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AS期刊:金属组学迈入新时代 原子光谱大有可为

发布时间:2021-09-17 阅读次数:87次

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金属组(metallome)的概念由英国学者Williams于2001年提出,特指细胞、器官及生物体中金属/类金属蛋白、酶、其他含金属的生物分子及游离金属/类金属离子的集合。2002年,日本学者Haraguchi提出金属组学(metallomics),特指系统研究生命体内,特别是细胞内自由或络合的全部金属/类金属元素的含量、分布、化学种态及其功能的一门新兴学科(金属组学1.0)。

 

金属组学这一概念提出后,得到了国内外学者的高度关注。自2007年开始,每两年举办一次国际金属组学研讨会,交流金属组学领域研究进展。我国于2015年承办了第5届国际金属组学研讨会并举办了2008金属组学与金属蛋白质组学研讨会、2019及2020金属组学研讨会等。我国学者于2020年成立了北京金属组学平台(BMF,Beijing Metallomics Facility),以实现北京地区金属组学相关科研仪器的交流共享。目前国际上已发行金属组学专门杂志Metallomics,国内外学者也出版了多部金属组学专著,如Nuclear Analytical Techniques for Metallomics and Metalloproteomics、Metallomics and the Cell、Metallomics: A Primer of Integrated Biometal Science、Metallomics: Recent Analytical Techniques and Applications、Metallomics: The Science of Biometals以及《金属组学》等(图1)。

 

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图1 我国学者出版的部分金属组学专著

 

金属组学迈入多学科交叉新时代

 

近年来,金属组学与纳米科学、环境科学、农业科学、食品科学、医学、计量科学、材料科学、考古学、古生物学、地球科学及天体科学等学科交叉,衍生了一系列金属组学分支学科,标志着金属组学进入了2.0时代(金属组学2.0)。

 

纳米金属组学(nanometallomics)是金属组学分支方向,由中国科学院高能物理研究所柴之芳、高愈希、李玉锋及国家纳米科学中心陈春英等人于2010年提出,旨在系统研究纳米材料特别是金属相关纳米材料的生物效应。意大利学者Benetti、Sabbioni等人于2014年还进一步提出利用纳米金属组学研究纳米材料暴露对机体内元素稳态平衡的影响。纳米金属组学相关研究手段已成功用于纳米安全性评价研究,同时也是纳米毒理学研究的重要工具。

 

2016年,中国科学院生态环境研究中心江桂斌、胡立刚、何滨等人提出了环境金属组学(environmetallomics)概念,旨在研究环境浓度下引起毒性的全部金属及类金属元素,特别是能够直接或间接引起生物体内元素稳态失衡的全部金属及类金属元素。环境金属组学也有望作为研究微塑料等新兴环境污染物健康效应的新工具。

 

最近,中国农业科学院毛雪飞、李雪等人将金属组学与农业科学相结合,提出了农业金属组学(agrometallomics)概念,用于农产品产地溯源、重金属现场快速检测,研究农业领域元素相关的生命活动、存在演化、富集迁移规律,对于农业领域农产品质量安全监测、风险检测与评估以及农产品的质量安全控制具有重要意义。

 

在本期“金属组学研究中的原子光谱方法学进展”专辑中,我们很高兴的看到更多学者将金属组学与其他学科结合,提出了新的金属组学分支方向。比如,中国计量科学研究院冯流星等人提出了计量金属组学(metrometallomics)、北京朝阳医院李慧玲等人提出了临床金属组学(clinimetallomics)、中国科学院高能物理研究所赵甲亭等人提出了放射金属组学(radiometallomics)、中国科学院上海硅酸盐研究所汪正等人提出了材料金属组学(matermetallomics)、中国科学院高能物理研究所冯向前等人提出了考古金属组学(archaeometallomics)等(图2)。

 

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图2 金属组学部分分支学科及相关分析技术

 

值得一提的是,在材料科学领域,材料基因组学已成功用于新材料的研发,而汪正等人提出的材料金属组学将系统研究金属/类金属元素在材料中的重要作用,同时也首次将金属组学从生命科学领域引入了非生命科学领域。此外,冯向前等人利用考古金属组学方法研究古陶瓷的产地、年代、着色机理以及烧制技术等,也是金属组学在非生命科学领域的重要应用之一。当然,金属组学也有望用于系统研究金属/类金属在生命起源与演化中重要作用,这可称作地学金属组学(geometallomics)。进一步而言,当我们利用金属组学方法探究地外生命时,可称作天体金属组学(astrometallomics)。

 

金属组学研究中的原子光谱技术进展

 

金属组学是从原子层面研究相关科学问题,而高通量原子光谱技术正是金属组学研究的重要工具。原子光谱和金属组学已经列入了国家自然科学基金委员会《化学测量学“十四五”及中长期发展规划》的优先研究领域。

 

近年来,同位素分析特别是非常规同位素分析方法在金属组学研究中获得了广泛应用。在本专辑中,Yuan等人报道了利用LA-MC-ICP-MS建立了矿物中铁同位素的精确分析方法,而Beauchemin等人则利用ICP-MS开展了食物中生物可利用性铅的溯源研究。

 

除商用科学仪器外,基于大科学装置的分析方法也是金属组学研究有力工具。在本专辑中,赵甲亭等人介绍了同步辐射技术在放射金属组学研究中的应用,冯向前等人介绍了利用同步辐射技术开展考古金属组学相关工作。另外,基于中子源的缪子X-射线技术也已用于元素含量和成像分析,该技术具有无损、对轻元素敏感及深度分析等优势(图2)。

 

金属组学中常用的方法是开展比较金属组学研究,即比较不同外部刺激所造成的机体金属组差异。针对目前的新冠肺炎大流行,在本专辑中,李玉锋、孙红哲等人提出了利用比较金属组学方法筛查新冠肺炎及研发药物的思路。孙红哲等人还发现一种临床常用的抗溃疡药物-枸橼酸铋雷尼替丁可望用于治疗新冠肺炎,这可以看作是医学与金属组学的交叉,即医学金属组学(medimetallomics)。

 

本文以封面文章和Editorial形式发表在国际老牌光谱期刊《Atomic Spectroscopy》上(2021, 42(5), 227-230; https://doi.org/10.46770/AS.2021.108),中国科学院高能物理研究所李玉锋副研究员、香港大学孙红哲教授为论文共同作者。

 

[主要参考文献]

1. H. Haraguchi, J. Anal. At. Spectrom., 2004, 19, 5-14.

2. S. Mounicou, J. Szpunar and R. Lobinski, Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 1119-1138

3. 李玉锋, 孙红哲, 陈春英, 柴之芳, 金属组学, 科学出版社, 北京. 2016.

4. C. Chen, Z. Chai and Y. Gao, Nuclear Analytical Techniques for Metallomics and Metalloproteomics, RSC publishing, Cambridge. 2010.

5. S. Yuan, R. Wang, J. F. W. Chan, A. J. Zhang, T. Cheng, K. K. H. Chik, Z. W. Ye, S. Wang, A. C. Y. Lee, L. Jin, H. Li, D.-Y. Jin, K. Y. Yuen, and H. Sun, Nat. Microbiol., 2020, 5, 1439-1448.

 

[原文]

Yu-Feng Li* and Hongzhe Sun, Metallomics in Multidisciplinary Research and the Analytical Advances, At. Spectrosc., 2021, 42(5), 227-230. http://doi.org/10.46770/AS.2021.108