原某国内top1 chemical biology专业的学生不请自来。
化学生物学的概念最早由美国化学家Stuart Schreiber提出,是一门上世纪末发展起来的跨学科交叉研究领域,主要通过化学,辅以物理、生物、计算机等交叉学科手段研究生命体系与生命过程。化学生物学更加偏向于化学,主要是化学方法在生物体系内的应用,许多研究会利用合成的化学探针,有些还会涉及质谱、核磁、光谱、量热等生物物理等方法;而生物化学则注重于研究生物体内的化学反应,以及构成生命的蛋白、核酸等分子,是一门历史悠久的二级学科。
Chemical biology deals with how chemistry can be applied to solve biological problems while biochemistry is the study of the chemistry of biology. In general, the chemical biology major focuses on small molecules while the biochemistry major focuses on proteins and nucleic acids.
https://www.brandeis.edu/chemistry/undergrad/chemical-biology.html
为了让大家对化学生物学有一个更详细的了解,在这里提供几个化学生物学最典型、最具有影响力的研究实例:
(1)生物正交反应与非天然氨基酸/碱基/糖
生物体内化学环境极其复杂,细胞像一个24小时不停产的化工厂,进行着各种生化反应。在这样复杂的环境下,如何引入外源分子且不干扰正常细胞工作一直是一大难题。2003年,加州大学伯克利分校的化学教授Carolyn R. Bertozzi(现就职于斯坦福大学)首次提出生物正交反应(bioorthogonal reaction)这一概念。所谓生物正交反应,就是能在生物体内进行、不干扰生物体内内源化学反应的反应。除此以外,化学家需要考虑的影响因素还有很多,比如反应速率要快、在生理条件下容易发生、选择性好等等。
最早开发的生物正交反应为Staudinger偶联反应,其反应过程如下:
叠氮和三苯基膦化合物均不存在与正常生物体内,且不与生物体内的分子反应,使得该反应具有良好的选择性。通过该反应,可将目标底物R(一般是生物分子或其衍生物)和报告基团R'共价连接,从而方便后续分析。用简单话说,就是他们开发了一套能在生物分子上贴标签的化学方法。
(2)小分子药物筛选和蛋白靶标鉴定
化学生物学中一个重要的分支是小分子药物的筛选与生物功能验证。2000年,美国Scripps研究所的Benjamin Cravatt教授首次提出了基于活性的蛋白质组学(Activity Base Protein Profiling, ABPP)这一概念,为药物筛选提供了全新思路。用上面那张钓鱼的图可以很好地理解ABPP:比如我想研究一个半胱氨酸发生的共价小分子药物(诱饵)到底作用在什么蛋白(鱼)上,那么我需要一个带有特定标签的小分子类似物探针(鱼钩)——这个类似物一般是带有叠氮/炔基或者biotin的小分子,然后我们把鱼饵扔下水,与蛋白作用,之后通过avidin磁珠或者click反应连接其他基团上去富集出来(相当于鱼线),最后以质谱或者免疫印迹等方式鉴定富集得到的蛋白。对于与靶蛋白非共价结合的小分子,一个替代方式是引入交联基团(比如常见的diazirine,在紫外照射下脱氮形成卡宾,能和邻近分子共价反应捕获作用蛋白)将非共价结合变成共价结合。