北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心（Biodynamics Optical Imaging Center, BIOPIC）該中心由美國(guó)科學(xué)院院士謝曉亮教授創(chuàng)建，是北京大學(xué)于2010年成立的一個(gè)跨學(xué)科實(shí)體研究中心。BIOPIC的目標(biāo)是發(fā)展和利用先進(jìn)的生物成像與基因測(cè)序手段，在分子和細(xì)胞水平上進(jìn)行生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究。BIOPIC配備世界的研究設(shè)備和條件，有重點(diǎn)地發(fā)展新的生物成像和測(cè)序技術(shù)。中心將利用這些新興手段從事生物化學(xué)、生物物理學(xué)、分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的基礎(chǔ)研究，以及致力于解決與干細(xì)胞、癌癥、肺結(jié)核及代謝疾病相關(guān)的一些重大醫(yī)學(xué)問(wèn)題。
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未來(lái)幾年，BIOPIC的研究重點(diǎn)將集中于以下六種技術(shù)：
（1）單分子在細(xì)胞內(nèi)及細(xì)胞外的成像技術(shù)；
（2）高通量測(cè)序技術(shù)；
（3）相干拉曼散射顯微成像技術(shù)；
（4）微流控單細(xì)胞操控與分析技術(shù)；
（5）超高空間分辨率顯微成像技術(shù)；
（6）新型生物探針技術(shù)。
具體介紹如下：

高通量測(cè)序技術(shù)及應(yīng)用

高通量測(cè)序技術(shù)是年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)（也稱(chēng)為Next-generation sequencing technology，或者Deep Sequencing technology），為生物學(xué)研究，特別是功能基因組學(xué)研究帶來(lái)了革命性的變化。為大規(guī)模地深入研究功能基因組、解讀基因組序列中的功能元件以及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了前所未有的機(jī)遇。BIOPIC中心目前擁有一臺(tái)HiSeq2000測(cè)序儀，將大規(guī)模地應(yīng)用于轉(zhuǎn)錄組分析、染色體免疫共沉淀測(cè)序（Chromatin Immunoprecipitation-Deep Sequencing，ChIP-Seq）、基因組甲基化測(cè)序、宏基因組(Metagenome)測(cè)序、基因組從頭測(cè)序（De novo genome sequencing）、全基因組的重新測(cè)序（genome re-sequencing），以便對(duì)各種病原微生物、模式生物、經(jīng)濟(jì)作物、家畜、家禽、以及人類(lèi)進(jìn)行全面的功能基因組分析，特別是對(duì)表觀遺傳學(xué)在發(fā)育、代謝等各種生命活動(dòng)中的關(guān)鍵作用和調(diào)控機(jī)理的深入分析，對(duì)腫瘤基因組各種突變及結(jié)構(gòu)變化的深入分析，以及對(duì)重大疾病相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組分析。

超高空間分辨率顯微成像在生命科學(xué)中的應(yīng)用

光學(xué)成像本質(zhì)上是光波通過(guò)透鏡后的相干衍射圖像，其空間分辨率受限于光的波長(zhǎng)。因此即便是無(wú)限小的點(diǎn)光源，在成像時(shí)其點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的寬度也有幾百納米，遠(yuǎn)大于細(xì)胞生物學(xué)中常見(jiàn)的生物分子尺度。這使得在使用單分子熒光技術(shù)研究分子尺度的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程時(shí)，因?yàn)槎鄠€(gè)熒光基團(tuán)間的信號(hào)重疊而只能得到模糊的圖像。為了克服衍射限制以達(dá)到更高的解析度，近十年來(lái)基于不同的原理，多種超空間分辨率光學(xué)顯微技術(shù)得以發(fā)展，包括STED, SIM, PALM, 和STORM等。對(duì)比傳統(tǒng)的熒光顯微鏡，這些超空間分辨率光學(xué)顯微技術(shù)可以分辨更精細(xì)的結(jié)構(gòu)（幾十個(gè)納米左右），因而在生命科學(xué)研究中有很廣闊的應(yīng)用前景，并已經(jīng)展示出很多重要的結(jié)果。其中包括研究活細(xì)胞的動(dòng)態(tài)過(guò)程，比如神經(jīng)元突觸小泡的運(yùn)動(dòng)和膜質(zhì)的的動(dòng)力學(xué)；以及高分辨率的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，比如細(xì)胞器三維結(jié)構(gòu)，線粒體膜蛋白及神經(jīng)元突觸蛋白分布，細(xì)胞骨架，和DNA結(jié)構(gòu)等。

相干拉曼顯微成像技術(shù)的發(fā)展及在生命科學(xué)中的應(yīng)用

活細(xì)胞和活體樣品的光學(xué)顯微成像，對(duì)于基礎(chǔ)生命科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)的應(yīng)用均具有十分重要的意義。顯微技術(shù)的發(fā)展，使得我們對(duì)微觀生命世界的認(rèn)識(shí)得以提升。現(xiàn)有的光學(xué)顯微技術(shù)通常是通過(guò)利用樣品對(duì)光的吸收或者熒光發(fā)射來(lái)進(jìn)行成像的，這些手段應(yīng)用廣泛，但是也面臨著一定的局限性。在許多樣本的觀察中，為了體現(xiàn)特異性，往往需要進(jìn)行針對(duì)性標(biāo)記。這些標(biāo)記技術(shù)在許多條件下無(wú)法很好地使用，例如許多標(biāo)記技術(shù)會(huì)殺死細(xì)胞，其他的一些方法需要進(jìn)行轉(zhuǎn)基因的實(shí)驗(yàn)，而另一些標(biāo)記可能并無(wú)法真實(shí)反應(yīng)樣品內(nèi)的真實(shí)情況。利用樣品內(nèi)物質(zhì)本身的特征來(lái)進(jìn)行成像以擺脫傳統(tǒng)標(biāo)記技術(shù)的限制，實(shí)現(xiàn)非標(biāo)記的光學(xué)顯微成像，是現(xiàn)代顯微技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。拉曼散射現(xiàn)象是物質(zhì)分子的本征特性，它來(lái)源與分子內(nèi)特定化學(xué)基團(tuán)的振動(dòng)。利用兩束頻率間隔與所觀察物質(zhì)的拉曼振動(dòng)頻率相吻合的激光與樣品相作用時(shí)，可以**率地產(chǎn)生相干拉曼散射信號(hào)，通過(guò)相干反斯托克斯拉曼散射和受激拉曼散射兩個(gè)方式，我們可以在不經(jīng)標(biāo)記而進(jìn)行高特異性與高靈敏度的生物成像，其三維分辨率與現(xiàn)有的多光子顯微鏡基本一致。通過(guò)這一新技術(shù)，我們可以無(wú)需標(biāo)記觀察脂、蛋白質(zhì)、核酸、水、小分子藥物等多種物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)和組織內(nèi)，甚至活體內(nèi)的分布、動(dòng)態(tài)行為和演化過(guò)程。這些信息對(duì)于基礎(chǔ)的生命科學(xué)研究，特別是許多生命過(guò)程的機(jī)理闡述和醫(yī)學(xué)應(yīng)用中疾病機(jī)制與診斷的研究具有重要的幫助。



微流控單細(xì)胞操控與分析技術(shù)及其應(yīng)用

微流控技術(shù)是研究對(duì)象通常是特征體積在微升以下的微量液體。細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單元，其尺寸恰好適合利用微流控技術(shù)進(jìn)行特定的操作例如細(xì)胞的輸運(yùn)和培養(yǎng)條件的控制。單細(xì)胞的研究是生命科學(xué)研究的新趨勢(shì)，這不僅僅是技術(shù)上的突破，同時(shí)為我們更加全面地認(rèn)識(shí)生命世界提供了工具和新的途徑。我們通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，利用成熟的微納加工工藝制備用于單細(xì)胞研究的微流控芯片。在芯片上，我們可以進(jìn)行細(xì)胞的可控條件培養(yǎng)以及實(shí)時(shí)觀察，細(xì)胞培養(yǎng)微環(huán)境的設(shè)定、調(diào)控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，單細(xì)胞層次上的細(xì)胞生物物理學(xué)研究和行為監(jiān)測(cè)等。


單分子成像及操縱技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用

單分子技術(shù)手段由于可以獲得很多傳統(tǒng)大尺度集合系統(tǒng)研究手段所不能得到的信息，近年來(lái)充分顯示了在當(dāng)今世界科學(xué)研究前沿的重要性。單分子技術(shù)從方法上可大致分為單分子光譜及成像和單分子操縱及力學(xué)性質(zhì)測(cè)量。其中單分子光譜及成像基于分子的內(nèi)稟光譜以及與周?chē)h(huán)境和分子的作用來(lái)測(cè)量單一分子對(duì)光的響應(yīng)（熒光、共振能量轉(zhuǎn)移、散射和吸收等）及受化學(xué)反應(yīng)的影響（如酶催化和電子轉(zhuǎn)移等）。這些技術(shù)可以在納米空間尺度和毫秒時(shí)間尺度上精確測(cè)量單分子的距離、位置、指向、分布、結(jié)構(gòu)以及各種動(dòng)態(tài)過(guò)程。單分子操縱及力學(xué)性質(zhì)測(cè)量則是使用高精度、高靈敏度的操縱和檢測(cè)儀器直接或間接對(duì)單分子進(jìn)行力學(xué)操縱和測(cè)量的技術(shù)。目前常見(jiàn)的方法有光鑷、磁鑷和原子力顯微鏡。取決于不同的研究體系，它們可以在皮牛到微牛的作用力區(qū)間對(duì)單分子做到精確的力學(xué)控制和測(cè)量。近十年來(lái)，新的單分子研究方法不斷涌現(xiàn)，極大地推進(jìn)了生命科學(xué)各個(gè)研究領(lǐng)域的發(fā)展。尤其是很多以前不能用傳統(tǒng)集合手段研究的體系，比如馬達(dá)蛋白的運(yùn)動(dòng)、蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化以及分子水平基因的轉(zhuǎn)錄翻譯等則因?yàn)閱畏肿蛹夹g(shù)的應(yīng)用出現(xiàn)了很多突破性的進(jìn)展。單分子技術(shù)已成為研究生命科學(xué)的重要手段，其終極目標(biāo)之一就是在體內(nèi)實(shí)時(shí)觀測(cè)單分子，包括生物大分子的運(yùn)動(dòng)并以此在分子水平上理解生理?xiàng)l件下的細(xì)胞過(guò)程。我們單分子及活細(xì)胞動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)主要方向就是開(kāi)創(chuàng)、發(fā)展和應(yīng)用新的和現(xiàn)有的單分子技術(shù)在單分子水平上研究活細(xì)胞，如癌細(xì)胞和干細(xì)胞的基因表達(dá)和調(diào)控，進(jìn)而在癌癥治療和干細(xì)胞調(diào)節(jié)等領(lǐng)域做出世界的工作。