《分子筛选与识别》课件

分子筛选与识别课程概述课程目标掌握分子筛选基本原理主要内容筛选技术与识别机制学习成果第一部分：分子筛选基础筛选原理分子间特异性结合与识别技术方法从传统到现代高通量应用领域分子筛选的定义概念解释从大量化合物中快速识别出具有特定生物活性的分子在药物发现中的重要性缩短研发周期提高成功率分子筛选的历史发展1早期方法1950-1980：单一化合物测试2自动化萌芽1980-1990：简单自动化系统3高通量技术1990-2000：微孔板技术4现代技术分子筛选的类型高通量筛选(HTS)机械化处理数十万样品1虚拟筛选(VS)计算机模拟评估结合能力2片段筛选小分子片段作为起点高通量筛选(HTS)定义和原理自动化平台同时测试大量化合物优势速度快，覆盖广局限性虚拟筛选(VS)计算机辅助筛选方法利用计算模型预测分子结合能力节省时间与成本基于结构的VS已知靶点结构分子对接技术基于配体的VS已知活性分子相似性搜索片段筛选概念介绍筛选分子量小的片段检测技术NMR、X射线、SPR应用场景难处理靶点的药物发现分子筛选的目标发现先导化合物确定生物活性的起始点优化已知化合物提高活性和特异性建立构效关系了解结构与功能关联第二部分：分子识别原理1基本概念分子间特异性相互作用2作用力研究氢键、疏水作用等3应用技术结构分析与模拟分子识别的定义概念解释分子之间通过非共价作用特异性结合的过程在生物学中的重要性酶-底物识别抗原-抗体结合药物-靶点相互作用分子识别的基本原理锁钥原理分子间结构完全互补诱导契合模型结合过程中构象改变分子间相互作用力共价键最强相互作用氢键中等强度，方向性强范德华力弱相互作用，普遍存在疏水相互作用水环境中非极性基团聚集静电相互作用离子-离子相互作用带电基团之间的相互作用强度大，距离远离子-偶极相互作用带电基团与极性基团与方向有关偶极-偶极相互作用极性基团之间方向性强π-π相互作用定义芳香环平面间电子云相互作用类型面对面堆积T型相互作用作用稳定蛋白质结构增强药物-靶点结合分子识别的特异性结构互补性空间构型匹配化学互补性极性基团分布合理几何互补性立体构象匹配分子识别的动力学结合动力学研究描述了分子间相互作用的速率常数，解离动力学则关注复合物分离的过程。第三部分：分子筛选技术生物物理学方法表面等离子体共振(SPR)实时监测分子结合动力学无需标记等温滴定量热法(ITC)测量热力学参数结合亲和力和热焓变生物化学方法酶联免疫吸附测定(ELISA)抗原抗体特异性结合放射性配体结合实验高灵敏度检测荧光偏振技术实时监测分子结合细胞生物学方法细胞功能筛选测量化合物对细胞功能的影响增殖抑制信号通路激活表型筛选观察细胞表型变化形态学变化标记物表达基因组学方法RNA干扰筛选敲低基因表达CRISPR-Cas9筛选基因编辑技术功能验证表型分析蛋白质组学方法质谱分析鉴定蛋白质-小分子相互作用分析蛋白质修饰蛋白质芯片技术高通量检测蛋白质相互作用平行测试多个蛋白质计算机辅助方法分子对接模拟小分子与靶点结合构象药效团模型药物活性关键功能基团识别量化计算精确计算分子间相互作用能组合化学方法组合库设计构建多样性化合物库平行合成同时合成多个化合物高通量筛选快速测试活性结构优化改善先导化合物第四部分：分子筛选策略靶点选择确定筛选目标化合物库设计构建合适筛选集筛选实施多阶段筛选流程数据分析鉴定有效化合物靶点选择靶点验证基因敲除/敲低动物模型验证靶点可成药性评估结构可获得性结合口袋特性选择性潜力化合物库设计多样性库广泛覆盖化学空间1聚焦库针对特定靶点设计2片段库低分子量构件3天然产物库生物来源化合物4筛选策略设计初筛单浓度，高通量二次筛选剂量-反应关系确证实验正交方法验证命中化合物分析结构活性关系(SAR)分子结构与活性相关性活性基团鉴定假阳性识别泛反应性化合物荧光干扰物聚集诱导抑制剂先导化合物优化活性增强靶点结合能力选择性减少脱靶效应药代动力学优化吸收分布代谢排泄安全性降低毒性风险第五部分：分子识别技术X射线晶体衍射晶体培养蛋白质-配体复合物结晶X射线照射衍射图样收集结构解析电子密度图重建相互作用分析原子水平结合模式核磁共振(NMR)技术蛋白质-配体相互作用研究化学位移变化监测结构解析溶液状态下的分子结构动力学研究分子运动和构象变化荧光共振能量转移(FRET)原理能量从供体荧光团转移到受体距离依赖性信号变化应用实例蛋白质-蛋白质相互作用构象变化检测酶活性监测原子力显微镜(AFM)单分子水平相互作用研究分子间作用力直接测量力谱学应用结合-解离过程能量景观高分辨成像生物分子复合物结构分子动力学模拟计算方法力场参数计算分子运动溶剂环境模拟显式/隐式水模型应用结合构象预测热力学参数计算第六部分：分子筛选与识别的应用药物发现新药研发核心技术1生物传感特异分子检测2材料科学智能材料设计3环境监测污染物识别4药物发现靶点确认疾病相关蛋白验证先导发现高通量筛选确定活性分子先导优化提高活性、选择性和药代性质临床前研究动物模型验证临床试验人体安全性和有效性验证靶向治疗概念针对特定分子靶点的治疗策略提高疗效，减少副作用成功案例格列卫（慢性粒细胞白血病）赫赛汀（HER2阳性乳腺癌）克唑替尼（ALK阳性肺癌）生物传感器原理特异性分子识别转化为可测信号设计识别元件与信号转导系统应用领域医学诊断环境监测食品安全分子诊断80%准确率现代分子诊断技术15分钟快速检测新型即时检测方法30%成本降低近五年诊断技术进步材料科学分子印迹技术创建特异性识别位点模板分子印迹聚合物智能材料设计刺激响应材料自修复材料可降解材料环境监测污染物检测重金属、有机物快速识别生物修复特异性降解有害物质实时监控环境污染物预警系统第七部分：新兴技术和未来趋势人工智能在分子筛选中的应用机器学习算法结构活性关系预测虚拟筛选效率提升深度学习模型分子生成设计复杂模式识别蛋白质结构预测DNA编码化合物库技术原理DNA标签跟踪化合物合成历史1库构建亿级化合物规模筛选亲和选择结合分子解码测序鉴定活性化合物4单细胞技术单细胞测序细胞异质性解析药物响应预测单细胞筛选微流控分选技术单细胞功能测试应用优势精准医疗指导罕见细胞群分析微流控技术芯片实验室微尺度生化反应液滴微流控单分子/单细胞封装高通量应用样品用量微少平行处理能力强纳米技术在分子识别中的应用纳米材料设计量子点荧光探针纳米金属表面增强拉曼纳米传感器超高灵敏度检测单分子水平分析实时动态监测第八部分：挑战与机遇1技术创新新方法开发2跨学科整合多领域协作3基础挑战解决假阳性和特异性技术挑战假阳性数据分析自动化问题标准化成本限制生物学挑战蛋白质-蛋白质相互作用大表面积相互作用传统小分子干预困难膜蛋白靶点结构解析复杂体外稳定性差多靶点药物设计选择性控制难副作用预测复杂伦理考虑1数据隐私个人基因组和筛选数据保护2生物安全潜在危险分子合成限制3知识产权筛选结果公开与专利保护平衡产业化机遇跨学科合作生物学分子靶点研究1化学化合物合成设计2计算机科学数据分析与模型3工程学设备与自动化4医学临床应用转化5教育和人才培养课程设置跨学科综合课程前沿技术培训