AS期刊：金屬組學(xué)邁入新時代 原子光譜大有可為
發(fā)布時間:2021-09-17 閱讀次數(shù)：939次
金屬組（metallome）的概念由英國學(xué)者Williams于2001年提出，特指細(xì)胞、器官及生物體中金屬/類金屬蛋白、酶、其他含金屬的生物分子及游離金屬/類金屬離子的集合。2002年，日本學(xué)者Haraguchi提出金屬組學(xué)（metallomics），特指系統(tǒng)研究生命體內(nèi)，特別是細(xì)胞內(nèi)自由或絡(luò)合的全部金屬/類金屬元素的含量、分布、化學(xué)種態(tài)及其功能的一門新興學(xué)科（金屬組學(xué)1.0）。
金屬組學(xué)這一概念提出后，得到了國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。自2007年開始，每兩年舉辦一次國際金屬組學(xué)研討會，交流金屬組學(xué)領(lǐng)域研究進(jìn)展。我國于2015年承辦了第5屆國際金屬組學(xué)研討會并舉辦了2008金屬組學(xué)與金屬蛋白質(zhì)組學(xué)研討會、2019及2020金屬組學(xué)研討會等。我國學(xué)者于2020年成立了北京金屬組學(xué)平臺（BMF，Beijing Metallomics Facility），以實現(xiàn)北京地區(qū)金屬組學(xué)相關(guān)科研儀器的交流共享。目前國際上已發(fā)行金屬組學(xué)專門雜志Metallomics，國內(nèi)外學(xué)者也出版了多部金屬組學(xué)專著，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《金屬組學(xué)》等（圖1）。
圖1 我國學(xué)者出版的部分金屬組學(xué)專著
金屬組學(xué)邁入多學(xué)科交叉新時代
近年來，金屬組學(xué)與納米科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、食品科學(xué)、醫(yī)學(xué)、計量科學(xué)、材料科學(xué)、考古學(xué)、古生物學(xué)、地球科學(xué)及天體科學(xué)等學(xué)科交叉，衍生了一系列金屬組學(xué)分支學(xué)科，標(biāo)志著金屬組學(xué)進(jìn)入了2.0時代（金屬組學(xué)2.0）。
納米金屬組學(xué)（nanometallomics）是金屬組學(xué)分支方向，由中國科學(xué)院高能物理研究所柴之芳、高愈希、李玉鋒及國家納米科學(xué)中心陳春英等人于2010年提出，旨在系統(tǒng)研究納米材料特別是金屬相關(guān)納米材料的生物效應(yīng)。意大利學(xué)者Benetti、Sabbioni等人于2014年還進(jìn)一步提出利用納米金屬組學(xué)研究納米材料暴露對機體內(nèi)元素穩(wěn)態(tài)平衡的影響。納米金屬組學(xué)相關(guān)研究手段已成功用于納米安全性評價研究，同時也是納米毒理學(xué)研究的重要工具。
2016年，中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心江桂斌、胡立剛、何濱等人提出了環(huán)境金屬組學(xué)（environmetallomics）概念，旨在研究環(huán)境濃度下引起毒性的全部金屬及類金屬元素，特別是能夠直接或間接引起生物體內(nèi)元素穩(wěn)態(tài)失衡的全部金屬及類金屬元素。環(huán)境金屬組學(xué)也有望作為研究微塑料等新興環(huán)境污染物健康效應(yīng)的新工具。
最近，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院毛雪飛、李雪等人將金屬組學(xué)與農(nóng)業(yè)科學(xué)相結(jié)合，提出了農(nóng)業(yè)金屬組學(xué)（agrometallomics）概念，用于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源、重金屬現(xiàn)場快速檢測，研究農(nóng)業(yè)領(lǐng)域元素相關(guān)的生命活動、存在演化、富集遷移規(guī)律，對于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)測、風(fēng)險檢測與評估以及農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全控制具有重要意義。
在本期“金屬組學(xué)研究中的原子光譜方法學(xué)進(jìn)展”專輯中，我們很高興的看到更多學(xué)者將金屬組學(xué)與其他學(xué)科結(jié)合，提出了新的金屬組學(xué)分支方向。比如，中國計量科學(xué)研究院馮流星等人提出了計量金屬組學(xué)（metrometallomics）、北京朝陽醫(yī)院李慧玲等人提出了臨床金屬組學(xué)（clinimetallomics）、中國科學(xué)院高能物理研究所趙甲亭等人提出了放射金屬組學(xué)（radiometallomics）、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所汪正等人提出了材料金屬組學(xué)（matermetallomics）、中國科學(xué)院高能物理研究所馮向前等人提出了考古金屬組學(xué)（archaeometallomics）等（圖2）。
圖2 金屬組學(xué)部分分支學(xué)科及相關(guān)分析技術(shù)
值得一提的是，在材料科學(xué)領(lǐng)域，材料基因組學(xué)已成功用于新材料的研發(fā)，而汪正等人提出的材料金屬組學(xué)將系統(tǒng)研究金屬/類金屬元素在材料中的重要作用，同時也首次將金屬組學(xué)從生命科學(xué)領(lǐng)域引入了非生命科學(xué)領(lǐng)域。此外，馮向前等人利用考古金屬組學(xué)方法研究古陶瓷的產(chǎn)地、年代、著色機理以及燒制技術(shù)等，也是金屬組學(xué)在非生命科學(xué)領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一。當(dāng)然，金屬組學(xué)也有望用于系統(tǒng)研究金屬/類金屬在生命起源與演化中重要作用，這可稱作地學(xué)金屬組學(xué)（geometallomics）。進(jìn)一步而言，當(dāng)我們利用金屬組學(xué)方法探究地外生命時，可稱作天體金屬組學(xué)（astrometallomics）。
金屬組學(xué)研究中的原子光譜技術(shù)進(jìn)展
金屬組學(xué)是從原子層面研究相關(guān)科學(xué)問題，而高通量原子光譜技術(shù)正是金屬組學(xué)研究的重要工具。原子光譜和金屬組學(xué)已經(jīng)列入了國家自然科學(xué)基金委員會《化學(xué)測量學(xué)“十四五”及中長期發(fā)展規(guī)劃》的優(yōu)先研究領(lǐng)域。
近年來，同位素分析特別是非常規(guī)同位素分析方法在金屬組學(xué)研究中獲得了廣泛應(yīng)用。在本專輯中，Yuan等人報道了利用LA-MC-ICP-MS建立了礦物中鐵同位素的精確分析方法，而Beauchemin等人則利用ICP-MS開展了食物中生物可利用性鉛的溯源研究。
除商用科學(xué)儀器外，基于大科學(xué)裝置的分析方法也是金屬組學(xué)研究有力工具。在本專輯中，趙甲亭等人介紹了同步輻射技術(shù)在放射金屬組學(xué)研究中的應(yīng)用，馮向前等人介紹了利用同步輻射技術(shù)開展考古金屬組學(xué)相關(guān)工作。另外，基于中子源的繆子X-射線技術(shù)也已用于元素含量和成像分析，該技術(shù)具有無損、對輕元素敏感及深度分析等優(yōu)勢（圖2）。
金屬組學(xué)中常用的方法是開展比較金屬組學(xué)研究，即比較不同外部刺激所造成的機體金屬組差異。針對目前的新冠肺炎大流行，在本專輯中，李玉鋒、孫紅哲等人提出了利用比較金屬組學(xué)方法篩查新冠肺炎及研發(fā)藥物的思路。孫紅哲等人還發(fā)現(xiàn)一種臨床常用的抗?jié)兯幬?枸櫞酸鉍雷尼替丁可望用于治療新冠肺炎，這可以看作是醫(yī)學(xué)與金屬組學(xué)的交叉，即醫(yī)學(xué)金屬組學(xué)（medimetallomics）。
本文以封面文章和Editorial形式發(fā)表在國際老牌光譜期刊《Atomic Spectroscopy》上（2021, 42(5), 227-230; https://doi.org/10.46770/AS.2021.108），中國科學(xué)院高能物理研究所李玉鋒副研究員、香港大學(xué)孫紅哲教授為論文共同作者。
[主要參考文獻(xiàn)]
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. 李玉鋒, 孫紅哲, 陳春英, 柴之芳, 金屬組學(xué), 科學(xué)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