有化学家曾说，从分子水平看，生命活动本质上就是一个化学过程。生命的神奇在化学中体现得淋漓尽致——100多种元素通过各种形式的排列组合组成了性质形态不同、功能迥异的物质，有的与健康密不可分，有的则和疾病和死亡相伴。从这个意义上说，化学是投射进生命奥秘迷雾中的一束光。

在依托湖南大学建设的化学生物传感与计量学国家重点实验室里，就有这样一群科研人员，他们作为设计新分子、创造新物质的“造物者”，正致力于丰富自己的“分子”工具箱，以求“精准”破译生命奥秘的密码，拨开生命规律的迷雾，让人类生活得更健康、更幸福。

2022年1月的一天，记者来到这个解析生命规律的国家重点实验室，听科研人员讲述他们的故事。

化学生物传感与计量学国家重点实验室

从识别到治疗的“精准”探索

“未来医学将从分子层面上了解、诊断、治疗疾病。谁最了解分子？当然是化学家。”在此前接受媒体采访时，中科院院士、化学生物传感与计量学国家重点实验室主任谭蔚泓曾断言，从分子角度看病、治病的时代已经到来。

而围绕“功能核酸”这个分子工具，探索重大疾病的发生发展机制，寻求重大疾病的精准识别、分子诊断和靶向治疗，是化学生物传感与计量学国家重点实验室获批建立11年来的使命目标。

功能核酸，是一类可替代传统蛋白酶及抗体，执行特定生物功能的核酸分子的统称。作为其中的典型代表，核酸适体又被称为“科学家的抗体”，具有高亲和力、高特异性、靶标范围广等特点。“核酸适体能和肿瘤细胞表面的抗原发生特异性相互作用，就像是人脸识别，在茫茫‘细胞海洋’中，不同的核酸适体只能‘锁定’特定的肿瘤细胞，这样就能做到癌症的精准识别。”谭蔚泓团队成员、化学生物传感与计量学国家重点实验室主任助理刘艳岚教授打了个形象的比喻，“人脸识别的工具越多，识别的精准度也会越高。”

基于这个原理，谭蔚泓团队首创了基于以活细胞为筛选靶标的核酸适体细胞筛选新方法（Cell-SELEX），“通过这种技术，我们已经创造了大量的核酸适体，基本相当于人工产生了300多个能识别特异细胞靶体的‘抗体’。”而这也成为癌症的超灵敏检测、分子成像、药物的靶向输送和诊疗的前提和基础。

精准的筛选识别是为了精准的诊断治疗，在这条从概念创新大楼建立到基础研究不断深入，再到推向临床应用的路上，谭蔚泓院士带领团队成员已经奋斗了十余年。

“对于许多癌症患者而言，令他们痛苦的除了病痛本身，还有很大一部分来自化疗后的副作用。因为药物在杀死癌细胞的同时，也破坏了其他细胞。”刘艳岚介绍，为此，谭蔚泓团队研发出一种能向肿瘤细胞靶向输送大量抗癌药物的DNA“纳米火车”。核酸适体构成“火车头”，可与某种特定癌细胞的膜蛋白结合，为给药系统提供“方向”和“动力”。而通过分子自组装形成的DNA结构则构成了高容量“车厢”，用于装载抗癌药物分子或其他生物试剂。这样的“火车”可精准地将药物输送至癌变区域，既避免对正常细胞的“误伤”，毒副作用也非常小，可大大减轻癌症患者化疗的身心痛苦。

除了应用于药物筛选，分子成像工具在肿瘤等重大疾病的诊疗中同样拥有广阔的应用前景。比如，当肿瘤的边缘不甚清晰，肉眼无法识别时，如果有一种检测工具能为其精准“画像”，让它“亮起来”，医务人员便能借助它的“导航”直观准确地切除肿瘤。而这种分子成像工具里就有荧光探针。关于荧光探针的设计、合成及应用则是化学生物传感与计量学国家重点实验室又一个重要的研究方向。

与所有基础研究“十年磨一剑”的特性一样，这项基于荧光探针的成像技术从概念萌生到逐步成熟，也历经了十余年的探索。

此前，该技术多应用于药物高通量筛选上，但化学生物传感与计量学国家重点实验室张晓兵教授团队经过多年在荧光分析领域的沉淀后，敏锐地注意到这项技术在肿瘤成像和精准医学领域的重大意义和巨大潜力。

从2006年起，团队聚焦荧光成像探针面临的灵敏度、稳定性和精准性等关键科学问题展开科研攻关，相继提出了荧光探针分子结构调控新思路，发展了稳定性荧光探针性能调控新原理，建立双靶标激活/双模态成像新方法，并将其应用于构建高性能荧光探针和精准成像平台，为复杂体系精准成像及疾病早期诊疗奠定了重要科学基础。

近期，这项技术又有了新进展。“细胞膜具有亲水亲脂性和高流动性，这会导致传统肿瘤靶向荧光探针易从肿瘤细胞逃逸，因此难以实现肿瘤的长时间原位成像。”化学生物传感与计量学国家重点实验室赵子龙教授解释，为了攻克这个难题，张晓兵团队通过设计加筛选策略开发出了一种强疏水性、弱脂溶性的近红外固态发光染料，在此基础上构建了抗扩散探针，成功实现了肿瘤相关生物分子长达6小时的原位成像。

张晓兵直言，这个从“看似偶然中发展出的新技术”证明了基础研究从来都需要“长线思维”，“未来，这项技术还有望在前哨淋巴清扫、观察肿瘤扩散过程等领域得到应用，这是我们今后努力的方向。”

“你们会对未来治愈重大疾病抱持更乐观的态度吗？”曾有人这样问实验室的科研人员。

“这是我们的目标和信仰。”在解析生命、为人类谋求美好生活的道路上，化学生物传感与计量学国家重点实验室的科研人员一直在努力。

探索和发展化学生物传感的新原理，推动分析化学原始创新，为解决国家重大需求和科学前沿问题提供技术支撑；探索发展纳米生物学、化学生物传感、生化分析仪器、化学计量学等方向的新方法；解决复杂生命体系化学信息获取与重大疾病诊治的关键科学与共性技术问题……多方向发力，多点开花结果，实验室2003年以来获国家自然科学奖二等奖5项，国家科技进步奖二等奖1项，国家技术发明奖二等奖2项，省部级科技进步一等奖和省部级自然科学一等奖等多项奖励。

从基础到应用的双向发力

“建设11年，获得5个国家自然科学奖二等奖，这对一个国家重点实验室来说是很不容易的。”在化学生物传感与计量学国家重点实验室展示馆内，实验室副主任周一歌教授指着荣誉墙，如数家珍地介绍着。

俞汝勤院士领衔的、获2003年度国家自然科学奖二等奖的“复杂体系成分分析及波谱结构解析的化学计量学研究”利用现代分析分离技术，利用化学系统信息结构的特征，在化学计量学基础研究中取得了较深入的创新性成果；由王柯敏教授团队完成的“纳米尺度和分子水平上生物信息获取的新原理与新方法”获2011年度国家自然科学奖二等奖，构建了基于纳米技术和分子工程技术的高灵敏、高稳定、高特异性纳米探针和分子探针技术平台，解决了生物信息获取中诸多技术难题；由谭蔚泓院士团队完成的“功能核酸分子识别及生物传感新方法研究”获2014年度国家自然科学奖二等奖；潘安练教授主持的“低维半导体材料的能带结构与光子特性调控”获2019年度国家自然科学二等奖，提出了实现不同维度半导体微纳结构能带调控和异质结制备的普适方法；2021年11月，张晓兵教授团队凭借“荧光探针性能调控与生物成像应用基础研究”项目获得2020年度国家自然科学二等奖……

长长的成绩单，书写的是实验室基础研究的广度和深度。而与荣誉墙一墙之隔的展板上，实验室应用基础研究的成果也在逐渐丰厚起来。

“面向人民生命健康，以临床问题为导向开展应用研究，我们责无旁贷。”化学生物传感与计量学国家重点实验室副主任楚霞教授坦言，战略方向的调整意味着实验室将立足于基础研究和应用基础研究双向发力。

“要做中国人自己的抗癌药。”这是谭蔚泓一直以来的心愿，在核酸适体临床应用这条路上，团队已经完成了三种新药的安全评价，且已在推动进行临床试验。谭蔚泓还将功能核酸探针应用至无创产前诊断领域，开发了“基于核酸适体的全自动无创产前诊断仪”项目。“以前需要通过检查胎儿脐带细胞来做的基因测序，未来有望通过孕妇外周血来检查。”谭蔚泓研究团队利用核酸适体将有核红细胞从怀孕母亲的外周血中分离出来，分离出来后就可对有核红细胞进行基因测序，从而甄别胎儿是否存在可能的遗传病。该项目目前正在积极推进产业化进程。

包括新冠、甲流等在内的23项呼吸道病毒多重核酸检测，只需1个芯片、1次采样即可得出结果——这是一个巴掌大的黑色圆环状的微流控免疫及核酸检测芯片的作用，而基于此的微流控体外诊断试剂与芯片技术市场估值已达1亿元。这是化学生物传感与计量学国家重点实验室蒋健晖教授团队的研究成果，且已于近期准备投入量产。

针对我国长期存在抗生素使用不合理的情况，化学生物传感与计量学国家重点实验室何凤姣教授表示，团队研发的全自动血培养仪可以强化病原学的检测，提供及时、准确的检验报告，实现高效对症下药。该技术相关专利“用于血样中微生物快速检测的仪器、试剂及制备方法”作价投资1005.30万元出资占股67.02%，与深圳蓝马资本管理有限公司及关联投资机构、管理团队联合设立合资公司。该项目已于2020年注册落户长沙。

“基础研究成果如何从实验室跃上生产线，这是一个老问题，也是我们的新命题。”楚霞坦言，目前实验室的应用步子虽已迈出，但问题仍存，接下来实验室将推动加强与企业国家重点实验室与科研院校国家重点实验室的联合，积极引导实验室加强与生物医学领域高新技术企业的合作，在通往科技成果转化“最后一公里”的路上步子再迈大一些。

谭蔚泓院士（右二）指导学生科研。

从融通到交叉的快乐科研

“月球土壤能种菜吗？”“火星上能种菜吗？”国人似乎总向往着去各种星球“展示农业大国的本能”。而这听起来有些“白日梦”的想法或许真的能实现。比如化学生物传感与计量学国家重点实验室王双印教授就通过电催化手段将氮气与二氧化碳直接偶联转化成尿素，为“火星改造计划”中植物生长提供了肥料供应策略。

“电催化剂缺陷化学”是这位今年还不到40岁的年轻博导开辟的新研究方向。在王双印看来，这得益于自己的交叉学科背景。“化学、高分子、机械、物理天文，我都开展过研究。”王双印成功将物理、天文学科着重研究的等离子体技术应用于催化剂缺陷的可控构筑，并在此基础上研究了缺陷催化机制，开发了负载型催化剂的批量、普适化制备工艺，为燃料电池以及清洁能源生产等领域催化剂的应用提供了空间。

王双印的研究之路也是实验室多年坚持的发展理念。“实验室坚持走学科交叉特色发展之路，融合化学、材料学、生物医学、信息科学等多个领域，形成了从分子识别机理、化学计量学基础研究，到化学生物传感材料与器件、生化分析装置创制的融通发展体系。”谭蔚泓如是总结实验室的特色，而他自己的研究，也横跨了生命科学、理学和工学三大学科领域。

“我们招收研究生时，非常欢迎非化学学科背景的同学加入。”刘艳岚介绍道。在实验室，培养学生的交叉思维，多元化培养学生已成为常态。

“老师常常强调交叉思维，”王双印的一位博士生说，课题组的研究每隔一段时间就会开辟新方向，每到这时老师都会特意邀请权威专家学者讲座，“跟不同领域的专家深入探讨之后，能收获很多在文献或数据上没有的知识。”

“谭院士鼓励学生多元化发展，比如今后不一定从事基础科研，可以从事技术转移转化，利用自己既懂技术又懂市场的特点帮助科研人员实现成果转化等。”在化学生物传感与计量学国家重点实验室邱丽萍教授眼中，谭蔚泓总会为老师和学生长远发展考虑，“比如实验室女性教师数量多，他就邀请国内女性院士来为我们讲座，帮助我们正确对待科研压力和生活压力；学生们英语口语不好，他还会专门聘请外教，强化学生口语能力，目的是让学生今后在参加国际学术交流时能毫无障碍。”

“work hard,work smart,work together,be happy.”在化学生物传感与计量学国家重点实验室会议室的墙上，印着这样一句英文。 意思是：勤奋工作，聪明工作，团队合作，快乐人生。

“这本来是送给研究生们的科研寄语，现在早已成为实验室的科研理念和生活理念。”赵子龙笑着说，“实验失败是大概率，在失败中成长，必须有一颗强大乐观的心。这是实验室所有成员的共识。”

快乐成长，在谭蔚泓多年坚持的仪式感中就能感受到。在谭蔚泓办公室的展柜里，整齐地摆放着一排排香槟空瓶。这是每次有学生毕业时，实验室开party庆祝时喝的香槟。“他记得每一个毕业的学生，也会跟毕业的同学讲为人处世，希望他们勇敢自信，有雄心、有爱心，尽可能地给学生将来的发展提一些建议。”邱丽萍回忆道。

有雄心，坚定地围绕国家需求，扎根基础研究，将科研工作做实做强；有爱心，用科学力量真正解除病人的痛苦，切实为实现健康中国的伟大目标做贡献——对于化学生物传感与计量学国家重点实验室而言，这“两心”同样适用。