在電影和電視節(jié)目中，海豚經(jīng)常被描繪成通過卓越的力量和韌性拯救人類的英雄。現(xiàn)在，海豚可以在現(xiàn)實生活中拯救人類的一天 - 借助可以測量數(shù)千種蛋白質(zhì)的新興技術(shù)和一個充滿遺傳數(shù)據(jù)的改進數(shù)據(jù)庫。“海豚和人類是非常非常相似的生物，”NIST的Ben Neely說，他是海洋生物化學(xué)科學(xué)小組的成員，也是南卡羅來納州查爾斯頓研究機構(gòu)Hollings Marine Laboratory的一個新項目的負責人，該實驗室包括國家標準與技術(shù)研究所(NIST)作為其合作機構(gòu)之一。“作為哺乳動物，我們共享許多蛋白質(zhì)，我們的身體以許多相似的方式發(fā)揮作用，即使我們是陸地和海豚一生都在水中生活。”

Neely和他的同事剛剛完成了對寬吻海豚基因組中發(fā)現(xiàn)的所有蛋白質(zhì)的詳細，可搜索的指數(shù)。基因組是生物體中存在的一整套遺傳物質(zhì)。Neely的項目建立在多年的海洋哺乳動物研究基礎(chǔ)之上，旨在提供更高水平的生物分析測量。這項工作的成果將有助于野生動物生物學(xué)家，獸醫(yī)專業(yè)人員和生物醫(yī)學(xué)研究人員。

蛋白質(zhì)地圖可以幫助海豚和人類

盡管2008年首次編制了寬吻海豚(Tursiops truncatus)基因組的詳細地圖，但最近的技術(shù)突破使得能夠創(chuàng)建一個由海豚DNA產(chǎn)生的所有蛋白質(zhì)的新的更詳盡的地圖。

Neely在Hollings海洋實驗室的同事的幫助下領(lǐng)導(dǎo)了生成新基因組的過程。對于這個項目，最初的基因組測序和組裝由美國私人公司Dovetail Genomics完成。接下來，基因組由美國國家醫(yī)學(xué)圖書館(NCBI)的國家生物技術(shù)信息中心注釋，使用之前存儲的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)在很大程度上由國家海洋和大氣管理局的國家海岸科學(xué)海洋基因組學(xué)核心中心產(chǎn)生。

“一旦你能夠識別所有的蛋白質(zhì)，并知道它們的數(shù)量是由基因組表達的，”Neely解釋說，“你可以用這種非常詳細的方式弄清楚寬吻海豚的生物系統(tǒng)中發(fā)生了什么。”

Neely的研究是一個名為蛋白質(zhì)組學(xué)的新興領(lǐng)域的一部分。就海豚而言，蛋白質(zhì)組學(xué)工作具有廣泛的潛在應(yīng)用。

動物園和水族館產(chǎn)業(yè)每年產(chǎn)生約160億美元的收入，可以用它來改善寬吻海豚的護理。

此外，改進的海豚蛋白質(zhì)組學(xué)可以改善對野生海豚種群的評估，并提供大量有關(guān)環(huán)境污染物以及世界海洋食物網(wǎng)的安全和健康的數(shù)據(jù)。

比較人類和這些其他哺乳動物的蛋白質(zhì)已經(jīng)為研究人員提供了大量有關(guān)人體如何運作的新信息。這些發(fā)現(xiàn)最終可用于開發(fā)新的，更精確的常見醫(yī)療問題治療方法。

隨著海洋哺乳動物的下降，它們切斷了許多器官的血液流動，長期以來一直困擾著生物學(xué)家。相反，如果血液停止流動到人體器官甚至幾秒鐘，結(jié)果可能是中風，腎衰竭，甚至死亡。

研究最近發(fā)現(xiàn)，海洋哺乳動物血液中鮮為人知的蛋白質(zhì)可能在潛水過程中發(fā)揮重要作用，保護寬吻海豚的腎臟和心臟免受血液流動和氧氣在這些水下突襲期間反復(fù)開始和停止的損害。

這些蛋白質(zhì)之一被稱為vanin-1。人類生產(chǎn)的是vanin-1，但含量要少得多。研究人員希望收集有關(guān)提高vanin-1水平是否可以為腎臟提供保護的更多信息。

南卡羅來納醫(yī)科大學(xué)的Mike Janech說：“關(guān)于基因和它們產(chǎn)生的蛋白質(zhì)的知識存在這種差距。我們錯過了這些動物如何做他們所做的事情的巨大難題。” 他的研究小組一直在研究vanin-1，并且已經(jīng)確定了由NIST創(chuàng)建的海豚基因組的許多其他潛在的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

“基因傳遞生命信息，”Janech說。“但蛋白質(zhì)執(zhí)行功能。”

從宏到微觀

Vanin-1只是關(guān)于這種哺乳動物表親的基因組信息如何證明有用的一個例子?？赡苡袛?shù)百種其他類似的應(yīng)用，包括一些與高血壓和糖尿病的治療有關(guān)的應(yīng)用。

這代表了仿生學(xué)的另一種途徑，它通過檢查和模仿自然的模式和策略來尋求解決人類問題的方法。在過去，仿生學(xué)只關(guān)注動物身體部位的結(jié)構(gòu)方面，如手臂和腿或鼻子和嗅聞等功能模式。但隨著對DNA的研究的進化，我們也能夠檢測另一個哺乳動物體內(nèi)最微小水平的事情。

“我們現(xiàn)在正在進入所謂的后模型生物時代，”尼利說?？茖W(xué)家們正在尋找模型過程中這些生物的基因和蛋白質(zhì)的完整分子景觀，而不僅僅是尋找模型，模仿或?qū)W習的結(jié)構(gòu)。“利用豐富的基因組資源，現(xiàn)在可以研究具有相似分子機制的非模式生物，以解決困難的生物醫(yī)學(xué)問題。”

數(shù)據(jù)，新技術(shù)和高質(zhì)量組織樣本

為了收集所需的蛋白質(zhì)信息，Neely和他的團隊使用了國家海洋哺乳動物組織銀行(NMMTB)提供的標本，這是NIST海洋環(huán)境標本庫最長的項目。NMMTB中大約4,000個海洋哺乳動物標本中的一半被收集作為海洋哺乳動物健康和擱淺反應(yīng)計劃的一部分。已知為Neely的研究提供的標本非常接近Hollings海洋實驗室。

新的，最先進的基因組立即開始提供新的生物化學(xué)見解。NIST正在進行研究，以使用超高分辨率三重混合質(zhì)譜儀驗證更新的蛋白質(zhì)圖譜，該質(zhì)譜儀是用于鑒定和定量蛋白質(zhì)的最強大工具。

其他哺乳動物蛋白似乎也很有希望

Neely表示，該結(jié)果證明了重新繪制基因組的效用，以及與高分辨率質(zhì)譜儀相結(jié)合的新基因組測序技術(shù)所提供的改進的生物分析能力。該項目的數(shù)據(jù)也將在公共領(lǐng)域提供，以便其他人可以輕松訪問和使用各種應(yīng)用程序和研究。

這是查爾斯頓小組開展的許多此類項目中的第一個，其中新的分析技術(shù)可應(yīng)用于海洋動物。研究其他潛水海洋哺乳動物可以提高我們對潛水分子機制的理解。此外，海獅蛋白質(zhì)可能有很多東西可以告訴我們轉(zhuǎn)移性癌癥，這尤其激起了Neely和他的同事。

作為一名研究化學(xué)家，Neely說他現(xiàn)在并沒有花太多時間觀察海洋哺乳動物作為他工作時間的一部分。然而，當他沿著卡羅萊納州的海岸線沖浪時，他確實遇到過海豚。

“令人驚訝的是，我們認為我們正處于海洋哺乳動物的前沿研究可以直接推進人類生物醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)的地步，”他說。