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化学生物学研究进展. 马 林. 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.
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化学生物学研究进展 马 林
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，揭示生命过程的秘密，并进一步从中发展出新的诊断与治疗方法或药物。
化学生物学的研究内容简单的可以分为四个大的方面：化学生物学的研究内容简单的可以分为四个大的方面： 蛋白质 酶 核酸 生物化 学功能 相 互 作 用 生物大分子 无机 有机 高分子 物质 化 学 物 质 细胞膜 信号转导 细胞凋亡 细胞周期 合成 分离 生物 学功能 生 物 转 化 纯化 分析 细胞 细胞分化 药物代谢 毒理学 医药学 学作用 动植物
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 chemistry）、 • 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。
1，化合物的高通量、快速合成、分离、分析；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。 化学遗传学方法的基本步骤
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。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。
①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-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。
②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合成。 • 液相合成法现已成功合成了三氟甲基吡啶库、α-氨基酸库、非肽基α,α-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n·m·p…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孔板),包含8排×12列小穴,每个小穴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m×n个产物的单个分子。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m×n个产物的单个分子。
③阵列合成Array Synthesis • Use parallel synthesis in a matrix format (8 x 12 array) - 20 reagents with 1 or 2 reactions gives 96 products
④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 format Reagents or wash solvents in a 96 deep-well plate Drop it in to run reactions or wash resins
2，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｡
C B D A Example 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 detection • No structural information
Quad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Quad3＋TM型。Quad UV和Quad 3＋TM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。
