探索生命分子

Peter Nemes博士对技术的社会影响及其在推动科学发现方面的关键作用着迷。他是马里兰大学化学与生物化学系的副教授，他的研究推动了生物分析仪器及其应用的创新。

这些下一代质谱(MS)技术能够测量在发展生物系统中具有重要意义的分子。它们可以用来研究单细胞甚至整个胚胎，帮助我们理解支撑细胞和神经发育生物学、细胞命运和疾病的复杂分子系统。

188金宝搏备用最近采访了Nemes，了解他的实验室如何在发育生物学中“挖掘发现的金矿”，基于ms分析的未来可能会拥有什么，以及探索只存在几分钟的生命分子所面临的挑战。

莫莉·坎贝尔(MC):为什么从蛋白质组学/代谢组学的角度研究神经科学和发育生物学很重要，尤其是在单细胞水平上?

Peter Nemes (PN):在健康发育过程中，转录物、蛋白质和代谢物分子必须在正确的浓度、正确的时间和正确的地点产生。几十年的生物学研究主要集中在重要转录本和一些蛋白质的产生和发育意义上。然而，来自最近研究的越来越多的证据表明，在发育系统中转录物和蛋白质之间存在复杂的相关性，因此有必要对蛋白质和代谢物进行直接分析。挑战在于如何在单细胞和神经元所含的微量物质中以足够的灵敏度检测这些分子。例如，MS是这些分子的头号检测技术，它需要汇集数千到数百万个细胞，因此会丢失每个细胞的信息。

直到最近，我的实验室和其他人才建立了具有足够灵敏度的生物分析仪器，以检测单细胞和神经元中的代谢物和蛋白质。通过以单细胞分辨率测量这些分子的产生，我的实验室发现了可重复形成神经和表皮组织的干细胞与脊椎动物青蛙胚胎中的信号传导细胞以及小鼠中枢神经系统中的单个神经元之间之前未知的差异。

我们对这些分子的功能生物学研究发现，代谢物能够重编程细胞命运，扰乱信号，甚至影响整个生物体的行为。如果只在单细胞中测量转录本，这些结果就不会被揭示出来，因为我们发育中的胚胎中的转录本不一定与蛋白质，特别是代谢物相关。这个例子展示了如何整合来自化学的细胞分子状态信息，以及来自细胞/发育生物学和神经科学的功能洞察，为理解细胞在健康和疾病状态下执行的分子程序打开了令人兴奋的新可能性。

MC:你能跟我们谈谈在开发过程中基于ms的蛋白质/代谢物研究的主要挑战吗?

PN:基于ms的蛋白质组学/代谢组学在细胞/发育生物学和神经科学方面面临许多挑战——这也正是我们的化学背景在我的实验室发挥作用的地方。这些挑战大多需要仪器生物分析化学的专门工具和方法。例如，必须从小细胞中收集微量的蛋白质和代谢物，这些小细胞可能嵌入也可能不嵌入复杂组织甚至整个生物体中，如三维复杂(青蛙)胚胎。似乎这对我们来说还不够困难，开发本身对我们的实验施加了严格的时间尺度。在胚胎发育到下一个阶段之前，我们在神经发育过程中研究的细胞只存在大约15-20分钟。这意味着我们小组的成员只有几分钟的时间来收集细胞，然后它们就会“消失”很久，这意味着我们必须重新开始这项工作。

这些收集的材料必须在不损失表面、移液管尖端和小瓶等大量材料的情况下进行处理。所得到的样品中的分子必须被分离，有效电离，然后用质谱仪器鉴定和定量。

复杂的生物环境会产生成千上万的信号，对分辨率、特异性和灵敏度都有很高的要求。这些分子的浓度范围也很广，通常覆盖7到10年的动态范围。我的实验室(以及其他实验室)开发了专门的生物分析质谱平台和协议，以应对这些关键挑战。

MC:您的实验室采用跨学科的方法，通过开发下一代质谱技术来解决上述挑战。你能谈谈你最近开发的一些平台和方法吗?

PN:学生和博士后在我的实验室里非常努力地工作，开发了一些技术和方法来应对这些生物分析的挑战。我很感激他们的辛勤工作和奉献精神。

Rosemary Onjiko博士、Camille Lombard-Banek博士和Kellen Delaney博士以及博士研究生Erika Portero和Sam B Choi开发了专门的方法来手动解剖已识别的细胞/神经元或直接探测活胚胎或脑组织中的化学成分。他们精确制造了大小可伸缩的微毛细血管，以“闪电般的速度”从不同大小的单细胞和神经元中收集蛋白质和代谢物。在不到5秒钟的时间里，我们就可以收集细胞了!

该团队还定制了毛细管电泳仪器，以高分辨率分离蛋白质、多肽和代谢物，我们自制的CE电喷雾电离界面可以高效地转换这些分子。

与此同时，Choi和Zheng还引入了基于人工智能的智能策略和软件包，以超高灵敏度检测、测序、识别和量化这些生物分子。通过低原子分子到齐分子的检测下限，我们可以检测到~ 2000 +种不同的蛋白质，包括许多低丰度的转录因子，以及~100+种不同的代谢物，包括几种神经递质分子，只需采样单细胞或神经元的一部分内容。

此外，Leena Pade和Jie Li以及该组的其他成员正在开发令人兴奋的新方法来破译单个分化细胞及其克隆在发育过程中的分子变化。请继续关注我们小组即将发布的出版物，以了解这些令人兴奋的进展!

单神经元蛋白质量分析仪的研制。视频来源:UMD科学。

MC:在将这些平台/方法应用于细胞/发育生物学研究时，您获得了哪些重要的见解?

PN:“我们正在挖掘一个发现的金矿”，我和我的小组成员经常开玩笑说。自制的超灵敏质谱平台使我的团队发现了先前未知的单细胞之间的分子差异，这些单细胞可重复分化为不同类型的组织。我们还使用这些工具来描述小鼠神经系统中单神经元和单组织核的蛋白质组学含量。通过进行基于细胞命运跟踪、成像和微量注射的功能实验，我们发现了能够重新编程表皮命运细胞成为神经组织和神经细胞的代谢物反之亦然．

Portero最近发现了胚胎中相邻细胞之间的分子通信，这有助于胚胎体的模式。这些关于胚胎代谢驱动模式的发现成为细胞/发育生物学和神经科学的新篇章。我们还有多个项目，研究神经交流和记忆，听觉知觉和损伤以及包括癌症在内的各种发育异常的分子机制。

MC:在这种情况下，采用跨学科的研究方法有什么好处?

PN:通过整合化学、软件开发、生物学和神经科学，我们有一个独特的机会来更好地了解化学如何在细胞水平上驱动生物学，反之亦然，从而支持有效治疗方法的发展。

虽然科学是令人兴奋的，但能够通过我实验室的跨学科项目来培养下一代科学家，这是一件令人谦卑和非常有益的事情。实验室的几名学员来自科学、技术、工程和数学(STEM)领域传统上代表性不足的少数民族，从而成为其他人的鼓励和杰出榜样。在我实验室的任期结束时，这些有才华的年轻专业人员发展出一种自然的能力，可以在生物和化学领域进行交流。这种技能使他们能够更有效地解决当前的化学-生物问题，并提出对整个社会有重要影响的新问题。我不需要水晶球就能知道，科学的未来在这些才华横溢的科学家手中是光明的。

我不需要水晶球就能知道，科学的未来将在这些才华横溢的科学家手中光明灿烂。

MC:你能谈谈单细胞蛋白质组学和代谢组学在神经科学研究和其他研究领域的应用中仍然面临的挑战吗?

PN: 挑战如此之多，但幸运的是，由于来自许多国家和大陆的许多同事的辛勤工作，我们正在提出更多的解决方案。

在无法放大整个蛋白质组和代谢组的情况下，单细胞蛋白质组学和代谢组学取决于ms提供的检测灵敏度。虽然我的实验室和其他实验室已经取得了很大的进步，但继续开发有效的方法来通过质谱仪对这些分子进行采样、处理、分离、电离和检测，并将这些进展带给其他科学家，这将是非常重要的。

与此同时，推进软件工具从这些研究得出的多维质谱数据中提取重要信息将是至关重要的。幸运的是，这些相互关联的步骤可以在独立的实验室中解决，从而扩大了开发努力，希望将单细胞蛋白质组学和单细胞代谢组学从少数专业实验室(如我的实验室)带到“大众”。

MC:目前蛋白质组学/代谢组学研究的哪个方面最让您兴奋，您对这个领域未来的个人抱负是什么?

PN: 我很高兴看到科学和科学家在改善和推动我们共同的未来方面的重要性。让我们想想光学显微镜，质谱和基因编辑的影响。就在三个世纪前，显微镜学家兼微生物学家安东尼·范·列文虎克发明了复合显微镜，发现了神秘的“微生物”，也就是我们今天所说的微生物。他的显微镜工作开创了微生物学的先河，并在生物学的许多领域，包括现代细胞生物学、神经科学、细菌学和病毒学，掀起了一场运动。

就在20年前。约翰·芬恩(John Fenn)和田中光一(Koichi Tanaka)因其在生物MS方面的开创性工作而共同获得诺贝尔化学奖，为现代蛋白质组学和代谢组学铺平了道路。这项技术在基础生物学和应用生物学，包括临床科学中已经变得不可或缺。2020年，教授们。Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna收到因开发CRISPR-Cas9而获得诺贝尔化学奖这种基因剪刀已经彻底改变了许多细胞生物学问题的研究，并为治疗某些类型的遗传疾病带来了潜力。我对这些工具(和其他方法)的集成将带来的许多研究可能性很感兴趣，而MS将在分子分析中占据中心地位。

单细胞MS有可能帮助生物学和健康研究的许多领域发生革命性的变化。该技术能够检测蛋白质和代谢物及其定量，而不需要功能性探针(不需要抗体)。它可以扩展到单个单元和位于复杂环境中的单元的大小。单细胞质谱还可以与细胞生物学和神经科学技术相结合，从而推动新的创新。例如，在我们的实验室中，显微镜、细胞/发育生物学和神经科学工具以及基于ms的蛋白质组学和代谢组学技术的整合，导致了细胞命运改变代谢物和代谢细胞间通信的发现。

其他实验室在单细胞质谱分析领域也取得了令人振奋的进展，包括加快单细胞蛋白质组学的新技术(如nanoPOTS质谱分析)和将单细胞转录组学与单细胞蛋白质组学数据相关联的新技术(如SCoPE质谱分析)。学习使用单细胞质谱的这种类型的信息来按需生长皮肤、肝脏、肾脏等，而没有器官排斥的风险，这是多么令人着迷啊?或者通过患者的“ome”，开发适合其化学成分的下一代治疗方法!?

Peter Nemes博士接受了科技网络科学作家Molly Campbell的采访。188金宝搏备用