分子篩選與識別課程概述課程目標掌握分子篩選基本原理主要內容篩選技術與識別機制學習成果第一部分：分子篩選基礎篩選原理分子間特異性結合與識別技術方法從傳統到現代高通量應用領域分子篩選的定義概念解釋從大量化合物中快速識別出具有特定生物活性的分子在藥物發現中的重要性縮短研發周期提高成功率分子篩選的歷史發展1早期方法1950-1980：單一化合物測試2自動化萌芽1980-1990：簡單自動化系統3高通量技術1990-2000：微孔板技術4現代技術分子篩選的類型高通量篩選(HTS)機械化處理數十萬樣品1虛擬篩選(VS)計算機模擬評估結合能力2片段篩選小分子片段作為起點高通量篩選(HTS)定義和原理自動化平臺同時測試大量化合物優勢速度快，覆蓋廣局限性虛擬篩選(VS)計算機輔助篩選方法利用計算模型預測分子結合能力節省時間與成本基于結構的VS已知靶點結構分子對接技術基于配體的VS已知活性分子相似性搜索片段篩選概念介紹篩選分子量小的片段檢測技術NMR、X射線、SPR應用場景難處理靶點的藥物發現分子篩選的目標發現先導化合物確定生物活性的起始點優化已知化合物提高活性和特異性建立構效關系了解結構與功能關聯第二部分：分子識別原理1基本概念分子間特異性相互作用2作用力研究氫鍵、疏水作用等3應用技術結構分析與模擬分子識別的定義概念解釋分子之間通過非共價作用特異性結合的過程在生物學中的重要性酶-底物識別抗原-抗體結合藥物-靶點相互作用分子識別的基本原理鎖鑰原理分子間結構完全互補誘導契合模型結合過程中構象改變分子間相互作用力共價鍵最強相互作用氫鍵中等強度，方向性強范德華力弱相互作用，普遍存在疏水相互作用水環境中非極性基團聚集靜電相互作用離子-離子相互作用帶電基團之間的相互作用強度大，距離遠離子-偶極相互作用帶電基團與極性基團與方向有關偶極-偶極相互作用極性基團之間方向性強π-π相互作用定義芳香環平面間電子云相互作用類型面對面堆積T型相互作用作用穩定蛋白質結構增強藥物-靶點結合分子識別的特異性結構互補性空間構型匹配化學互補性極性基團分布合理幾何互補性立體構象匹配分子識別的動力學結合動力學研究描述了分子間相互作用的速率常數，解離動力學則關注復合物分離的過程。第三部分：分子篩選技術生物物理學方法表面等離子體共振(SPR)實時監測分子結合動力學無需標記等溫滴定量熱法(ITC)測量熱力學參數結合親和力和熱焓變生物化學方法酶聯免疫吸附測定(ELISA)抗原抗體特異性結合放射性配體結合實驗高靈敏度檢測熒光偏振技術實時監測分子結合細胞生物學方法細胞功能篩選測量化合物對細胞功能的影響增殖抑制信號通路激活表型篩選觀察細胞表型變化形態學變化標記物表達基因組學方法RNA干擾篩選敲低基因表達CRISPR-Cas9篩選基因編輯技術功能驗證表型分析蛋白質組學方法質譜分析鑒定蛋白質-小分子相互作用分析蛋白質修飾蛋白質芯片技術高通量檢測蛋白質相互作用平行測試多個蛋白質計算機輔助方法分子對接模擬小分子與靶點結合構象藥效團模型藥物活性關鍵功能基團識別量化計算精確計算分子間相互作用能組合化學方法組合庫設計構建多樣性化合物庫平行合成同時合成多個化合物高通量篩選快速測試活性結構優化改善先導化合物第四部分：分子篩選策略靶點選擇確定篩選目標化合物庫設計構建合適篩選集篩選實施多階段篩選流程數據分析鑒定有效化合物靶點選擇靶點驗證基因敲除/敲低動物模型驗證靶點可成藥性評估結構可獲得性結合口袋特性選擇性潛力化合物庫設計多樣性庫廣泛覆蓋化學空間1聚焦庫針對特定靶點設計2片段庫低分子量構件3天然產物庫生物來源化合物4篩選策略設計初篩單濃度，高通量二次篩選劑量-反應關系確證實驗正交方法驗證命中化合物分析結構活性關系(SAR)分子結構與活性相關性活性基團鑒定假陽性識別泛反應性化合物熒光干擾物聚集誘導抑制劑先導化合物優化活性增強靶點結合能力選擇性減少脫靶效應藥代動力學優化吸收分布代謝排泄安全性降低毒性風險第五部分：分子識別技術X射線晶體衍射晶體培養蛋白質-配體復合物結晶X射線照射衍射圖樣收集結構解析電子密度圖重建相互作用分析原子水平結合模式核磁共振(NMR)技術蛋白質-配體相互作用研究化學位移變化監測結構解析溶液狀態下的分子結構動力學研究分子運動和構象變化熒光共振能量轉移(FRET)原理能量從供體熒光團轉移到受體距離依賴性信號變化應用實例蛋白質-蛋白質相互作用構象變化檢測酶活性監測原子力顯微鏡(AFM)單分子水平相互作用研究分子間作用力直接測量力譜學應用結合-解離過程能量景觀高分辨成像生物分子復合物結構分子動力學模擬計算方法力場參數計算分子運動溶劑環境模擬顯式/隱式水模型應用結合構象預測熱力學參數計算第六部分：分子篩選與識別的應用藥物發現新藥研發核心技術1生物傳感特異分子檢測2材料科學智能材料設計3環境監測污染物識別4藥物發現靶點確認疾病相關蛋白驗證先導發現高通量篩選確定活性分子先導優化提高活性、選擇性和藥代性質臨床前研究動物模型驗證臨床試驗人體安全性和有效性驗證靶向治療概念針對特定分子靶點的治療策略提高療效，減少副作用成功案例格列衛（慢性粒細胞白血病）赫賽汀（HER2陽性乳腺癌）克唑替尼（ALK陽性肺癌）生物傳感器原理特異性分子識別轉化為可測信號設計識別元件與信號轉導系統應用領域醫學診斷環境監測食品安全分子診斷80%準確率現代分子診斷技術15分鐘快速檢測新型即時檢測方法30%成本降低近五年診斷技術進步材料科學分子印跡技術創建特異性識別位點模板分子印跡聚合物智能材料設計刺激響應材料自修復材料可降解材料環境監測污染物檢測重金屬、有機物快速識別生物修復特異性降解有害物質實時監控環境污染物預警系統第七部分：新興技術和未來趨勢人工智能在分子篩選中的應用機器學習算法結構活性關系預測虛擬篩選效率提升深度學習模型分子生成設計復雜模式識別蛋白質結構預測DNA編碼化合物庫技術原理DNA標簽跟蹤化合物合成歷史1庫構建億級化合物規模篩選親和選擇結合分子解碼測序鑒定活性化合物4單細胞技術單細胞測序細胞異質性解析藥物響應預測單細胞篩選微流控分選技術單細胞功能測試應用優勢精準醫療指導罕見細胞群分析微流控技術芯片實驗室微尺度生化反應液滴微流控單分子/單細胞封裝高通量應用樣品用量微少平行處理能力強納米技術在分子識別中的應用納米材料設計量子點熒光探針納米金屬表面增強拉曼納米傳感器超高靈敏度檢測單分子水平分析實時動態監測第八部分：挑戰與機遇1技術創新新方法開發2跨學科整合多領域協作3基礎挑戰解決假陽性和特異性技術挑戰假陽性數據分析自動化問題標準化成本限制生物學挑戰蛋白質-蛋白質相互作用大表面積相互作用傳統小分子干預困難膜蛋白靶點結構解析復雜體外穩定性差多靶點藥物設計選擇性控制難副作用預測復雜倫理考慮1數據隱私個人基因組和篩選數據保護2生物安全潛在危險分子合成限制3知識產權篩選結果公開與專利保護平衡產業化機遇跨學科合作生物學分子靶點研究1化學化合物合成設計2計算機科學數據分析與模型3工程學設備與自動化4醫學臨床應用轉化5教育和人才培養課程設置跨學科綜合課程前沿技術培訓