在精准医学时代,蛋白质组学被认为是最接近生命功能本质的组学技术。相比基因组学提供的“设计图”,蛋白质才是真正执行生理功能、反映疾病状态的分子层级。
作为蛋白质组学与质谱技术的奠基人之一,Matthias Mann 教授亲历并推动了这一领域过去 25 年的关键演进。近日,在 GenomeWeb 成立 25 周年的专访中,他系统回顾了蛋白质组学的发展路径,也给出了一个颇为冷静的判断:
▇ 蛋白质组学的技术能力已经呈指数级增长,但其对临床医学的实际改变,仍然远慢于技术本身的发展速度。
“看见一个蛋白”到“看见一个细胞系统”
回顾蛋白质组学的发展历程,本质上是一条研究对象不断复杂化的路径。
早期,质谱技术只能帮助研究者“看见”大分子蛋白;随后,技术进步使得单个蛋白、蛋白混合物、蛋白复合物乃至细胞器得以系统分析。大约 15 年后,人类首次实现了完整真核生物蛋白质组的解析。
此后,蛋白质组学进入指数级发展阶段。如今,研究者已经能够在体内实现细胞类型分辨率的蛋白质组分析,甚至迈向单细胞尺度。这一演进并非单点突破,而是样品制备、液相分离、质谱检测、生物信息学等整条技术链的协同进步。
技术能力的“指数级跃迁”
在过去 25 年中,蛋白质组学最显著的变化来自于质谱及其配套流程的整体提升。
质谱仪本身的性能提升了约 10 万倍,且增长趋势并未放缓。同时,从样品前处理、高效液相色谱分离,到数据采集与计算分析,整个工作流程都在持续被重构和优化。
这一进步带来的直接结果是:
如今,研究者可以在 5 分钟内鉴定一个细胞系中约 8000 种蛋白质,单日完成数百个样本的蛋白质组分析。这在 20 年前几乎难以想象。
蛋白质组学,已经从“低通量、专家型技术”,逐步演变为一种具备规模化潜力的测量平台。
长期处于“阴影”之下,但并非失败
与基因组学相比,蛋白质组学长期显得“声量更小”。人类基因组计划和深度测序技术的成功,使基因组学在科研和临床层面获得了巨大关注。
但从另一个角度看,如果与传统生物化学方法相比,蛋白质组学的能力提升已达到百万倍量级。它并非发展缓慢,而是走在一条更复杂、工程化要求更高的道路上。
蛋白质组学不仅要“测得准”,还要同时解决样品复杂度高、动态范围大、定量稳定性要求极高等现实问题。这也决定了它的发展节奏与基因组学并不完全相同。
临床转化的“现实差距”
在所有应用场景中,临床蛋白质组学被认为是最具颠覆潜力、同时也最具挑战性的方向。
理想状态下,一次血浆蛋白质组检测即可整合现有多种生化与免疫检测指标,全面反映人体状态,从而显著提升诊断准确性。然而,这一愿景至今尚未真正实现。
原因并不在于“测不出来”,而在于临床医学对技术提出了远高于科研实验的要求:
稳定性、可重复性、可解释性、成本控制以及监管合规,缺一不可。
Mann 教授也坦言,即便是基因组学和转录组学,在过去 20 多年中对临床医学的实际改变,也远低于当年的乐观预期。蛋白质组学同样面临这一现实:技术进步是指数级的,但进入临床实践的速度是线性的。
蛋白质组学真正不可替代的价值:翻译后修饰
在众多应用中,蛋白质组学拥有一个无法被其他组学取代的核心优势——翻译后修饰(PTM)。
基因测序无法直接检测蛋白质在功能层面的修饰状态,而质谱可以通过分子量变化精准定位修饰类型和位点。如今,研究者已能在极少量样本中,规模化分析数以万计的磷酸化位点。
这些修饰往往直接决定信号通路是否被激活、代谢状态如何变化,也是疾病发生和药物反应的关键分子基础。未来,基于 PTM 的蛋白质组学,可能比“蛋白总量检测”更早进入精准医学场景。
“不可能”的单细胞蛋白质组学,已经成为现实
值得注意的是,即便是 Mann 教授本人,也曾低估技术的长期潜力。
在五年前,他曾认为单细胞蛋白质组学几乎不可能实现,因为单个细胞的蛋白质含量极低。但如今,研究者已能较为常规地从单个细胞中鉴定出约 5000 种蛋白质。
这再次印证了一个规律:
我们往往在短期内高估技术,在长期却低估它。
面向未来:AI 与系统生物学的结合
展望未来十年,蛋白质组学面临的关键任务并非继续单纯追求“更强的仪器”,而是如何将现有能力真正推向临床和药物发现。
其中,人工智能将从两个层面深度介入蛋白质组学:一方面,优化数据采集、处理与解释流程;另一方面,帮助研究者理解复杂系统对扰动的整体响应,突破传统生物学对单一蛋白或通路的依赖。
蛋白质组学与 AI 的结合,或将推动生命科学从“局部机制研究”走向真正的系统级理解。
结语
回顾过去 25 年,蛋白质组学已经完成了一次深刻的技术跃迁;而展望未来,它真正的挑战不再是“能不能测”,而是:
如何让蛋白质组学变得稳定、可复制、可解释,并真正融入医学体系。
这或许正是 Matthias Mann 所期待的——蛋白质组学的下一次关键跨越。
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