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张新荣ICP-MS在生命科学领域大有用武之地

  2013年11月22日-25日,2013年国内无机及同位素质谱学学术会议在江苏昆山举行。会议中清华大学教授张新荣做了题为《ICP-MS在生命科学分析中的应用潜力》的报告,他精彩的演讲内容及**思路得到了与会人员的好评。

清华大学教授张新荣

  ICP-MS作为重要的元素分析手段,除了具有分析速度快、线性范围宽、灵敏度高等优点外,还有两个潜在的优点:一是**定量能力,一是多组分同时分析能力,张新荣认为这两个优点将有可能促使ICP-MS在生命科学领域中获得非常广泛的应用。  张新荣ICP-MS在生命科学领域大有用武之地
 

  一、ICP-MS**定量能力在生命科学领域的应用

  近年来,有很多利用ICP-MS测定生物大分子的研究,其中大多数聚焦在金属蛋白的分析。张新荣说:“尽管金属蛋白研究只是蛋白质组学研究中非常小的一部分,但是大家都知道金属蛋白虽然丰度很低,但它们是酶的重要组成部分,有着非常重要的作用,而人类对于金属蛋白的认识还远远不够。所以ICP-MS在金属蛋白研究中还可以发挥很大的作用。”

  虽然ICP-MS测定金属元素独具优势,但是对于生物分子中常见的元素 C、H、O、N等元素的测定并不是它的长项。张新荣说:“尽管如此,但是我们知道ICP-MS是很好的S、P元素分析工具。S、P是蛋白质中非常重要的元素,特别是S,每个蛋白质都含有S元素,同时S的同位素有32S、34S,那么我们利用同位素稀释法,就可以进行蛋白质**定量。”

  “做S/P比就更重要,很多癌症并不是因为基因的变化而引起蛋白质结构的变化,而是由于环境变化引起蛋白质结构的变化,比如磷酸化,利用ICP-MS我们可以从一个质谱峰明显的看出S/P比值,从而确定蛋白质磷酸化的程度。”张新荣介绍说。

  “另外As的含量也很重要,以前我们寻找生命物质是追踪S或P,没有人想到去寻找As。*近有研究发现在富As环境中竟然有生物存在,那么他们的DNA中很可能不含P而是以As作为骨架元素。大家都知道N、P、As是同族元素,所以这是很有可能的。NASA对这一发现很重视,他们讨论以前寻找外星生物是不是找错了方向,并采用ICP来测定As,寻找外星生命,在相关论文发表后,Nature上有多篇评论文章,大家认为他们的工作还不是很完善。但不管怎么说P、S、As以及其他更多的元素在生命科学中的分析非常重要,而ICP-MS是分析这些元素的一个非常好的工具。”张新荣说道。

  以上所谈主要针对ICP-MS的**定量分析能力,它还有一个非常重要的能力多元素同时分析。

  二、ICP-MS多元素同时分析能力在生命科学领域的应用

  2001年,张新荣在国际上**个发表了有关ICP-MS是将来能够取代荧光分析的重要工具的论文,目前这已成为国际上分析科学家研究的一个重要方向。

  荧光标记在目前的生命科学研究中非常重要,但也存在光漂白、有毒性等问题。张新荣说:“**分析实际是走了一个弯路,*早获得诺贝尔奖的**标记方法是放射性同位素标记法,后来由于放射性同位素对人体健康有害,所以就产生了荧光标记、酶标记,还有纳米粒子标记、量子点标记、化学发光试剂标记等方法。”

  张新荣说:“其实如果放射性同位素有危害,我们直接改用稳定同位素标记不就可以了吗,为什么还要绕这么一大圈呢。只有一个原因就是以前还没有ICP-MS,如果用稳定同位素标记,没有分析工具,但是现在我们有了。”

  “相较于荧光标记或酶联**法,ICP-MS有着突出的优势。因为我们有大量的稳定同位素可以利用,可以在一个样品中不经任何分离,同时测定经过同位素标记的10种、20种甚至30种抗体。企业家们可以关注一下,这将是一个非常重要的领域,如果能实现仪器大小和成本也同样具有优势就更好了。”

  “还有生物芯片,号称将来要在临床应用中占据重要地位。为什么要做生物芯片,因为不同的基因序列或蛋白序列,荧光分析每次只能分析一个,所以就要放在不同的位置上,如果能够在同一个位置上可以分析不同的序列,生物芯片的用处就不大了。我们曾做过一个工作,将15个不同的DNA用15个不同的稳定同位素标记,然后用ICP-MS一次分析出结果,根本不需要再用生物芯片。”

  另外,张新荣介绍说:“DVS Sciences公司的技术总监Scott Tanner在一个细胞上标记了33个稳定同位素的抗体,然后用ICP-MS测定细胞,可以对细胞中各种金属标签进行定量检测,进而得知细胞中各目标蛋白的含量,从而确定细胞的病变程度。”

  据介绍,Scott Tanner和斯坦福大学遗传学家Garry Nolan合作开发了质谱流式细胞仪,他们的研究成果发布后,立刻引起了轰动,现在美国的几家大制药公司都给他注资,认为这是未来的发展方向,荧光流式细胞仪一定会被这种质谱流式细胞仪取代。荧光流式细胞仪根本不可能在同一个细胞上同时实现33个分子的测定。据了解斯坦福大学接下来还计划在未来1-2年内实现利用ICP-MS同时测定细胞中的100个分子。

  *后,张新荣说道:“ICP-MS在生命科学领域还有许多没有人做,但我认为非常有意义值得去研究的工作,比如:DNA测序,如果利用ICP-MS测序很可能比现在的任何一种测序技术速度都快,因为无论是凝胶测序还是多道毛细管电泳测序,都是用4种荧光染料来标记,每次只能标记一个DNA。”

    “但如果我们有32个标记物,每次就可以标记8个DNA,同时测定8个样品,这样不仅速度加快,而且可以在同样的条件下进行分析,避免了毛细管电泳重复性差的问题,测定结果更准确。如果再扩大标记物的范围,我们就可以同时测定更多的样品。我们有那么多的稳定同位素,为什么非要选择荧光染料标记呢?如果这项技术取得突破,也许就可以研制出新一代的测序仪。ICP-MS在生命科学领域将有着广泛的应用前景,这些都值得我们去深思。”