原图介 绍了Biosens. Bioelectron. 2010, 26: 169，评价称鞠课题组做出了“这 个领域的一项奠基性工作”。
30
Boronic acid-functionalized magnetic carbon nanotubes for highly specific enrichment of glycopeptides
化学生物学技术在药物靶标鉴定中的应用研究
化学生物学技术在药物靶标鉴定中的应用研究药物靶标鉴定是药物研发的重要环节，它的主要目的是确定一种化合物作用的分子、细胞或生物组织中的靶标，并为药物的优化和药效评估提供支持与依据。
随着化学生物学的兴起，越来越多的化学生物学技术被应用到药物靶标鉴定中，为靶标鉴定提供了新的思路和方法，进一步推动了药物研发的进程。
一、化学生物学技术简介化学生物学是化学和生物学的交叉学科，研究化合物在生物体内的作用和机制。
化学生物学技术是在化学和生物学的基础上发展起来的技术手段，主要包括高通量筛选、化合物合成、靶标鉴定、蛋白质工程等方面。
在药物研发中，化学生物学技术广泛应用于靶标鉴定、药效评价、药物代谢和药物安全性评价等环节。
二、化学生物学技术在药物靶标鉴定中的应用1. 质谱技术质谱技术是一种高灵敏度的分析方法，可用于检测化合物与蛋白质的结合或反应。
质谱技术可通过质谱成像分析、质谱分析和质谱测序等方法，完成化合物与蛋白质结合位点的定位和识别。
在化学生物学技术中，质谱技术广泛应用于靶标鉴定、新药发现和药效评估等方面。
2. 基因组学技术基因组学技术是研究生物基因组结构和功能的一门学科。
通过基因组学技术，可获取一些特定靶标的DNA序列信息，并推断靶标结构和功能。
在药物靶标鉴定中，基因组学技术被广泛应用于新靶标发现、靶标结构预测和靶标同源性分析等方面。
3. 细胞组学技术细胞组学技术是研究细胞层次结构和功能的一门学科。
通过细胞组学技术，可获取细胞内不同分子的定位、分布和相互作用信息，从而推断药物的作用靶标。
在药物靶标鉴定中，细胞组学技术被广泛应用于细胞信号通路和细胞代谢通路等方面。
4. 光学成像技术光学成像技术是一种非破坏性的成像方法，可对生物体内分子和细胞进行三维成像。
通过光学成像技术，可对化合物与蛋白质相互作用时产生的荧光和显微镜成像等进行分析，从而定位和识别药物作用的分子和细胞。
光学成像技术被广泛应用于活体荧光显微镜、原位药物筛选和生命物理学等方面。
化学与生物医药研究
化学与生物医药研究化学与生物医药研究是现代科学的两个重要领域，二者相辅相成，并在医药领域发挥着重要作用。
化学为生物医药研究提供了基础平台，而生物医药研究则将化学的成果应用于医药治疗和疾病研究中。
本文将介绍化学与生物医药研究的相关内容，以及二者相互合作的案例。
一. 化学在生物医药研究中的作用化学是研究物质组成、性质和变化的科学，广泛应用于生物医药研究领域。
首先，化学能够帮助科学家们了解生物体内分子的结构和功能，进而揭示生命的奥秘。
通过分析不同生物分子的结构，科学家们可以深入研究各种蛋白质、酶和药物的化学性质，并推断其在生物体内发挥的作用。
其次，化学合成技术为生物医药研究提供了重要的手段。
通过有机合成、无机合成等化学技术，科学家们可以人工合成各种药物分子，并通过改变其结构来调节药物的活性和副作用。
这有效地促进了新药的研发和创新。
最后，化学在药物设计和药物筛选中发挥着关键作用。
科学家们通过研究相关的生物分子结构和性质，设计新的药物分子，并通过化学合成技术合成药物。
此外，化学工具和方法，如高通量筛选和计算机辅助药物设计，加速了药物研究过程，为药物发现和开发提供了强大的支持。
二. 生物医药研究中的化学应用案例1. 药物研究与发现化学是药物研究与发现过程中不可或缺的一部分。
例如，科学家们通过分析靶点蛋白的结构，设计并合成了多种针对癌症、心血管疾病等疾病的新药。
此外，化学还在药物代谢和药物动力学研究中发挥重要作用，帮助科学家们了解药物在体内的转化和作用机制。
2. 分子影像学分子影像学是一种通过观察、记录和分析生物体内分子水平的成像技术。
这是一项与化学和生物医学密切相关的交叉学科。
通过应用不同的分子成像技术，如核磁共振成像（MRI）、正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT），科学家们可以观察和研究生物体内的分子结构、功能和代谢过程，为疾病早期诊断和治疗提供了有效手段。
3. 新型药物传递系统药物的传递系统是将药物运送到指定部位的途径和载体。
化学生物学中的研究方法与技术
药物靶点预测
预测药物作用的靶点
药物分子模拟
01
利用计算方法模拟药物分子的结构和性质
02
药物网络分析
分析药物在药效和副作用方面的关系
药物分子筛选 04
03
筛选具有潜在药用价值的分子
● 04
第四章 化学生物学成像技术
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● 06
第六章 概述与展望
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有效减少实验结果偏差
02 随机分组实验
随机性保证实验结果的可靠性
03 交叉实验设计
比较不同处理方法的效果
成像技术对比
X射线晶体学
高分辨率 适用于固体样品
01 04
电子显微镜
高放大倍数 观察细胞结构
02
原子力显微镜
原子分辨率
03
表面形貌分析
● 02
第2章 分子生物学技术
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03
纳米材料研究中的应用
结语
化学生物学中的成像技术发展迅 速，为研究生命科学提供了强大 工具。从荧光显微镜到原子力显 微镜，不同的技术为我们提供了 不同层次和尺度的观察方式，推 动了生物学研究的进步。未来， 随着技术的不断创新，我们相信 化学生物学成像技术会为人类健 康和生命科学领域带来更多突破。
化学成像技术的原理及应用
化学成像技术的原理及应用化学成像技术是一种通过对样品进行化学反应，将其转化为可观察信号的方法。
它主要用于生物学、药学、环境科学等领域。
化学成像能够提供非常细微的样品特征，广泛应用于生物组织学、病理学、药物筛选、环境检测等领域。
一、化学成像技术的原理化学成像技术基于分子的化学反应，将各种分子标记成不同颜色或光谱，从而较好地分离和分析分子，并利用这些信号来形成图像。
这种技术适用于多种分子标记和探针，使其能够可靠地检测和鉴定生物样品中具有特殊结构和功能的分子。
常见的化学成像技术包括：光学成像、质谱成像、原子力显微镜成像等。
具体实验过程中，样品制备和样品添加探针之前存在一定的技术难点，需要敏锐的实验观察和经验丰富的科学家指导，以确保实验准确性和结果的可靠性。
二、化学成像技术的应用1. 生物组织学生物组织学是将生物样本进行镶嵌、切片、染色和成像等一系列操作，以观察组织的构建和运作方式。
化学成像技术可以通过对组织进行染色和成像，较好地展现不同组织环境和相关分子和细胞构成，从而有效地识别组织的结构、组织学变化和病理变化，有助于生物体的研究。
2. 药物筛选在药物研发过程中，化学成像技术可以通过非接触筛选分子样品，筛选分子生物活性，节约实验成本和时间，提高研发效率。
这种方式可以提高药物研发过程的准确性和相关性，为药物研发提供支持。
3. 环境科学在环境科学领域，化学成像技术可以用于环境的广泛检测。
能够简单实施场测，并依据化学物的定量和鉴定来确定含量，有效地提高污染物监测精度。
这种方式可以为环保决策提供支持，促进环境保护工作的开展。
三、总结综上所述，化学成像技术在分子分析、组织学、药物研发和环境监管等方面经过多年的发展，得到了广泛的应用。
这种技术能够为人们提供更加细致到位的高质量医疗诊断、药物筛选和环境检测服务，对于推动各项科学事业和社会发展都具有重要意义。
但是化学成像技术也存在一些挑战，如可靠性、定量性、空间分辨率等，需要我们不断改进和完善。
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活性氧 探 针
氧化
32
• 检测酶活的小分子荧光探针 FRET探针（1-10nm）
33
• 用于细胞结构成像的小分子探针 细胞器识别基团+荧光团
(CH3CH2)2N
N(CH3CH2)2Cl
O CH3(CH12)17O
与生物膜结合时，荧光团露在水 相中，烷基尾巴插入脂质内部
34
（2）绿色荧光蛋白 水母中发现，在蓝色波长范围的光激发下，
15
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3. 标记细菌（1） 细菌侵染研究（2） 抗生素药物 4. 基因表达和蛋白质相互作用
16
5. 转基因动物模型 （1） 基因表达 （2） 各种疾病模型
17
All Rights Reserved, Duke Medicine 2007
10.1.1 荧光产生的机制 荧光是一种光致发光的冷发光现象。 当某种常温物质经某种波长的入射光（通
常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入 激发态。电子由激发态回到基态时，会发射出 比入射光波长更长的光。
18
荧光光谱能级跃迁示意图
单重激发态
荧光
基态
磷光
19
10.1.2 荧光分子探针 组成 荧光团：决定探针的基本参数。 识别基团： 靶标分子特异结合。
重要的作用，目前使用6-甲氧基喹啉荧光团探 针检测。
SPQ
29
例子：卤素离子探针 Cl离子在细胞调控、吸收、分泌过程中起到
重要的作用，目前使用6-甲氧基喹啉荧光团探 针检测。
Cl 荧光团
猝灭
SPQ
30
• 检测活性氧的小分子荧光探针 活性氧是含氧原子的活性分子，包括氧离
子、过氧化物、自由基等。
31
线粒体
内质网
细胞膜
45
mitochondra
46
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live cell realtime
47
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D. 荧光共振能量传递（FRET）
Binding
NO bBinddiinngg
48
E. 作为生物传感器 GFP对pH和离子敏感，用于检测细胞的pH和
离子浓度。
2+
Ca
卤素
49
半胱天冬蛋白酶在细胞凋亡中的作用
50
海葵、珊瑚虫的荧光蛋白
4
医疗中的作用
临床前疾病的无创检查 制订合适的的治疗方案指导治疗 客观的评价治疗效果 加速药物开发过程
5
分子探针与体内特定研究目标结合
报告系统
定量地反映生物过程中分子水平上变化
6
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
成像模式
1
荧光分子成像
2 核磁共振分子成像
3
核素分子成像
7
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（3） 细胞凋亡
10
11
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细胞凋亡
指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞 自主的有序的死亡。去除不需要的或异常的细 胞中起着必要的作用。
细胞凋亡与细胞坏死不同，细胞凋亡不是 一件被动的过程，而是主动过程。它在生物体 的进化、内环境的稳定以及多个系统的发育中 起着重要的作用。
生物传感器
40
A. 作为报告基因检测基因表达水平
41
B. 作为融合标签 GFP可以与目的基因融合，不影响目的蛋白
的空间构象和功能，用于检测目的蛋白的定位、 迁移、分子互作、空间构象变化。
GFP
42
C. 细胞器标记
43
44
高尔基体
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• 荧光寿命 分子的激发电子停留在激发态的平均时间。
24
2. 荧光探针的分类 小分子荧光探针 荧光蛋白探针 量子点荧光探针 双光子荧光探针
25
（1）单光子小分子荧光探针 应用范围 金属离子、阴离子、活性氧、糖、核酸、 酶、细胞器、生物膜等。
26
• 检测金属离子的小分子荧光探针 由配体和荧光团组成
发出绿色荧光。
35
GFP荧光团形成机制
36
238个氨基酸组成，11个β折叠围绕1个α 螺旋形成桶状结构，结构使其稳定。 Ex=395nm Em=508nm
37
GFP6个家族
38
GFP的优点
荧光强 稳定 检测方便 可承受热、碱、长时间光照 荧光团不需辅因子和底物参与
39
GFP应用
报告基因
融合标签
20
1. 荧光探针的参数 （1）斯托克斯位移：决定灵敏度和选择性
发射波长 吸收波长
21
（2）吸收系数：度量光子吸收效率。 （3）量子产率：反映物质将吸收光转化为荧光
效率的参数，直接影响荧光强度。 （4）荧光强度：检测的灵敏度。
22
23
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第10章
分子成像
Contents
1
荧光分子成像
2 核磁共振分子成像
3
核素分子成像
2
分子影像学是医学影像技术和分子生物学、 化学、物理学、放射医学、核医学以及计算机科 学相结合的一门新的学科。
3
分子成像是指活体内生物过程在细胞和分子 水平上特征的显示，在分子水平上借助化学和生 物制剂的作用以无创伤的方式使分子成像。
12
细胞凋亡
凋亡小体
13
2. 标记病毒
（1） 病毒侵染用于观察病毒对机体的侵染过程。 （2） 基因治疗可应用荧光素酶基因作为报告基因
用于载体的构建，观察目的基因是否能够在试验 动物体内持续高效和组织特异性表达。
14
nibblet a virus engineered to express a green fluorescent protein
配体与金属离子结合
荧光团参数变化
离子信息
27
分类 • 光致电子转移探针（PET） • 光致电荷转移探针（PCT）
• 可检测的离子
K+
Na +
2+ 2+ 2+
Mg Ca Zn
28
• 检测阴离子的小分子荧光探针 生物体中大多数酶以阴离子为底物或辅因子。
例子：卤素离子探针 Cl离子在细胞调控、吸收、分泌过程中起到
10.1 荧光分子成像
优点：
灵敏度高，10-9～
-10
10 mol/L
快捷简便
费用低
相对高通量
8
应用 主要用于动物实验成像。
9
主要用途
1. 标记细胞
（1） 测量各种癌症模型中肿瘤的生长和转移， 对癌症治疗中癌细胞的变化进行实时观测。
（2） 实时观测活体动物体内干细胞造血过程的 早期事件及动力学变化。