冰凌之花
——記中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所研究員李冰凌

本刊記者　劉 賀

冰凌之花
——記中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所研究員李冰凌

本刊記者劉 賀

2012年，一種叫做MERS的新型冠狀病毒肆虐中東，死亡率高達30%；2015年5月4日，它跟隨一名68歲的男子從巴林返回韓國，導(dǎo)致7人確診，64人隔離。短短兩年時間，MERS已經(jīng)從發(fā)源地中東傳播到歐洲、北非、東南亞、美國、韓國等地。李冰凌博士近期的研究也圍繞于此，她在診斷中東呼吸綜合癥和埃博拉病毒領(lǐng)域取得的初步進展非常振奮人心，此研究極具實用性，是生物學(xué)傳感器近年來不可多得的有望應(yīng)用于實際的研究成果。

第一批吃螃蟹的人

從中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所畢業(yè)后，李冰凌申請到美國德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校師從核酸適配體的發(fā)明者之一——分子生物學(xué)家Andrew D. Ellington教授從事博士后研究。在這期間，李冰凌系統(tǒng)學(xué)習(xí)并掌握了核酸適配體的篩選方法和潛在應(yīng)用，并對核酸反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)有了深入研究。

第一個吃螃蟹的人不僅需要勇氣，更需要有足夠的實力。早在博士期間，李冰凌就對核酸適配體的諸多優(yōu)點充滿興趣，作為國內(nèi)首批從事核酸適配體傳感器研發(fā)的博士研究生之一，她將研究重心主要放在“如何得到方便、快捷的信號輸出”上。通過設(shè)計出一系列免標(biāo)記的電化學(xué)異相信號傳導(dǎo)過程，以及免基底、免分離的全均相信號傳導(dǎo)過程，李冰凌收獲了近30篇SCI論文，對適配體和共軛聚合物相互作用的熒光分子開關(guān)、銀離子和核酸片段的金納米和酶比色輸出以及雙鏈-復(fù)合物法電化學(xué)阻抗小分子免標(biāo)記傳感過程等做了大量研究分析。這些研究有極強的普適性與Point-of-care (POC,即時現(xiàn)場診斷)兼容性，且大部分已經(jīng)被有效融入到她現(xiàn)在回國后所從事的核酸分子工程技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計中。

成功，是從不停止前進的腳步。利用核酸分子工程技術(shù)創(chuàng)新性改良出“零背景”“CHA催化組裝技術(shù)”，李冰凌證明其可作為“萬能無酶信號放大傳導(dǎo)元件”應(yīng)用到多項實際生物分析，尤其是傳染病快捷診斷中。經(jīng)反復(fù)試驗，李冰凌發(fā)現(xiàn)在CHA反應(yīng)中，一條線性脫氧核糖核酸會依次打開并組裝兩條發(fā)卡型DNA，且每完成依次組裝后線性DNA可自發(fā)脫離組裝體，并作為催化劑再一次參與到另一次組裝中，如此實現(xiàn)組裝的循環(huán)放大。此技術(shù)直接用線性DNA作為催化劑，能夠在幾個小時內(nèi)迅速完成100次循環(huán)放大，沒有催化劑參與到組裝信號中，可獲得優(yōu)于其他同類無酶放大器的千倍以上信噪比，達到最大幅度提高信噪比的目的。

該CHA體系在生物分析應(yīng)用中潛力如何？帶著這個疑問，李冰凌首次對其展開了系統(tǒng)的發(fā)掘，證明CHA不僅可以靈敏地檢測線性DNA催化劑，還可以廣泛地接受核糖核酸和有機小分子等其他非線性DNA催化劑。此研究一經(jīng)發(fā)表引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，對該研究在推動新型普適性放大檢測中的重要意義給予了充分肯定。

緊接著，李冰凌利用C H A作為均相信號傳導(dǎo)器件，實現(xiàn)了對DNA納米組裝體。通過對雜交發(fā)夾鏈反應(yīng)（HCR）的免標(biāo)記檢測，李冰凌證明CHA可以靈敏地檢測DNA鏈或兩個堿基間的距離變化。針對這一特性，李冰凌對信號增加的單堿基突變識別技術(shù)又開展了深入研究，突破性地實現(xiàn)了唯有特定位置的單堿基突變才可以引發(fā)有效的信號，而無突變或其他位置的突變均不會帶來有效信號，大大增加了信號的可靠性。新加坡國立大學(xué)Zhiqiang Gao教授評價該研究為“有價值新進展（Interesting advancements in HCR）的典型代表，認(rèn)為其開辟了HCR研究和應(yīng)用的新領(lǐng)域（“opened up new avenues in use of HCR”），更強調(diào)其中對單堿基突變的識別，在“基因分型（genotyping）和分子診斷中有巨大的應(yīng)用前景。

花蕾初放

扎實的學(xué)術(shù)研究基礎(chǔ)為李冰凌后繼學(xué)術(shù)研究創(chuàng)設(shè)了良好的條件。在國際上最早介紹適配體傳感器的專著之一——《Aptamers in Bioanalysis》中，她所撰寫的章節(jié)被美國愛荷華州立大學(xué)Marit Nilsen-Hamilton教授評價為，“涵蓋了核酸適配體在生物傳感領(lǐng)域的多方面應(yīng)用，對讀者很有幫助，是一個很好的選擇?！比缃?，此書已被翻譯成中文《生物分析中的核酸適配體》出版，并被作為在核酸適配體分析領(lǐng)域的先驅(qū)性專業(yè)書籍在業(yè)界傳閱。

當(dāng)前，以艾滋病、肺結(jié)核、禽流感等傳染病為例的檢測方法是采用聚合酶式反應(yīng)技術(shù)，現(xiàn)有檢測技術(shù)程序繁瑣且設(shè)備昂貴，不適用于偏遠地區(qū)醫(yī)院，尤其是在傳染病大規(guī)模爆發(fā)時期，檢測手段將成為制約傳染病防控效果的主要因素之一，傳染病快捷檢測手段亟待開發(fā)。

將科研學(xué)術(shù)研究轉(zhuǎn)化為應(yīng)用于實際生活的創(chuàng)新性技術(shù)是每位科學(xué)家的初衷和信仰所在，李冰凌也是如此。面對中東呼吸綜合征（MERS-CoV病毒）、埃博拉（Ebola病毒）、寨卡（Zika病毒）等重大傳染病的肆虐，為了填補POC兼容超特異基因診斷的空白，李冰凌在全基因擴增中特別用環(huán)介導(dǎo)等溫擴增技術(shù)（LAMP）取代傳統(tǒng)的聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）；并利用一個發(fā)卡分子信標(biāo)作為橋梁，成功實現(xiàn)LAMP與CHA的終點和實時聯(lián)用檢測，實現(xiàn)了對DNA大分子的普適性超靈敏超特異性識別，對靶向如M13mp18、MERS-CoV和Ebola基因的識別下限均低至10-19M以下，相當(dāng)于1微升樣品中只有不到20個分子。

在為創(chuàng)新成果感到喜悅的同時，李冰凌發(fā)現(xiàn)LAMP超強的放大功能和PCR（包括實時定量PCR）類似，會頻繁地帶來非特異性的反應(yīng)；即使是沒有待測分子，傳統(tǒng)的堿基對識別檢測技術(shù)也常會顯示假的陽性信號，對分析結(jié)果的可靠性造成嚴(yán)重干擾。為打破頻發(fā)性假陽性對PCR和系列等溫擴增技術(shù)臨床應(yīng)用的限制，李冰凌設(shè)計了加強識別LAMP產(chǎn)物中至少兩個序列的AND邏輯體系，讓信號更具有可靠性的同時，也將核酸邏輯應(yīng)用推向?qū)嶋H。在此項LAMP+CHA終點聯(lián)用技術(shù)中，CHA不僅對信號做了進一步放大，其只識別LAMP產(chǎn)物中特定序列的特性更是對完全消除假陽性信號貢獻尤為突出。

李冰凌的方法雖然在信噪比和抗干擾性上還有待加強，但可以在保證超靈敏度的同時，對假陽性信號進行完全排除，此研究的現(xiàn)實應(yīng)用前景值得期待。帶著沉甸甸的成就，李冰凌渴望回國，回到自己學(xué)術(shù)起飛的地方——中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)所研究所。“繼續(xù)推進研發(fā)以流行傳染病基因為靶向目標(biāo)的超精準(zhǔn)、高信噪比POC診斷平臺，并驗證其隨時向新型或傳統(tǒng)重大疾病過渡的普適性”帶著10年科研積累，李冰凌回國后的科研目標(biāo)堅定且清晰，其科研創(chuàng)新成果的普及更是令人期待。

“如果說母親是引導(dǎo)我進入此專業(yè)的啟蒙老師，那恩師董紹俊院士便是我科研路上的引導(dǎo)師”，李冰凌母親也從事化學(xué)工作，從小耳濡目染對化學(xué)這個專業(yè)便充滿了興趣。最原始的好奇心往往是引導(dǎo)人們專注的最原始力量，真正深入到這個專業(yè)領(lǐng)域后，李冰凌發(fā)現(xiàn)太多未知的東西有待探索，從最初學(xué)習(xí)試驗操作、儀器使用、數(shù)據(jù)分析，前進的每一步都離不開導(dǎo)師的幫助和扶持?！皩?dǎo)師已經(jīng)是80歲的高齡，每天都精神矍鑠一心撲在科研上，早出晚歸是常態(tài)?！睂畋鑱碇v，恩師不僅是自己學(xué)術(shù)上的榜樣，更是精神上的引導(dǎo)。

冰凌花，開在極寒季節(jié)，寓意堅韌、執(zhí)著、百折不饒，還帶有一絲詩意的美好。李冰凌，亦是人如其名，采訪匆匆劃上尾音，她溫和堅定的聲音卻猶在耳畔?？蒲惺且患c困難、與自己抗?fàn)幍氖虑?，目?biāo)堅定才能看得到遠方，身為女性科學(xué)家，李冰凌坦言自己也會有很多壓力，在繁忙中抽出時間小憩片刻，三五好友結(jié)伴外出旅游，充滿電后再繼續(xù)出發(fā)，這也是生活的魅力所在。

談及未來，李冰凌回國后正加緊組建自己的團隊，“我們將與醫(yī)院和地方防疫部門建立聯(lián)系，加快便攜型傳染病早期預(yù)警平臺的研發(fā)和推廣工作。”