分子生物傳感器與細胞內分子影像*

王殿冰 崔宗強 張先恩**

1 中國科學院生物物理研究所 生物大分子國家重點實驗室 北京 100101

2 中國科學院武漢病毒研究所 病毒學國家重點實驗室 武漢 430071

分子生物傳感器與細胞內分子影像*

王殿冰1崔宗強2張先恩1**

1 中國科學院生物物理研究所 生物大分子國家重點實驗室 北京 100101

2 中國科學院武漢病毒研究所 病毒學國家重點實驗室 武漢 430071

分子生物傳感器是由生物大分子通過基因重組或DNA合成所構成的傳感器，能夠實時、可視化探測活細胞及活體內關鍵分子事件。目前研究熱度高、應用廣的分子生物傳感器包括分子信標（MB）、共振能量轉移系統（熒光共振能量轉移和生物發光共振能量轉移）和分子熒光互補系統（如雙分子熒光互補、三分子熒光互補等）。文章介紹了這幾類分子生物傳感器的原理和特點，重點強調了它們在活細胞分子影像學中的運用，如：研究細胞內蛋白之間的相互作用，探索生物大分子在細胞中的定位、運動和動力學等。此外，還討論了分子生物傳感器的局限性和面臨的挑戰，并展望了未來發展方向?！把垡姙閷崱?，分子生物傳感器在這方面發揮獨特的作用，它使我們前所未有地深入到細胞內部去觀察生物分子事件乃至生物學過程，從而解答更多的生物學難題。

分子生物傳感器，細胞影像，分子信標，熒光共振能量轉移，生物發光共振能量轉移，雙分子熒光互補

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2017.12.004

活細胞及活體內生理和病理過程中關鍵分子事件的實時、可視化探測對理解基本生物學過程、闡釋疾病發生機制等具有重要意義。臨床上，疾病的診斷及精準治療也越發依賴影像學手段。分子生物傳感器是一種通過產生可視、可定量信號來指示生物物質或生物事件發生及存在的生物分子系統，在活細胞或者活體內能夠實時動態示蹤生物分子之間的相互作用、生物大分子的定位和運動、生理環境的變化以及一些重要生化反應等。近 20 年的研究充分表明分子生物傳感器是分子事件“眼見為實”的強有力工具。本文將聚焦其中研究熱度較高的分子信標（molecular beacons，MB）、共振能量轉移系統（包括熒光共振能量轉移和生物發光共振能量轉移）和分子熒光互補系統（如雙分子熒光互補、三分子熒光互補等），重點闡述這幾種分子生物傳感器的原理、特點、活細胞中的應用，探討可能面臨的挑戰及未來發展方向等。

1 分子信標

1.1 分子信標原理

分子信標是由 Tyagi 和 Kramer[1]于 1996 年根據熒光共振能量轉移原理首次設計的一種具有莖環結構的寡核苷酸熒光探針，亦稱發夾探針。經典的分子信標通常為 25—35 個核苷酸，包括環形區（Loop）、莖干區（Stem）及其所連接的熒光分子和淬滅分子（圖 1）。其中，環形區由 15—25 個核苷酸組成，可特異性結合靶分子序列。莖干區是 5—7 個互補堿基對，可在分子信標與靶分子結合過程中發生可逆性解離，用于維持分子特殊形狀。熒光基團和熒光淬滅基團則分別位于莖干區的兩個末端[2]。當無目標序列存在時，分子信標呈現自由狀態，莖干區互補堿基發生結合，促使分子信標形成發夾結構。此時，熒光分子和淬滅分子距離最為接近（約 6—10 nm），促發熒光共振能量轉移，即：熒光分子發出的熒光被淬滅分子吸收，并以熱的形式散發，熒光幾乎完全淬滅。相反，當存在目標序列時，分子信標的環形區與靶分子發生雜交，莖干中的互補區打開，由于熒光分子遠離淬滅分子，分子信標的熒光近乎100%恢復，其熒光強度與溶液中靶分子濃度呈正相關。

1.2 分子信標應用

分子信標具有高靈敏度、高特異性、無須除去冗余等優點。檢測聚合酶鏈式反應（PCR）過程中的擴增產物是分子信標問世的初衷。如今，早非局限于此。研究者通過改造經典的分子信標結構、發展多種熒光分子和淬滅分子、偶聯納米材料（如金納米粒子/石墨烯、碳納米管等）等，已成功構建出各種具有優越性能的新型分子信標探針，并將其廣泛應用于基因診斷、核酸檢測、分子示蹤等多個領域。本文主要聚焦分子信標在活細胞內分子影像中的應用。

（1）分子信標在活細胞內示蹤 mRNA 的研究最為豐富。1998 年，Sokol 等[3]首次實時示蹤了 RNA-DNA 雜交，在熒光顯微鏡下檢測到原癌基因 vav 的 10 個 mRNA分子，即 0.1 ag（1 ag = 1×10–18g）的分子信標所產生的雜交信號。隨后，Bratu 等[4]開辟了利用分子信標在活細胞中研究 mRNA 定位、轉運的先河。該團隊在黑腹果蠅卵母細胞中觀察了天然 mRNA 的運動，并發現 mRNA 3′端非翻譯區的遺傳操作或細胞內微管蛋白網絡的化學擾動可以明顯改變 mRNA 的分布。Vargas 等[5]則通過分子信標追蹤活細胞中 mRNA 分子，進一步對 mRNA- 蛋白復合物從轉錄位點到核孔的轉運行為進行了可視化研究，提示其轉運過程依賴于酶促反應。筆者團隊利用分子信標技術率先建立了一種在活的寄主細胞內病毒核酸可視化的方法，在熒光顯微鏡下可直觀地看到脊髓灰質炎病毒的正鏈 RNA 和甲型流感病毒 mRNA 的動態行為，同時結合其他實驗手段，探討了病毒核酸轉運機制[6,7]。

圖1 分子信標工作原理改編自文獻[1]

（2）分子信標還較為普遍地用于細胞內蛋白質、ATP 等分子的檢測與示蹤。這主要通過分子信標與適配子形成的適配子信標（aptamer beacon）來完成。Yamamoto 等[8]首次證明了將目標物的適配子結合位點插入分子信標中的可能性，構建了靶向 HIV 病毒 Tat 蛋白的高親和力適配子信標。與傳統的分子信標相比，這些信標與目標物序列的匹配數目減少了一半（8 個堿基）。筆者團隊利用相同策略，構建了特異識別 HIV 逆轉錄酶的適配體分子信標，進而實現了活細胞中 HIV 逆轉錄酶的可視化[9]。Zhang 等[10]構建了 ATP 的分子信標檢測系統，實現了在白血病細胞 K562 和乳腺癌細胞 4T1 中 ATP 的檢測，體外檢測下線低至（1.1—3.2）×10?7mol/L。Tan 等[11]和 Liu 等[12]分別將氧化石墨烯作為 ATP 分子信標的淬滅分子，獲得了更加穩定、特異的適配子信標，前者可以半定量檢測活細胞內 ATP，后者可響應 5 mmol/L Ca2+誘導的 ATP 升高。

目前，針對性發展多功能分子信標，在單細胞、單分子水平示蹤關鍵分子事件的研究工作已經萌芽。例如，Li 等[13]設計了一種雙功能分子信標，能夠同時檢測并抑制斑馬魚中的 microRNA。Chen 等[14]利用分子信標最小工程化①即只需要極少的分子工程改造地點亮單分子 RNA，通過成像技術深入研究了單細胞非編碼 RNA（lncRNA）的動力學和定位。這些方向可能成為分子信標在細胞成像領域應用中的主流。

2 共振能量轉移系統

共振能量轉移系統是利用能量轉移原理和基因操縱技術構建的分子傳感體系，主要包括熒光共振能量轉移（fluorescence resonance energy transfer，FRET）和生物發光共振能量轉移（bioluminescent resonance energy transfer，BRET）。

2.1 熒光共振能量轉移

2.1.1 原理

FRET 是 1948 年由 F?rster[15]提出的一種基于能量轉移來測量分子間距離的技術。其基本原理是當供體的熒光發射光譜與受體的吸收光譜重疊，并且供體和受體的距離合適時（一般小于 10 nm），就會發生一種非放射性的能量轉移。如圖 2 所示，當以適當頻率的激發光照射供體時，供體會產生振蕩偶極子并與相鄰受體的偶極子產生共振。供體熒光團的能量由于偶極子之間的相互作用非放射性地轉移到受體熒光團?？傮w而言，產生FRET現象需要同時具備兩個條件：（1）供體分子具有較高的量子產率，其發射光光譜與受體分子的激發光光譜有效重疊；（2）供體和受體分子都處于被激發狀態，兩者之間距離在1—10 nm之間[16]。

2.1.2 特點

在生物學研究領域，FRET 技術是研究生物大分子間相互作用，特別是在活細胞生理條件下研究蛋白質-蛋白質間相互作用的有力工具。FRET 供、受體主要是熒光蛋白、有機熒光分子、無機納米熒光材料等，其發生需要外界光源激發熒光供體。青色熒光蛋白（CFP）和黃色熒光蛋白（YFP）是最常用的一對供受體。由于 FRET 嚴格依賴空間距離（1—10 nm），且大多數生物分子介于該尺寸之間，因此，FRET 是一把丈量分子空間距離的光學“分子尺”，可以解決生物學中諸多難題，如蛋白質動力學、蛋白質構象變化等。有別于經典的分子發射光譜分析法，FRET 最大優點是，該技術利用信號比值而非信號強度進行數據分析，消除了取樣誤差而造成的信號間差異。近年來，由于新型熒光材料的出現、光學技術的進步以及顯微成像工具的發展，FRET 技術在空間分辨率、檢測靈敏度等方面有了極大的提升，目前已實現單分子 FRET（SmFRET）[17]。

圖2 FRET 技術研究蛋白質之間相互作用A和B是一對相互作用的蛋白

2.1.3 應用

FRET 在活細胞中的應用非常之多，即利用兩個蛋白分子之間相互作用的空間信息以回答分子運動、蛋白構象、轉錄調控等相關生物學問題。技術上，主要通過顯微鏡，利用受體漂白、導致的供體熒光增強、供體熒光漂白、受體熒光壽命增長、供-受體熒光強度比率法等多種手段來檢測 FRET 現象[18]，在此介紹部分代表性研究。

（1）活細胞內生理狀態下的離子檢測是 FRET 技術較為經典的應用。例如，Myawaki 等[19]發展了一種由CFP、YFP、鈣調蛋白和鈣調蛋白結合肽 M13 組成的活細胞鈣離子指示劑。其原理是，細胞里的 Ca2+促進鈣調蛋白與 M13 結合，進而增加了熒光蛋白之間的熒光共振能量轉移，因此可通過檢測 FRET 現象和數據校正，實現細胞器中鈣離子的監測與定量。無獨有偶，Zhang 等[20]利用 FRET 探針對活細胞中 Hg2+進行了高靈敏檢測。另外，針對活細胞中 ATP、pH 值等重要生理參數，均有巧妙的 FRET 示蹤體系被相繼報道[21-23]。

（2）FRET無疑是研究蛋白質互作的最好手段之一。蛋白質-蛋白質相互作用涉及生命體中眾多生理過程和信號轉導過程，在細胞活動中扮演關鍵性角色。利用 FRET 技術檢測蛋白質互作的策略通常是利用基因操縱，將兩個目標蛋白分別偶聯一個供體或受體，并在細胞內融合表達。在特定時空及生理條件下，如果存在互作，供體和受體會相互靠近產生 FRET 現象，反之則無。利用這一策略，細胞中多種蛋白之間的互作已被鑒定和示蹤。例如，高遷移率族蛋白 1（HMGB1）、Toll 樣受體（TLR）與晚期糖基化終產物受體（RAGE）之間的相互作用[24]；亞細胞結構中表皮生長因子受體（EGFR）與和其結合蛋白 Grb2 之間的互作[25]；基質相互作用分子 1（STIM1）之間的寡聚化及其易位、靶向等[26]。

除此之外，FRET 也普遍用于活細胞中 RNA 檢測、蛋白質動力學等相關研究[27-29]。

2.2 生物發光共振能量轉移

BRET 于 1999 年問世，與 FRET 基本原理相似，有異曲同工之妙[30]。BRET 體系中的供體主要是熒光素酶（Luc）。其中，海腎熒光素酶（Rluc）以腔腸素（Coelenterazine）為底物，螢火蟲熒光素酶（Fluc）以D-Luciferin 和 ATP 為底物，海螢熒光素酶（Cluc）則以海螢熒光素為底物，這些均是 BRET 常用供體。如圖 3 所示，這些底物及其衍生物會被相應的熒光素酶催化并氧化發光。由于 A-B 分子的相互作用，供受體相互靠近。當兩者距離 1—10 nm 時，BRET 現象產生，受體發光。底物飽和狀態下，受體熒光強度與酶濃度呈正相關。較 FRET 比，由于 BRET 無須外界光源激發供體，因此可避免強光源導致的光漂白、光吸收、組織損傷等現象，同時能夠降低因生物體內自發熒光產生的背景信號[31]。

圖3 BRET 工作原理圖與A蛋白融合表達的熒光素酶催化其底物氧化發光，經A-B蛋白之間相互作用后，供體熒光素酶與受體相互靠近，發生共振能量轉移，受體產生熒光

在活細胞影像的應用方面，BRET 和 FRET 大致相同，如蛋白質相互作用、ATP 檢測、蛋白質活性測定等[32-35]。值得一提的是，在富含血細胞或血紅色素的組織及活體成像中，由于生物體內光吸收、自發熒光的減少，使 BRET 在信噪比方面具有明顯優勢[36]。

3 分子互補系統

分子互補系統是利用蛋白質片段互補技術構建的分子傳感體系。本文著重闡述的是以熒光蛋白為信號元件的分子互補系統，包括雙分子熒光互補（bimolecular fluorescence complementation, BiFC）、三分子熒光互補（trimolecular fluorescence complementation，TriFC）等。

3.1 雙分子熒光互補

3.1.1 原理

BiFC 起源于蛋白質片段互補技術，由 Ghosh 等[37]于 2000 年首次報道。如圖 4a 所示[38]，熒光蛋白在特定區域（通常是 loop 區）通過基因剪接形成兩個非熒光片段，稱為 N 片段和 C 片段。N、C 兩個片段通過 Linker 肽分別與一對相互作用的靶蛋白融合表達。由于靶蛋白對之間的相互作用，熒光蛋白 N 片段和 C 片段會緊密靠近，形成空間互補，進而發生分子重建恢復構象，并在合適的激發波長下產生熒光。反之，若靶蛋白之間不存在相互作用，則無熒光產生。

3.1.2 特點

BiFC 可應用于體內和體外，具有高靈敏、低噪聲等特點。BiFC 分子元件預先通過基因操縱導入細胞中表達，無須外源添加即可直接利用熒光觀測活細胞或活體中生物分子的相互作用及其空間位置信息，因此避免了外源物質對細胞的干擾和觀察的失真。與 FRET 和 BRET技術相比，BiFC 不用復雜的數據處理，常規熒光顯微鏡即可滿足。利用不同顏色的熒光互補系統，還可以在活細胞內同時檢測多個蛋白的相互作用。鑒于這些特點，BiFC 被廣泛用于生物分子相互作用的研究，特別是細胞內之間、細胞與環境物質之間的相互作用。

圖4 BiFC和TriFC工作原理[38]（a）BiFC工作原理。熒光蛋白的N、C 兩個片段分別與靶蛋白A、B融合表達。由于A-B之間相互作用，熒光蛋白 N 片段和 C 片段緊密靠近，形成空間互補，產生熒光。（b）TriFC工作原理。熒光蛋白的 C 片段通過已知蛋白質（A'）和 RNA（D）之間的相互作用，附著于報告 mRNA。由于B'蛋白與報告基因 mRNA 中的靶序列（RNA ligand）相互作用，N 和 C 兩片段相互靠近，恢復熒光蛋白構象，產生熒光

目前所報道的 BiFC 系統通常不可逆、即結合重構后很難再被打開。這個特點使得 BiFC 靈敏度很高，可檢測KD接近 1 mmol/L 的弱相互作用，但也阻礙了 BiFC 監測蛋白質相互作用的動態變化。為此，Tchekanda 等[39]利用基因改造的近紅外熒光蛋白突變單體 IFP1.4 發展了可逆的 BiFC 系統，進一步擴展了 BiFC 技術的應用。

3.1.3 應用

BiFC 常用于研究蛋白質寡聚化（protein oligomerization）。其中，α- 突觸核蛋白（α-synuclein）的錯誤折疊——寡聚化和纖維化被認為是帕金森和其他相關神經疾病發生和發展的核心事件。Outeiro 等[40]通過 BiFC 直觀地觀察了突觸核蛋白在活細胞中的寡聚化，并發現蛋白寡聚化導致的細胞毒性增加可通過 Hsp70 來緩解。除此之外，G 蛋白偶聯受體（GPCRs）的寡聚化是又一重要研究領域。GPCRs 及相關信號轉導涉及諸多疾病，其寡聚化在調節受體藥理學和功能中具有重要作用。目前大約 30%—40% 藥物的細胞靶標針對 GPCRs 而設計[41,42]。在該領域，有大量基于 BiFC 的研究與發現，包括 GPCR 二聚化[43]和二聚化的抑制[44]、腺苷 A2A 受體的分布和其在質膜上的組裝[45,46]、利用 GPCR 二聚體成像研究神經肽 Y Y1/Y5 受體異二聚體的藥理學等[47]。Cirulela 和 Vilardaga[48]更是詳細總結了 BiFC 在 GPCR 研究中的應用。因此，BiFC 不僅是示蹤蛋白寡聚化的重要工具，更是尋找相關疾病治療靶標和藥物的有效手段。

BiFC 也廣泛用于研究病毒與宿主之間的相互作用。這些研究對于理解病毒的生命周期和致病機制具有重要意義。例如，Hemerka 等[49]利用 BiFC 揭示了流感病毒聚合酶復合物 PA 與 PB2 亞基之間前所未知的相互作用，并對 PA-PB2 二元復合物的亞細胞定位與進核進行了詳細分析，其研究思路為進一步探索 PA-PB2 互作與甲型流感病毒聚合酶活性、病毒復制的生物相關性提供了一個框架。目前，利用 BiFC 對人類病毒的研究還涉及 Epstein-Barr 病毒潛伏膜蛋白 1 的表征[50]、基于 Beclin1-Bcl2 復合物解離的自噬抑制劑藥物篩選[51]、HIV 病毒非結構性蛋白 Vpr 分子之間的互作等[52]。

3.2 分子互補系統的發展

3.2.1 遠紅外和近紅外BiFC

在哺乳動物中存在細胞成像的近紅外（NIR）光學窗口（650—900 nm），以避免生物體內水、血紅蛋白等分子對光的吸收[53,54]。為了解決這個問題，筆者團隊利用mCherry（λex/λem= 587 nm/610 nm）、mNeptune（λex/λem=600 nm/650 nm）等熒光蛋白開發了系列長波長熒光分子互補系統[55,56]。另外，為了更好地實現深部組織成像，我們打破利用 GFP-like 熒光蛋白構建 BiFC 這一常規，創新性的發展了以細菌光敏色素 iRFP 為基礎的近紅外 BiFC 系統（λex/λem= 690 nm/713 nm）。該工作為生理條件下研究蛋白質相互作用提供了強有力工具，同時也為活細胞中的藥物評價提供了新策略[57]。

3.2.2 三分子互補系統

鑒于細胞內未知的蛋白質 -RNA 之間互作，基于BiFC 建立的 TriFC 系統應運而生。如圖 4b 所示，在 TriFC 系統中，熒光蛋白的 C 片段通過已知蛋白質（A′）和 RNA（D）之間的相互作用，附著于報告 mRNA。N 片段與 RNA -結合蛋白 B′融合表達。如果 RNA 結合蛋白與報告基因 mRNA 中的靶序列相互作用，則 N 和 C 兩片段緊密接近，恢復熒光蛋白構象產生熒光[58]。TriFC 不僅可用于鑒定 RNA- 蛋白質相互作用，還可分析活細胞中 RNA- 蛋白質相互作用的定位和動力學。大量研究已驗證該方法的實用性[59-61]。其中，筆者團隊利用 TriFC 重點研究了流感病毒和 HIV 病毒 mRNA 與宿主蛋白之間的相互作用，并闡釋了相關生物學機制[55,62]。

最近，筆者團隊還發展了三片段熒光互補系統（three-fragment fluorescence complementation，TFFC），用于蛋白三聚體的成像研究。我們把具有光轉換和光激活特性的熒光蛋白 mIrisFP 拆分為 3 個片段，結合超分辨成像，在單分子水平示蹤了活細胞中 G 蛋白三聚體亞基間的相互作用[63]。除此之外，在熒光蛋白第 10 個和第 11 個 β-strand 之間“切割形成的分子互補系統”（split fluorescent proteins complementation）也被用于活細胞可視化研究，如蛋白質的定位、胞漿肽的輸送等[64-66]。

4 結語與展望

近 20 年來，上述以熒光為信號的分子生物傳感技術進展迅速，大量相關研究論文被發表，涵蓋了材料、化學、物理、生物醫學、生命科學等多個學科。從活細胞層面的應用態勢來看，利用多色標記，結合超分辨成像，在單細胞、單分子水平實時動態觀察多個關鍵分子事件將成為主流。但是，這些分子生物傳感器在組織、器官和活體的深層次應用仍然面臨嚴峻挑戰。提高信噪比、避免生物物質光吸收、允許長時示蹤都還是難題。亟待創造生物相容性好、亮度高、抗淬滅熒光探針，提出超高靈敏傳感新體系，改進成像數據算法，也需要進一步推動光學技術、成像工具的發展等。隨著技術進步，分子生物傳感器將使我們前所未有地實時觀察獲取生命過程深層次信息，從而回答一系列重要的生命科學基本問題，并將拓展到臨床應用，為人類健康服務。

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Molecular Biosensors and Molecular Imaging in Cells

Wang Dianbing1Cui Zongqiang2Zhang Xian-En1
（1 National Laboratory of Biomacromolecules, Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;2 State Key Laboratory of Virology, Wuhan Institute of Virology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China）

Molecular sensors are the biosensors made of macrobiomolecules. They are significant tools for real-time imaging of the molecular events in living cells and in vivo. Molecular beacons (MB), fluorescence/bioluminescence resonance energy transfer sensors (FRET/BRET) and molecular fluorescence complementation systems (BiFC, TriFC, etc.) are major types of molecular biosensors for live cell imaging applications.In this paper, the principles and characteristics of the molecular biosensors are described. The biosensors show their unique role in study of biomolecular interactions, localization, movement, and kinetics in living cells. The restrains, challenges, and future prospects of the molecular biosensors are also discussed. Because “Seeing is believing”, the molecule biosensors enable us to see the biological process with super high spatio-temporal resolution, and thus to answer the fundamental biological questions.

molecular biosensor, cell imaging, molecular beacon (MB), fluorescence resonance energy transfer (FRET), bioluminescence resonance energy transfer (BRET), bimolecular fluorescence complementation

王殿冰 博士，中科院生物物理所副研究員，長期從事生物傳感和分析病原微生物相關研究。發表SCI收錄論文20余篇，擁有7項中國專利。主持和參與多項國家自然科學基金、“863”計劃和中科院項目，曾獲得湖北省自然科學獎一等獎。E-mail：wangdb@moon.ibp.ac.cn

Wang Dianbing Ph.D., associated professor in Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences (CAS). Her research interest focuses on biosensors and analytical pathogen microbiology. She has 7 patents and has published more than 20 papers in SCI indexed journals. She participated in a lot of important projects from National Natural Science Foundation of China, CAS, and was also awarded the First Prize of Natural Sciences in Hubei Province, China. E-mail: wangdb@moon.ibp.ac.cn

張先恩 男，中科院生物物理所研究員。1993年在中科院武漢病毒研究所晉升研究員，從事生物傳感器、納米生物學和分析微生物研究，發表論文 240 篇（SCI 收錄 200 篇），出版生物傳感和生物芯片專著 3 本。曾在科技部基礎研究司從事基礎研究宏觀管理。目前兼任中國生物工程學會副理事長，亞洲生物技術協會（AFOB）顧問和納米生物技術、生物傳感與生物芯片分會共同主席、APEC 首席科學顧問會議中國代表（2013，2015 和 2016年）、國家“973”計劃專家顧問組副組長。2015 年被加拿大Alberta大學授予名譽科學博士學位。E-mail：zhangxe@ibp.ac.cn

Zhang Xian-En Male, distinguished professor in the Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences (CAS). He became a full professor in the Institute of Virology, CAS, in 1993, specializing in biosensors, nanobiology, and analytical microbiology, and has published about 240 peer-reviewed papers and three books. He currently serves as the vice president of the Chinese Society of Biotechnology, co-chair of the Division of Nanobiotechnology, Biosensors and Biochips of the Asian Federation of Biotechnology (AFOB), executive chief editor of Chinese Journal of Biotechnology, editorial member or advisor for 6 other scientific journals. From 2002 to 2013, Dr. Zhang served as the director general of the Basic Research Department, Ministry of Science and Technology (MOST), dedicating himself to the macro management of science development in China. He has been serving as the Chinese representative of the APEC Meeting of Chief Science Advisors or Equivalents since 2013 (except for 2014) and deputy head of the Expert Advisory Group of the National “973” Program. In 2015, he was awarded an Honorary Doctor of Science Degree by the University of Alberta, Canada. E-mail: zhangxe@ibp.ac.cn

*資助項目：中科院戰略性先導科技專項B類培育項目（XDPB0305），國家自然科學基金委國家重大科研儀器研制項目（ 21527901）

**通訊作者

修改稿收到日期：2017年12月5日