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身在植物化學實驗室 是不是真的冷到沒朋友?| 走進實驗室

昆明植物研究所 鞠鵬 2018-10-25

  充滿危險的世界,植物們是怎么生存下來的?它們或者憑借著強大的繁殖能力,或者依靠著變態特化的植物器官,更有高級者通過制造“化學武器”來保護自己。

  植物為了生存、繁衍或適應環境產生了各種各樣的化學物質,植物中的化學成分的“進化”拉開了自然界中各類物種的軍備競賽,“有毒”與“解毒”,“生存”與“死亡”,進化在競爭中展開。各物種的協同進化,推動了生物的不斷演化,直到今天我們見到的模樣。

 

  危險而又美麗多彩的自然是孕育植物化學成分的“搖籃”(圖片來源于網絡) 

  隱秘而偉大,這就是植物中的化學成分。而只需要點出幾個歷史的片段,就會發現它們無處不在:

  “鴉片”,來源于植物罌粟,一度影響了中國的現代史。

  “青蒿素”,來源于植物黃花蒿,抑制著非洲大陸瘧疾泛濫的功臣化合物。

  “紫杉醇”,來源于植物紅豆杉,治療腫瘤的世界知名化學成分。

  “尼古丁”,來源于煙草,讓人又愛又恨爭議最多。

  “阿司匹林”,史詩級的具有開創性的藥物。

  還有征服了世界的咖啡、茶葉、各種香料……

 

  與植物化學相關的生活用品(圖片來源于網絡) 

  我們的實驗室——植物化學與西部植物資源持續利用國家重點實驗室就是研究植物中奇妙化學成分的殿堂。

  要想了解我們實驗室,就來看看“日常三部曲”和“三個問題”吧。

 

  一間普通而又經典的植物化學實驗室 

  實驗室日常三部曲 

  那么這個奇妙的實驗室是如何開展研究的呢?按照研究階段的進行劃分可分為提取-分離-鑒定 

  提取 

  提取階段以溶劑為核心,目的是為了將物質從植物的組織中“抽提出來”,得到植物化學成分的混合物。

  這個階段看似簡單但卻與日常生活最為相關:如小餐館里各類藥材泡酒,生活中沖泡的咖啡、茶葉,甚至做菜用的各類調料,都是通過溶劑(如水)將化學成分從肉眼可見的“物質外殼”里“抽出來”。

 

  提取步驟:新鮮植物——溶劑提取(化學成分)——回收溶劑——提取浸膏 

  當然這個階段我們只能發現溶劑顏色或者氣味發生了變化,植物外形本身可能變化不大(顏色和氣味除外)。民眾對這個階段的認識不夠,也沒有有效的手段去監控,因此才有了部分不良商戶通過這個方法對藥材進行提取后再將藥渣曬干返賣給消費者的事。

  分離 

  上一步我們從植物里提取的成分其實是混合物,如來源于植物的中藥材(如甘草)通過煎煮得到一大碗棕色的“湯藥”,其中可能有數十甚至上百種化學成分。

  這時,就要利用植物中化學成分不同的性質,通過不同的填料、溶劑系統、分離方法將不同的成分從混合物中分離得到單體。

  分離階段就是把一群“樣貌各異”“骨骼清奇”并“各具特長”的化合物,通過各種“體育比賽”篩選出來,或短跑“蘇炳天”,或跨欄“劉翔”,或女排“朱婷”,并將所有參賽情況記錄下來,以便逐一找出不同特點達到明確區分的目的。

 

  分離前的化學成分                        各類分離方法 

  我們可以先對混合物“以貌取人”:先用石油醚萃取一下,比較“胖”的“親油”化合物被分組到一堆;“微胖界”的被乙酸乙酯分到一組;特別“瘦”的、沒什么脂肪的都溶解在水中聚在一起,再通過葡聚糖凝膠層析柱讓它們來個3000米跨欄跑。總之,我們通過不同的項目最終將這群“人”一一區分出來并逐一登記下它們走到“終點”的情況。

  當然也會遇到一些常見的“極端”情況:樣貌相似的孿生兄弟(手性分子),身材能力性格都差不多,通過了各個項目后還能同時到達終點。這時需要更為嚴苛的項目來仔細區分它們微小的差別,如手性分離材料、高效液相色譜,好比負重30公里越野鐵人三項,總歸能把細小的能力差別放大成距離差異,最終孿生兄弟也會先后通過終點被記錄下來。

  在這個階段,充滿了“枯燥重復而又漫長”的科學實驗,你可以看見或者檢測到各種各樣填料中那些不同的成分在“運動”中顯露出自己的本色,也可以通過各種顯色方法或者儀器檢測觀察出微觀世界的比賽進展。

  鑒定 

  鑒定階段以分析儀器檢測為核心,目的是為了對不同時間“沖過終點”的單一化學成分進行判別,比如“身高”幾許,“體重”如何,“膚白貌美”還是“骨骼清奇”。 

 

  植化界的“天眼”:各類化學成分結構信息檢測儀器 

  我們首先用核磁共振儀、質譜儀、X-晶體衍射儀、氣-質聯用儀從某一個方面檢測出這些化學成分的“外貌”信息,然后匯總信息,分析出這些化學成分外貌圖。

  然后我們需要把外貌圖和其他植物化學成分進行比對,看看它們是否也存在于其他植物里面;如果在其他植物里沒有發現過這個化合物,那么恭喜你,你可能中了大獎:在人類史上首次從植物中觀察并得到新結構的分子

  新藥研究 終極三問 

  我們探索的腳步是否就停止在“日常三部曲”呢?這些燦若星斗的分子,如繁星般綴滿我們知識的宇宙,是否只是為我們人類提供了一個美麗的幕帳呢?當然不是! 

 

  我們的“星辰大海”:來自植物的天然產物 

  它們從何而來?它們將要何去?它們可有何用? 

  如果你腦海中出現了以上三個問題,恭喜你理解了我們的學科并開始思考科學問題了。為了求知而進行研究是一種科學研究的狀態,為了求知來改善我們的生活則是另外一種。

  學科之間的交叉、衍伸、融合從沒有像今天一樣劇烈而頻繁。如果單從植物化學學科來看,系統高效地發掘植物中這些奇異的分子,研究它們的結構特點、了解它們的分布規律,本身就是一門純粹的科學。但如果將其放到新藥發現的科學研究中,它們就變成了新藥研究中源頭創新的重要一環,即為新藥的研究提供了眾多的候選分子個體

  藥理學家們通過對這些化學成分進行細胞篩選、動物體內篩選、志愿者體內篩選、病患者臨床試驗,一步步把這些具有“治療效果”(生物活性)的化合物篩選出來,再通過化學家的修飾甚至合成,制造出我們日常使用的藥品來。

  如果把疾病看作一把鎖,打開這個鎖就表示治愈。那么這些化學分子就是一把把的鑰匙,有的齒孔不對根本打不開(無效),有的可能齒孔基本能對得上,需要化學家再打磨一下齒孔(修飾一下結構)。比如本實驗室研究的“抗抑郁癥天然藥物1類新藥奧生樂賽特”,其分子來源于傳統中藥,經過活性篩選、結構修飾、動物實驗后發現其治療抑郁癥效果明顯,因此獲得臨床試驗的批件,為近五年我國批準的3個1類單體天然藥物之一,也是國家重大新藥專項4個十三五重點推進的項目之一,并入選國家制造強國建設戰略咨詢委員會發布的《中國制造2025》重點領域技術路線圖。

 

  活性篩選             結構修飾 

  我們就是這樣在浩繁的植物世界中發掘并鑒定著寶貴的天然分子,記錄著它們的信息。雖然科學的歷程總是荊棘滿路,有趣的科學實驗室重復一千遍也會變得枯燥乏味,但是我們總是記得孫漢董院士的寄語:“做研究,尤其是我們做基礎科研的一定要有坐‘冷板凳’的精神”。

  植物化學冷問答 冷到沒朋友! 

  植物隨處可見,于是就隨時有朋友問我們一些奇奇怪怪的問題,然而,我們的回答不一定能讓他們滿意…… 

 

  (圖片來源于網絡) 

  1.三、五十萬的投入?咱再聊聊 

  問:老師,我們家鄉有個植物可以治療腫瘤,你們實驗室是不是可以化驗一下?看看能不能做成藥賺錢?

  答:可以呀,但是要找到里面確定的化學成分再去做生物活性再按照國家標準做臨床試驗時間有點長哦,你等得起嗎?還要花點錢呀。

  問:要等多久?花錢沒事呀,三、五十萬的還是給得起的。

  答:前期采樣、分離鑒定時間短,運氣好大概一年半到兩年吧,后面臨床前研究稍長點也要個兩三年吧,臨床試驗時間長要七八年,拿到批件可以上市的話就比較快了。三、五十萬,是每月嗎?不錯可以的……誒,朋友別走呀,咱再聊聊,這個藥物做成的概率還是比買彩票強好幾十倍的呀……

  2.就算把杯子煮了吃下去也沒用 

  問:兒子呀,微信朋友圈在傳用紅豆杉木杯喝水可以預防和治療癌癥,是不是真的呀?

  答:老媽,首先紅豆杉是國家保護植物不能亂砍,另外它的化學成分紫杉醇也沒有預防腫瘤的效果,再者這個成分含量很低,就算把這個木頭杯子煮了吃下去這個量也非常少,達不到治療效果,況且一天一個您也消化不了呀。還是用保溫杯泡點枸杞喝喝吧,至少味道好呀。 

  3.運氣不好的不要試 

  問:最近經常熬夜加班,身體有點虛。聽朋友說附子燉排骨可以大補,還有一些民間有毒的植物也是如此,可以預防感冒,預防各類疾病都效果奇好,是真的嗎?

  答:大補不大補的我不知道,燉得不好要命可是真的。在沒有搞清楚植物里面的化學成分和生物活性之前,運氣不好的最好不要去試。還是多鍛煉身體,有規律的休息吧! 

  本文圖片除標注來源之外均為作者提供 

 

 
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