解碼生命的利器：國家蛋白質科學研究上海設施（簡體書）

蛋白質分子是我們這顆星球*鮮明、*獨特的標誌。借助現代星際旅行和天文觀測技術，人們極目六合，求索多年，仍然未能發現第二顆擁有蛋白質的天體存在，而且這種情況即使並非永恆，也多半還要持續很長時間。作為微觀世界中復雜與多樣性的絕對王者，蛋白質分子擁有僅憑外觀就令人眩暈的空間結構，進行著任何機械裝置都難以企及的物理運轉，催化著睥睨所有化工車間的精密化學反應，而這一切都是在大不過幾納米的空間與長不過數毫秒的時間內實現的。

在生命體中，蛋白質無處不在。作為生命活動的具體執行者，蛋白質與生命信息的記錄者核酸一起，創造了草長鶯飛的多彩世界。蛋白質的研究歷程，可以說就是人類了解生命、追求健康的自我認知過程。在人類文明的初期，火的發現和利用催生了*古老的蛋白質加工技術——蛋白質加熱變性。這是人類從茹毛飲血轉向攝取熟食的革命性事件。用火燒這種在今天看來平淡無奇的烹飪方式，使得洪荒時期的人類可以獲得更容易消化吸收的能量，同時大大降低了受到有害微生物侵襲的風險，從而給予了人類適應環境的巨大優勢。可以說，這是我們*終得以走向進化頂端的關鍵一環。從那時起，人類就開始了探索蛋白質科學的偉大征途。通過發現蛋白質的化學本質、揭示蛋白質生物合成的奧秘、人工合成蛋白質、解析蛋白質的三維結構、實現蛋白質大規模生產等一系列科學研究，科學家們從蛋白質科學的必然王國一步步進入了自由王國，逐漸掌握了“蛋白質的產生—功能發揮—消亡”這一過程的機理，同時發現了蛋白質異常與多種重要疾病之間的關聯，從而鎖定了大量疾病的病因。

蛋白質研究中的每一次飛躍，依靠的都是科學家的不懈努力。儘管這些令人激動的突破發生在生命科學與醫學領域，實際上也是在全面科學探索的基礎上實現的，物理、化學、工程、計算科學等領域所形成的新技術在持續地推動著蛋白質科學的發展。如有機化學的發展使人類認識到蛋白質的本質是氨基酸的聚合鏈，X射線晶體學使蛋白質結構的研究**次進入原子分辨率時代，現代計算機性能的突飛猛進幫助科學家開始嘗試蛋白質結構的預測與動態模擬……因此，可以說一部蛋白質科學史同時也是一部人類分析儀器與技術的進化史。

隨著21世紀進入第二個十年，蛋白質科學經過長時期的積累，又一次站在了大發現與大發明即將到來的歷史大門前。如果說過去的研究工作的聚焦點在於幫助人類認識自身，那麼這一次即將出現的突破會集中在人類改變命運的成就上。隨著蛋白質在各種重大疾病中扮演的角色漸次揭示，如何利用蛋白質科學技術來改變疾病的進程成為下一個要解決的難題。與此同時，科學家認識到蛋白質異常不僅是導致疾病的原因，功能強大的蛋白質經過改造也可以成為對抗疾病的工具。多種蛋白質藥物已經嶄露頭角，成為人類對抗疾病的新型武器。目前，蛋白質藥物在全球銷量*高的十種藥物中已佔據六席，而且對抗的都是諸如癌症、風濕病等高威脅疾病，可以說是不折不扣的“重磅炸彈”。

我國的蛋白質研究起步整體晚於歐美，雖然出現過人工全合成結晶牛胰島素這樣的世界級成就，但總體而言，我們這一領域的科研長期處於跟踪和學習****國家的水平。隨著我國綜合國力逐步增強，科研投入不斷加大，科研水平迅速提升，我國的蛋白質研究也取得了長足進步。為了讓我國蛋白質科學研究事業獲得強大且持久的技術推動力量，我國投入巨資建設了國家蛋白質科學研究（上海）設施。這是集蛋白質科學技術之大成的一個大科學裝置。該裝置既有觀察蛋白質機器如何裝配的“電子之眼”，又有發揮X射線“洪荒之力”一探蛋白質精細結構的光束線站，還有見微知著記錄蛋白質“指紋”的質譜偵探儀器。凡此種種，不勝枚舉，非只言片語所能盡述。為了讓讀者一窺國家蛋白質科學研究（上海）設施之真容，我們組織本裝置專業技術人員完成了這樣一部“自畫像冊”。希望用專業但不刻板、生動而不落俗套的語言，結合精美的畫面、生動的視頻，讓讀者了解國家蛋白質科學研究（上海）設施，了解科研工作者利用它所進行的科學探索，了解蛋白質這一將冰冷的行星變成生機勃勃的生命世界的獨特物質的神奇。若能讓蛋白質科研隊伍因此而增添同行的旅者，則猶如採石得貝，我們會十分歡迎您的到來。、

新一輪科技革命正蓬勃興起，能否洞察科技發展的未來趨勢，能否把握科技創新帶來的發展機遇，將直接影響國家的興衰。21世紀，中國面對重大發展機遇，正處在實施創新驅動發展戰略、建設創新型國家、全面建成小康社會的關鍵時期和攻堅階段。科技創新、科學普及是實現國家創新發展的兩翼。科學普及關乎大眾的科技文化素養和經濟社會發展，科學普及對創新驅動發展戰略具有重大實踐意義。當代科學普及更加重視公眾的體驗性參與。“公眾”包括各方面社會群體，除科研機構和部門外，政府和企業中的決策及管理者、媒體工作者、各類創業者、科技成果用戶等都在其中。任何一個群體的科學素質相對落後，都將成為創新驅動發展的“短板”。補齊“短板”，對於提升人力資源質量，推動“大眾創業、萬眾創新”，助力創新型國家建設和全面建成小康社會，具有重要的戰略意義。科技工作者是科學技術知識的主要創造者，肩負著科學普及的使命與責任。作為國家戰略科技力量，中國科學院始終把科學普及當作自己的重要使命，將其置於與科技創新同等重要的位置，並作為“率先行動”計劃的重要舉措。中國科學院擁有豐富的高端科技資源，包括以院士為代表的高水平專家隊伍，以大科學工程為代表的高水平科研設施和成果，以國家科研科普基地為代表的高水平科普基地等。依托這些資源，中國科學院組織實施“高端科研資源科普化”計劃，通過將科研資源轉化為科普設施、科普產品、科普人才，普惠億萬公眾。同時，中國科學院啟動了“科學與中國”科學教育計劃，力圖將“高端科研資源科普化”的成果有效地服務於面向公眾的科學教育，更有效地促進科教融合。科學普及既要求傳播科學知識、科學方法和科學精神，提高全民科學素養，又要求營造科學文化氛圍，讓科技創新引領社會持續健康發展。基於此，中國科學院聯合浙江教育出版社啟動了中國科學院“科學文化工程”——以中國科學院研究成果與專家團隊為依托，以全面提升中國公民科學文化素養、服務科教興國戰略為目標的大型科學文化傳播工程。按照受眾不同，該工程分為“青少年科學教育”與“公民科學素養”兩大系列，分別面向青少年群體和 廣大社會公眾。“青少年科學教育”系列，旨在以前沿科學研究成果為基礎，打造代表國家水平、服務我國青少年科學教育的系列出版物，激發青少年學習科學的興趣，幫助青少年了解基本的科研方法，引導青少年形成理性的科學思維。“公民科學素養”系列，旨在幫助公民理解基本科學觀點、理解科學方法、理解科學的社會意義，鼓勵公民積極參與科學事務，從而不斷提高公民自覺運用科學指導生產和生活的能力，進而促進效率提升與社會和諧。未來一段時間內，中國科學院“科學文化工程”各系列圖書將陸續面世。希望這些圖書能夠獲得廣大讀者的接納和認可，也希望通過中國科學院廣大科技工作者的通力協作，使更多錢學森、華羅庚、陳景潤、蔣筑英式的“科學偶像”為公眾所熟悉，使求真精神、理性思維和科學道德得以充分弘揚，使科技工作者敢於​​探索、勇於創新的精神薪火永傳。

第一章生命活動的執行者…1

1發現蛋白質3

2了解蛋白質9

3國家蛋白質科學研究（上海）設施的建成16

4探索生命奧秘的國之利器20

第二章生命部件的智能車間…25

1神奇的“魔剪” ：基因工程技術27

2創造“神奇的分子”：蛋白質工程33

3改造“生命的小房子”：細胞工程39

4 “蛋白質軍團”的誕生：自動化克隆表達系統42

第三章看清“霧中花”…47

1核磁共振的前世今生49

2核磁共振的應用52

3核磁共振相關的諾貝爾獎54

4核磁共振在結構生物學中的應用58

第四章“慧眼”識英雄——光學顯微鏡…65

1光學顯微鏡的誕生67

2各類技術的出現對顯微鏡發展的促進作用70

3染色技術、熒光染料和免疫熒光技術、熒光蛋白72

4單光子共聚焦顯微鏡與多光子顯微鏡77

5超高分辨率顯微鏡81

6複合激光顯微鏡系統88

第五章科學之眼——電子顯微鏡…91

1電子顯微鏡的誕生93

2電子顯微 鏡的家族成員及其應用領域99

3光電聯合顯微技術105

4集成化電鏡分析系統108

第六章微觀世界的精密天平…111

1微觀世界的天平演變113

2檢測手段豐富多樣122

3技術創新人才輩出128

4各大領域大顯身手130

5建設運行碩果累累135

第七章分子世界的3D照相機…139

1 X射線晶體學144

2同步輻射光源和上海設施晶體學線站151

3晶體分析方法159

4用戶成果163

第八章望見“水中月”…165

1生命體系中的納米尺度結構167

2生物小角X射線散射169

第九章紅外線站：黑暗中的探照燈…183

1紅外光譜的發展史185

2光譜的產生：完美的耦合187

3脫穎而出：同步輻射紅外光譜191

4萬紫千紅：“探照燈”的應用196
第十章結語…203

國家蛋白質科學研究（上海）設施大事記…209