核酸世界的寻梦者

董　平　潘孝明

梁兴国教授自本科起从事精细化工领域有机颜料的合成与改性研究，师从国内著名有机颜料专家周春隆教授，打下了扎实的化学和化工方面的基础，为他日后在核酸修饰及其功能的光调控、DNA从头合成等方面进行高水平研究提供了保障。1998年10月起，进入日本东京大学化学与生物技术系，师从分子认识化学和核酸生物化学专家小宫山真教授，从此与美丽而复杂的“核酸”世界结下了不解之缘。因其在核酸光控修饰研究方面的出色成绩，仅用两年半的时间即获得东京大学博士学位，以Studieson the photo－regulation of DNA duplex and triplex formation为题的博士论文顺利通过答辩，成为该系有史以来第一位提前半年毕业的博士生！在此期间先后获得俊道国际奖学财团、岩谷直治纪念财团、和渥美国际奖学财团奖励。

以DNA、RNA为代表的“核酸”是梁兴国教授科学研究的核心，萦绕于他的心间案头。以此为中心，研究涉及核酸的化学修饰、荧光探针的制备、各种功能（如基因表达、酶反应）的光调控、拓扑结构、核酸纳米材料、DNA的扩增与检测、DNA从头合成、核酸代谢等核酸化学及核酸生物化学等多个方面。

在核酸修饰化学方面，梁兴国教授以博士研究为起点，通过化学修饰的方法在核酸分子中导入以偶氮苯为主体结构的光致开关，首次实现了DNA双螺旋的形成和解开的可逆性、重复光控制。其原理是通过共价键形式连结在DNA主链中的偶氮苯分子在不同波长的光照条件下发生顺式和反式的光致结构变化，实现DNA双螺旋结构的形成或解离，从而实现DNA因双螺旋结构而决定的各种生理功能。梁兴国教授同其他合作者经过多年研究，已经在基因表达的光致开关、DNA三螺旋的形成、RNA双螺旋的形成、DNA聚合酶和RNA分解酶等酶反应的光调控、以及光驱动型纳米机械等方面取得了突破性的成果。他用偶氮苯修饰的光应答性DNA代替部分天然DNA，实现了分子机器的光驱动和附加功能的光调控。通过提高偶氮苯的比例，从而实现了完全的ON－OFF光控制，为Bottom－up纳米技术的研究和应用开创出了一条新思路，设计出了能够自由设计序列和3D结构的新型纳米材料。这一研究的重要意义在于巧妙地结合生物大分子核酸和人工有机合成产物各自的特点，大大突破了各自的限制，为开发新型材料提供了新的突破口。相关研究成果在Angew.Chem.Int.Ed.上被选为Hot paper，并被英国皇家学会的Chemistry World和Nature杂志以Light DNA Machine为题进行了报道（Nature，2010，464，10）。正是因为这一出色工作，其开发的光应答型DNA单体（Phosphoamiditemonomer）已经作为世界最大的DNA人工合成试剂公司－Glen Research的产品在市场上销售，世界范围内已有多个实验小组开始使用。德国慕尼黑大学的DNA纳米材料专家Simmel教授在Chemistry World上指出，“这一研究在生物药物及生物纳米技术等诸多领域应用潜力巨大”。从2009年起，梁兴国教授作为发起人之一，同日本名古屋大学，东京大学，东京工业大学以及东北大学等的二十几位纳米技术方面的中青年专家共同组织成立了日本分子机器人研究会，开辟了一个新的学术领域。

博士毕业后，梁兴国教授同东京大学和名古屋大学的同事一起，在核酸用荧光探针的制备和SNPs的可视化检测方面做了大量工作。特别是利用自己独特的逆向思维方法，提出了许多创新性的观点。例如，他最早提出了把荧光发光基团和猝灭基团直接导入DNA分子的内部，使Molecular Beacon在待检测标靶DNA不存在时的背景信号大大降低，从而显著提高了检测的灵敏度。另外，利用PNA（Peptide Nucleic Acids）不能被核酸酶分解的特性，开发出了SNPs的可视化检测方法，并被国际著名化学杂志JACS收录发表，同时获得了留日中国留学生的优秀论文奖。

梁兴国教授在科学研究上的不断突破源自于其对科学永远充满好奇和质疑。DNA的半保留复制，即DNA的生物合成需要在模板和引物的引导下完成，是众所周知的常识。但梁教授的研究发现在不加入任何DNA模板和引物的条件下，在限制性内切酶和DNA聚合酶的共同作用下，以dNTPs为原料能以极高的效率从头合成DNA，在10分钟内就可检测到生成的DNA分子。这一新奇的发现有悖于对DNA复制的传统认识！梁教授对这种DNA的从头合成的机理做了深入的探讨，提出并证明了cut－grow机制，对这一违反常规的现象进行了合理的解释。即生成的DNA重复序列可以在DNA聚合酶的作用下以自己为模板生长延长上百倍；而生成的长链DNA可以重新被限制性内切酶切成短链DNA，以作为重新生长变长的种子。这样同时进行的DNA生长和切短的循环，可以使DNA达到极为高效的级数扩增。这一机理有很强的普遍性，用多种耐热性DNA聚合酶和多种限制性内切酶都可实现这种高效的DNA合成。根据这一成果，梁兴国教授对新型DNA扩增方法的开发以及核酸的分子进化和生命的起源进行了探讨，指出在核酸的进化过程中，对核酸的破坏作用应该对大量核酸材料的积累起到了积极的作用。在没有菌类吸收分解这些核酸的情况下，核酸材料经过足够的积累和重组逐渐生成具有特殊功能的核酸序列。当具有自身复制功能和通过自身或外界的力量对核酸可以进行剪切时，生命产生的最基本条件就具备了。在生物化学领域，可以应用这一模型有效解释某些重复序列的异常增长，从而引起一些疾病的机理，以及如何分析和避免在用聚合酶扩增DNA的过程中产生非特异性扩增的问题。这一机理研究在阐明生物体内重复序列的增长以及核酸的分子进化方面有积极意义。同时，梁教授发现这一合成方式只和DNA的5'末端序列有关，因此有望实现对各种序列进行特异性扩增、相应的新型DNA扩增方法应运而生。特别是，梁教授提出了“隐形分子条形码”的概念，认为将一些核酸序列加入到一些商品中，可以快速方便地标识并检测商品的批次。已经开发出了一种基于DNA分子内标物的鉴别物品真伪技术，该技术于2015年申请获得了国家专利授权。

梁兴国教授（左一）在指导研究生实验

梁兴国教授在多年的研究中注意到用于DNA扩增的常用技术——PCR有多方面的弊端，如需要有特殊的可快速变温的仪器，难以实现大量样品的大量DNA序列的同时扩增和快速分析，而且非特异性扩增也时有发生。这促使他展开了常温特异型DNA扩增技术的研究开发工作。他借助RCA（rolling circle amplification）技术，对它进行了根本性的改进，成功实现了常温下的DNA扩增。即将待扩增的DNA（长度为100～2000 bp）直接进行特异性环化，再通过指数型RCA进行扩增。在扩增的过程中，由于环化时加入连接序列的特异性和DNA扩增时引物特异性的协同效果，再加上反应在30℃以下的常温进行，不相关的序列不能解旋成为单链，大大避免了副反应的发生。这一方法的特异性极高，在实际进行基因、病毒、生物种群检测过程中产生假阳性的几率几乎为零。这一创新技术是在DNA不变性的情况下，直接进行双链DNA的常温扩增，如果获得广泛应用，将开辟DNA扩增的新时代，这一技术已经申请获得了两项日本专利。由于这一成果在基因检测的特异性方面有了本质提高，而且不需要加热冷却循环，结合现有的DNA芯片技术，容易实现大量样品的高通量扩增与检测。因此恒温尤其是常温特异性扩增必将是未来的发展趋势，其重大意义不言而喻。

梁兴国教授（后排居中）指导的本科生团队获得国际生物分子设计大赛金奖

“生物信息时代”的到来，带来了核酸领域蓬勃发展的20年，梁教授在国外常常有感于国内在该方面的发展滞后，一直心怀回报祖国之心。2011年5月起，他作为“筑峰工程”教授全职回到中国海洋大学。在潜心科研的同时，他更加关注传道授业解惑，倾注了大量精力为国家培养自己的核酸生物化学和生物技术人才。2014年，由他指导的一队本科生研究团队（Team SeaSon），在美国哈佛大学举行的国际生物分子设计大赛（International Biomolecular Design Competition，BIOMOD）中一举夺得金奖！BIOMOD由美国哈佛大学维斯学院于2011年创办，是世界分子生物学顶级赛事，每年吸引上百名国际知名高校的大学生前往参赛。参赛的主要领域为利用DNA、RNA和蛋白质等生物分子制作生物分子机器人、生物分子逻辑门和计算，结构生物学，或者为纳米治疗领域提供技术原型。以吴广启同学为队长的来自中国海洋大学医药、食品学院等4个学院的9位同学深受神奇的核酸世界启发，一早找到梁教授展开了DNA组装奥运五环的研究，梁教授从实验方案设计开始，手把手的帮助同学们实现了神奇的DNA自组装！参赛的几位同学在比赛筹备过程中深深的爱上了核酸研究，全部以优异成绩考取了北京大学、中国科学院等知名院校的研究生！

梦想的播撒和辛勤的耕耘换来了丰硕的成果，虽然这位严格的“创业者”还觉得远远不够。回国以来，获得“国家青年千人计划”“国家自然科学基金”“山东省自然科学基金—杰出青年基金”等项目资助超过400万元。共发表高水平科技论文30篇（第一作者及通讯作者23篇），影响因子大于5的论文6篇（包括影响因子为11.3的Angew.Chem.Int.Ed.一篇和影响因子为7.5的Small一篇）。已申请“核酸纳米技术”“酶法制备小RNA”“无引物法DNA扩增及作为隐形条形码的应用”“熔点法核酸检测定量测定”“核酸预扩增技术”，“一种用于鉴别物品真伪的分子内标物及其应用”和“滚环扩增技术进行分子标识”国家发明专利7项，参与编写英文教材Food Chemistry一部和中文教材《水产品化学》一部。已培养毕业博士研究生3人、硕士研究生6人。目前，研究继续围绕“核酸分子”展开核酸代谢、病菌病毒核酸检测、物种鉴定、转基因食品检测、食品溯源、核酸纳米技术以及功能性核酸的开发等方面的研究，并取得了全新的进展。对于未来，梁教授和团队的成员们充满期待！

【作者简介】

董平，女，1980年6月生，山东青岛人。2008年6月，毕业于中国海洋大学水产品加工与贮藏工程专业，获得博士学位。后赴美国麻州大学食品科学系从事博士后研究。2010年6月回国，进入梁兴国教授团队，从事核酸消化代谢和营养评价研究。

潘孝明，男，1984年11月生，山东荣成人。2014年6月，毕业于中国海洋大学食品科学专业，获得博士学位。现在梁兴国教授团队进行博士后研究，主要从事DNA检测方面相关研究工作。

薛长湖

薛长湖，男，1964年11月生，江苏兴化人。中国海洋大学水产品加工和贮藏工程学科教授、博士生导师。分别于1984年、1987年和1990年获得中国海洋大学（原山东海洋学院、青岛海洋大学）水产品加工与贮藏工程学士、硕士和博士学位，是我国培养的第一位农学水产博士。1990年博士毕业后，留校参加教学和科研工作。2010年1月起，任中国海洋大学食品科学与工程学院院长。2004年，入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2006年，被山东省人民政府聘为水产品加工与贮藏工程学科“泰山学者”岗位特聘教授。2011年，入选教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队。2012年，被中国科协授予“全国优秀科技工作者“荣誉称号。同年，荣获“山东省先进工作者”及“青岛市劳动模范”称号。2012年8月，加入中国国民党革命委员会，现任中国国民党革命委员会中国海洋大学支部主委。系山东省政协委员，青岛市市南区人大代表。