北京大学生物动态光学成像中心（Biodynamics Optical Imaging Center, BIOPIC）该中心由美国科学院院士谢晓亮教授创建，是北京大学于2010年成立的一个跨学科实体研究中心。BIOPIC的目标是发展和利用最先进的生物成像与基因测序手段，在分子和细胞水平上进行生命科学与医学基础研究。BIOPIC配备世界一流的研究设备和条件，有重点地发展最新的生物成像和测序技术。中心将利用这些新兴手段从事生物化学、生物物理学、分子生物学和细胞生物学的基础研究，以及致力于解决与干细胞、癌症、肺结核及代谢疾病相关的一些重大医学问题。

有关中心的更多介绍请见http://biopic.pku.edu.cn



未来几年，BIOPIC的研究重点将集中于以下六种技术：

（1）单分子在细胞内及细胞外的成像技术；

（2）高通量测序技术；

（3）相干拉曼散射显微成像技术；

（4）微流控单细胞操控与分析技术；

（5）超高空间分辨率显微成像技术；

（6）新型生物探针技术。

具体介绍如下：



高通量测序技术及应用



高通量测序技术是最年发展起来的新技术（也称为Next-generation sequencing technology，或者Deep Sequencing technology），为生物学研究，特别是功能基因组学研究带来了革命性的变化。为大规模地深入研究功能基因组、解读基因组序列中的功能元件以及调控网络提供了前所未有的机遇。BIOPIC中心目前拥有一台HiSeq2000测序仪，将大规模地应用于转录组分析、染色体免疫共沉淀测序（Chromatin Immunoprecipitation-Deep Sequencing，ChIP-Seq）、基因组甲基化测序、宏基因组(Metagenome)测序、基因组从头测序（De novo genome sequencing）、全基因组的重新测序（genome re-sequencing），以便对各种病原微生物、模式生物、经济作物、家畜、家禽、以及人类进行全面的功能基因组分析，特别是对表观遗传学在发育、代谢等各种生命活动中的关键作用和调控机理的深入分析，对肿瘤基因组各种突变及结构变化的深入分析，以及对重大疾病相关的转录组分析。



超高空间分辨率显微成像在生命科学中的应用



光学成像本质上是光波通过透镜后的相干衍射图像，其空间分辨率受限于光的波长。因此即便是无限小的点光源，在成像时其点扩散函数的宽度也有几百纳米，远大于细胞生物学中常见的生物分子尺度。这使得在使用单分子荧光技术研究分子尺度的细胞结构和动力学过程时，因为多个荧光基团间的信号重叠而只能得到模糊的图像。为了克服衍射限制以达到更高的解析度，近十年来基于不同的原理，多种超空间分辨率光学显微技术得以发展，包括STED, SIM, PALM, 和STORM等。对比传统的荧光显微镜，这些超空间分辨率光学显微技术可以分辨更精细的结构（几十个纳米左右），因而在生命科学研究中有很广阔的应用前景，并已经展示出很多重要的结果。其中包括研究活细胞的动态过程，比如神经元突触小泡的运动和膜质的的动力学；以及高分辨率的静态结构，比如细胞器三维结构，线粒体膜蛋白及神经元突触蛋白分布，细胞骨架，和DNA结构等。



相干拉曼显微成像技术的发展及在生命科学中的应用



活细胞和活体样品的光学显微成像，对于基础生命科学研究和医学的应用均具有十分重要的意义。显微技术的发展，使得我们对微观生命世界的认识得以提升。现有的光学显微技术通常是通过利用样品对光的吸收或者荧光发射来进行成像的，这些手段应用广泛，但是也面临着一定的局限性。在许多样本的观察中，为了体现特异性，往往需要进行针对性标记。这些标记技术在许多条件下无法很好地使用，例如许多标记技术会杀死细胞，其他的一些方法需要进行转基因的实验，而另一些标记可能并无法真实反应样品内的真实情况。利用样品内物质本身的特征来进行成像以摆脱传统标记技术的限制，实现非标记的光学显微成像，是现代显微技术的一个重要发展方向。拉曼散射现象是物质分子的本征特性，它来源与分子内特定化学基团的振动。利用两束频率间隔与所观察物质的拉曼振动频率相吻合的激光与样品相作用时，可以高效率地产生相干拉曼散射信号，通过相干反斯托克斯拉曼散射和受激拉曼散射两个方式，我们可以在不经标记而进行高特异性与高灵敏度的生物成像，其三维分辨率与现有的多光子显微镜基本一致。通过这一新技术，我们可以无需标记观察脂、蛋白质、核酸、水、小分子药物等多种物质在细胞内和组织内，甚至活体内的分布、动态行为和演化过程。这些信息对于基础的生命科学研究，特别是许多生命过程的机理阐述和医学应用中疾病机制与诊断的研究具有重要的帮助。







微流控单细胞操控与分析技术及其应用



微流控技术是研究对象通常是特征体积在微升以下的微量液体。细胞是生命活动的基本单元，其尺寸恰好适合利用微流控技术进行特定的操作例如细胞的输运和培养条件的控制。单细胞的研究是生命科学研究的新趋势，这不仅仅是技术上的突破，同时为我们更加全面地认识生命世界提供了工具和新的途径。我们通过合理的设计，利用成熟的微纳加工工艺制备用于单细胞研究的微流控芯片。在芯片上，我们可以进行细胞的可控条件培养以及实时观察，细胞培养微环境的设定、调控和实时监测，单细胞层次上的细胞生物物理学研究和行为监测等。





单分子成像及操纵技术在生命科学中的应用



单分子技术手段由于可以获得很多传统大尺度集合系统研究手段所不能得到的信息，近年来充分显示了在当今世界科学研究前沿的重要性。单分子技术从方法上可大致分为单分子光谱及成像和单分子操纵及力学性质测量。其中单分子光谱及成像基于分子的内禀光谱以及与周围环境和分子的作用来测量单一分子对光的响应（荧光、共振能量转移、散射和吸收等）及受化学反应的影响（如酶催化和电子转移等）。这些技术可以在纳米空间尺度和毫秒时间尺度上精确测量单分子的距离、位置、指向、分布、结构以及各种动态过程。单分子操纵及力学性质测量则是使用高精度、高灵敏度的操纵和检测仪器直接或间接对单分子进行力学操纵和测量的技术。目前常见的方法有光镊、磁镊和原子力显微镜。取决于不同的研究体系，它们可以在皮牛到微牛的作用力区间对单分子做到精确的力学控制和测量。近十年来，新的单分子研究方法不断涌现，极大地推进了生命科学各个研究领域的发展。尤其是很多以前不能用传统集合手段研究的体系，比如马达蛋白的运动、蛋白质构象的变化以及分子水平基因的转录翻译等则因为单分子技术的应用出现了很多突破性的进展。单分子技术已成为研究生命科学的重要手段，其终极目标之一就是在体内实时观测单分子，包括生物大分子的运动并以此在分子水平上理解生理条件下的细胞过程。我们单分子及活细胞动态过程实验室的一个主要方向就是开创、发展和应用新的和现有的单分子技术在单分子水平上研究活细胞，如癌细胞和干细胞的基因表达和调控，进而在癌症治疗和干细胞调节等领域做出世界领先的工作。



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