中科院高能所基于大科學裝置的金屬組學研究獲進展

金屬組學是系統研究生命體內自由或絡合的金屬/類金屬的分布、含量、化學種態及功能的一門新興學科。大科學裝置可為金屬組學研究提供卓越平臺，發展新的金屬組學研究框架。

近日，中科院高能所李玉鋒、周愛玉與東北大學于永亮等人合作，以硒超富集植物-堇葉碎米薺（Cardamine violifolia）單粒種子為研究對象，借助北京同步輻射裝置X射線熒光微分析實驗站硬件和軟件功能升級契機，發展了基于同步輻射X射線熒光二維/三維成像技術、同步輻射X射線吸收譜技術、二維質譜成像技術及微區計算機斷層掃描（micro-CT）技術的空間金屬組學（spatial metallomics）研究框架，實現了堇葉碎米薺單粒種子中有機硒和無機硒的原位二維/三維成像（圖1），首次發現堇葉碎米薺種皮中存在甲基硒代化合物，加深了對堇葉碎米薺富硒機制的理解，并以Spatial metallomics reveals preferable accumulation of methylated selenium in a single seed of the hyperaccumulator Cardamine violifolia為題發表于 Journal of Agricultural and Food Chemistry。值得一提的是，這是北京同步輻射裝置X射線熒光實驗站首次利用飛掃技術結合連續切片技術實現樣品中元素三維成像（圖2）。

圖1堇葉碎米薺單粒種子的空間金屬組學研究框架

圖2同步輻射X射線熒光譜飛掃技術結合連續切片技術實現樣品中元素三維成像

東北大學/中科院高能所聯合培養博士研究生解宏鑫為第一作者。李玉鋒團隊碩士研究生田雪、何麗娜、李錦成，中國科學院大學崔麗巍博士，北京同步輻射裝置/高能同步輻射光源陳棟梁研究員、吳忠華研究員、張一副研究員、郭志英副研究員、陳中軍副研究員，島津（中國）創新中心湯博崇博士，恩施德源硒材料工程科技有限公司叢欣博士，中科院高能所多學科中心高愈希研究員、王黎明特聘青年研究員、趙甲亭特聘青年研究員及李柏高級實驗師等人對本文做出了貢獻。國家納米科學中心趙宇亮院士、陳春英研究員為本研究提供了指導。

此前，李玉鋒與中國農業大學王偉教授、安徽醫科大學王欣教授、李超副主任醫師等人合作，發展了基于同步輻射X射線熒光光譜及機器學習的非靶標金屬組學（non-targeted metallomics）研究框架，建立了利用血液快速、準確篩查癌癥的新方法，并以Non-targeted metallomics through synchrotron radiation X-ray fluorescence with machine learning for cancer screening using blood samples為題發表于Talanta雜志。該研究框架也有望用于其他疾病的快速篩查及新藥開發。

上述研究得到了國家自然科學基金的資助并得到了北京同步輻射裝置、高能同步輻射光源相關線站的支持。

據悉，中科院高能所已與香港大學組建了金屬組學與健康和環境聯合實驗室（Joint Laboratory of Metallomics on Health and Environment），旨在充分依托大科學裝置，發展新一代金屬組學方法學，解決重要健康（如癌癥、病毒性疾病、糖尿病、神經退行性疾病）和環境（如重金屬、納米材料、微納米塑料、放射性核素）問題，為國家環境健康管理提供有力技術支持。目前，該實驗室已出版《Nuclear Analytical Techniques for Metallomics and Metalloproteomics》（RSC, 2010）、《金屬組學》（科學出版社，2016）等專著2本，另一本專著《Applied Metallomics》（Wiley）也即將付梓。2022年度（截至2022年12月31日），實驗室共發表學術論文30篇（含中科院一區雜志18篇），其中Nat Nanotechnol一篇，PNAS一篇，Nat Commun一篇，Angew Chem一篇。