原子尺度上的追逐|專訪李雪明:只能自己用的工具不是工具
2020年06月22日11:13

原標題:原子尺度上的追逐|專訪李雪明:只能自己用的工具不是工具

大至藍鯨,小至病毒,生物的世界,可謂千差萬別。但無論形態多麼豐富,生命的奧秘卻藏在蛋白質之中——它們好比構築生命大廈的磚石,決定著生命可能具有的生物功能。要探究蛋白質結構,這就進入了微觀的世界,是對納米級別世界的窺探。1納米相當於把一根頭髮絲切成5萬份。要看清蛋白質結構,必須有“火眼金睛”。

中國在蛋白質領域曾有傑出建樹。上世紀70年代初期,中科院物理所、中科院生物物理所、上海生化所、北京大學化學系、北京大學生物系共同組成的“北京胰島素結構研究組”測定了亞洲第一個蛋白質晶體結構——豬胰島素三方二鋅晶體結構,這是中國結構生物學歷史發展的起點。

曆經跌宕起伏,50年過去後,中國的結構生物學家再次站上國際科研隊伍的前列,試圖在近原子解像度下探索生命的奧秘。在最近向世界級高水平之巔發起的攀登中,清華大學結構生物學高精尖創新中心(下稱“高精尖中心”)無疑是最耀眼的一支隊伍。

該中心於2015年在北京市高等學校高精尖創新中心建設計劃下應運而生,但該中心的力量積累則需要再往前推進20年。現年75歲的中國科學院院士、中國冷凍電鏡先行者隋森芳即是早期最重要的力量之一,至今依然在該中心從事科學研究,並培育出不少當下的中堅力量。

近日,澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者來到清華大學,專訪了清華大學生命科學學院院長、結構生物學高精尖創新中心執行主任王宏偉教授,清華大學醫學院教授、結構生物學高精尖創新中心副主任李海濤,清華大學生命科學研究員、結構生物學高精尖創新中心PI李雪明,清華大學生命科學研究員張強鋒,去年剛從清華大學生命科學學院博士畢業、新晉“世界最具潛力女科學家獎獲得者”白蕊。通過這五位和高精尖中心深度交集的科學家向讀者展現出:伴隨著該中心的發展壯大,近幾年來中國結構生物學如何再次站上世界前列。

“如此紛繁複雜的物質世界最終卻歸於一百多種原子的排列組合,這其中蘊藏的奧秘,是如此的神奇,令滿懷好奇的人們雖獻身終生卻難窺其一斑。”清華大學生命科學研究員、結構生物學高精尖創新中心PI李雪明在獲得“2015年度求是傑出青年學者獎”之時曾如此寫下他所從事的研究工作。

彼時,李雪明從美國加利福尼亞大學舊金山分校(UCSF)回到清華大學才近一年時間。回國之前,李雪明是加利福尼亞大學舊金山分校程亦凡實驗室的博士後,他直接參與的“直接探測相機”的開發最終掀起了隨後冷凍電鏡(cryo-EM)在生物學領域的“解像度革命”。

1979年出生的李雪明在2002年和2005年分別於北京科技大學獲材料物理專業學士和碩士學位,2009年於中國科學院物理研究所獲凝聚態物理專業博士學位。其和程亦凡都是物理出身,均師從中國科學院院士、著名物理學家、電子顯微學家、中國科學院物理研究所研究員李方華,只不過他們的博士生涯前後間隔18年。

近日,李雪明在接受澎湃新聞記者(www.thepaper.cn)專訪時提起當年的“轉行”契機,源於其已經轉行研究冷凍電鏡的同門師兄程亦凡想找一位做計算的人,“我導師推薦我考慮一下,那個時候我整天在寫程式,正好匹配上了。”

從物理跨入生物領域,對李雪明來說,“其實是樣品變了,本質的東西沒有變。”而吸引點在於,其博士之前的工作是用電子衍射晶體學和圖像處理技術結合將功能材料的解像度提高到1埃以上,也就是0.1納米,這是生物學領域望塵莫及的。“當時冷凍電鏡下的生物分子結構的解像度基本在7-8埃,將近1納米,裡面有很多提高的空間,我可以去做很多事情。”

站在“解像度革命”起點

2017年度的諾貝爾化學獎授予了英國劍橋大學科學家理查德·亨德森(Richard Henderson)、美國哥倫比亞大學科學家約阿基姆·弗蘭克(Joachim Frank)、瑞士洛桑大學科學家雅克·迪波什(Jacques Dubochet),以表彰他們發展了冷凍電子顯微學技術,以很高的解像度測定溶液里的生物大分子的結構。

上述三位科學家均是在上世紀八十年代前後解決了冷凍電鏡觀察生物樣品的技術難題,然而在此後近30年時間里這種方法仍然不被結構生物學家們青睞。當時尚存在的最大問題是一直達不到足以和X射線晶體學技術媲美的解像度。在更多突破性技術出現之前,只有高對稱性的大病毒才能通過冷凍電鏡獲得近原子解像度結構。

李雪明在2017年諾貝爾化學獎花落冷凍電鏡之後曾專門撰文《冷凍電鏡:在原子尺度上觀察生命》。他在形容十幾年前用冷凍電鏡觀察只有幾百千道爾頓(kDa)分子量的大分子復合物時如此寫道:當噪音強度固定的時候,越小的物體,信噪比就會越低。類比於我們在黑夜裡很容易就能看清楚一座大樓,但很難看清楚一隻小螞蟻。

這一局面最終於2013年左右被徹底打破。簡單來說,冷凍電鏡方法就是把蛋白質樣品迅速冷凍在玻璃化水裡,用電子顯微鏡給蛋白質拍攝多個不同取向的單顆粒蛋白的二維圖像,隨後用計算機圖像處理算法將這些二維圖像重構成完整的三維圖像。從上世紀九十年代開始,科學家們試圖從相機入手來解決解像度低的問題。

其中一支長期的攻克隊伍來自於加州大學舊金山分校的David Agard和程亦凡的團隊,他們與Gatan公司合作,基於直接電子探測器技術,發展和實現了電子計數技術。李雪明在這款相機接近應用時加入了該項目,在博士後工作期間,他為解像度的進一步提升寫下了濃墨重彩的一筆。

2013年5月,李雪明以第一作者身份在《自然-方法學》(Nature methods)上發表了關於電子計數相機和電子顯微像漂移糾正的突破性工作,並驗證可以讓僅具有D7對稱性、約700kDa的蛋白質實現近原子解像度的三維重構。

程亦凡曾如此評價李雪明,“他是一名非常聰明的科學家,圖像漂移校正技術的一個核心方面實際上就是他的一個想法,所以我們用相機的時候這也是水到渠成的一個做法。”2013年底,程亦凡等人用最新的技術在頂級學術期刊《自然》(Nature)證明,冷凍電鏡可以將膜蛋白TRPV1蛋白的結構解析到3.3-3.4埃的水平。

這一結果在一定程度上宣告了大多數結構生物學家必須重新選擇手中的“利器”,冷凍電鏡一舉逆襲成為結構生物學領域最搶手的工具。

彼時的清華雖配置了冷凍電鏡,但同樣面臨著解像度遲遲無法提高的困境,李雪明在2014年的滿載而歸無疑是備受歡迎的。“一回來正好趕上K2電子計數相機的安裝,把相機和相應軟件配置起來,然後教大家如何使用,解釋原理是什麼,同時也培訓了一些人,回到國內的工作很快就做起來了。”李雪明表示。

冷凍電鏡自動化系統:“今年搭出一個能跑的框架”

2013年至今,各大實驗室普遍使用的單顆粒分析技術日臻完善。李雪明近年來對於該技術的追求在於:建立一套先進的冷凍電鏡自動化控製和數據分析系統去大幅度提升效率和可靠性。

現行方法需要研究人員獲得成千上萬張高質量冷凍電鏡照片,隨後進行龐大的數據計算處理,僅清華的冷凍電鏡平台,每天產生的數據量達到10-20 TB級(1TB=1024GB,1GB=1024MB)。整個流程涉及大量的非自動化工作,這需要大量的人力投入,且耗時數月,同時結構解析最終的質量還需高度依賴使用者的個人經驗。

這對技術被商業化大規模利用顯然是不利的。冷凍電鏡的商業化時代目前尚處於起步階段,領域內的先行者們認為,冷凍電鏡將是藥物研發的一個重要平台,甚至可能會改變新藥研發的模式。

清華大學的團隊在該領域也已搶先佈局。2017年,水木未來(北京)科技有限公司(下稱“水木未來”)在北京成立,這家專注於臨床前新藥研發加速服務的平台型公司由清華大學生命科學學院院長、結構生物學高精尖創新中心執行主任王宏偉團隊基於結構生物學和高性能計算相關技術孵化而來,李雪明也在該公司擔任科學顧問。

李雪明團隊的目標是,把樣品製備之後的所有步驟整合到一個“黑盒子”里去,靠自動化分析系統去完成數據採集和圖像處理。“我們現在做還沒有完全完成,但瓶頸越來越少了,今年大概能把技術整合起來搭出一個能跑的框架出來,能夠真正運行起來。”

除對成熟技術自動化改進外,李雪明的另一焦點在於如何幫助生物學家們看到更真實的微觀世界。在採訪過程中,他著重提及冷凍電子斷層掃瞄術(Cryo-ET),目前的思路下,這一方法是通過對低溫冷凍細胞進行聚焦離子束(FIB)減薄,對減薄的細胞樣本(冷凍薄片)拍攝一系列二維圖像,然後將其重建為 三維結構。

這一方法可以幫助科學家們在原始環境下直接觀察到細胞的清晰結構。“我覺得這是非常有意義的,如果將來能真正實現,做到像單顆粒分析或者晶體學這些辦法一樣成熟,那麼我覺得做生物的人的邏輯就完全不一樣了。這是一個很重要的方向,很多國際團隊幾乎都在朝著這方向研究。”李雪明表示。

如何在液氮冷凍狀態下找到樣品中的感興趣區域並精準地切到足夠薄的狀態?這是目前需要解決的最關鍵問題之一。李雪明解釋道,“以小鼠肝為例,它的尺寸是幾毫米,細胞尺寸一般在十幾到幾十微米,我們第一刀切出來大概能到100微米厚,然後把它凍起來,但液氮溫度下再怎麼往下切就比較難,而我們最終的目標是要切到200納米厚,還要正好切在要研究的區域上。”

展望這項前沿技術,李雪明表示,“單顆粒技術從真正能被用以解析生物樣品結構到2013年的成熟應用,大概走了35年時間,Cryo-ET這些年一直在推進,聚焦離子束切割等新技術在逐漸出現,但沒有獲得實質性的進展,還需要要積累一段時間。”但他相信,技術永遠是越走越快,“我覺得再過5年左右能進一大步,至少這一點是沒有問題的。”

“我有樣品恐懼症,技術是個苦活”

細看李雪明回國之後的論文成果,這位學物理出身的科學家,和生物領域靠得越來越近。

在方法學研究的同時,李雪明近年來還開展了細菌分泌系統的生物學研究,利用冷凍電鏡技術解析了多個細菌分泌系統的結構,並研究相關分泌機製,提出了一項抑製細菌生物膜分泌的新思路。

提及這些,李雪明表示,“其實從博士期間開始,我最擔心的一件事就是沒樣品,做技術的人可能都會有‘樣品恐懼症’,雖然方法研究好像跟樣品沒有關係,但實際上強烈依賴樣品,比如我要處理圖像,那我必須先有樣品才能獲得圖像。而且要‘理解’樣品,理解其中的問題。樣品提供者對你技術工作的理解與信任,尤其是長期的合作與幫助,至關重要。”

此外,冷凍電鏡技術服務於生物學,“明白生物問題是什麼?我在結構處理的時候才能夠有針對性。”李雪明認為,其團隊的生物學研究能促進團隊的冷凍電鏡技術和方法學研究,使研究更加切合實際需求,定位於解決實際問題。

穩定的樣品來源非常重要,穩定的人才隊伍對李雪明來說或許更為關鍵。“有人說有人才更迭會越來越好,但人員流動對做技術來說卻非常不利。尤其對做交叉學科技術的尤其不利,因為培養一個單一技術背景的人理解多學科的內容是一個長期工作。它需要一個人持續地做下去,哪怕一項小的技術。但現在的體製和機製,以及氛圍,很難保障技術人員在實驗室里穩定工作下去。”

他笑稱自己就像“光杆司令”,其餘全是“流動人員”,而他很多想法也停留在由不同的人“從零起步、再回到零重新起步”的無奈狀態。如果把技術比作是一幢不斷壘高的建築,那麼每次人員的大流動都是一次摧毀。

儘管高精尖中心多年來一直給予支援,但李雪明希望能有更多的渠道給技術人員更好的成長和工作環境。在他眼裡,技術人員在科學進步中是舉足輕重的,這一群體讓科學家們的很多想法得以真正實現。“吸引更多的不同領域技術人員,尤其是高科技公司中的高級技術人員,願意加入到科研相關的技術開發中來,作為一個可以安身立命,並奮鬥終身的職業,非常重要。”

此外,李雪明認為現行的以論文為基本考核指標的學生考核機製對技術研究也尤為不合適。“發論文其實是中間過程,有成果就發,沒有就先不發,它是一個副產品。我們真正的目標是做誰都可以用的通用技術和工具,發了文章卻不好用或者別人用不起來的工具不能稱為工具。”初衷即為發論文的工作往往就是曇花一現。

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽