清華學(xué)生攻堅(jiān)構(gòu)造生物學(xué)困難 /編號:DS164iR

2014-11-28 06:28 來源：http://www.elinglong.com/ 閱讀：次

　　他們，不僅是中國科學(xué)研究的當(dāng)初，更是中國，乃至世界科學(xué)界的將來。

　　“現(xiàn)在對黨尚宇他們來說，再做膜蛋白的結(jié)構(gòu)和功能分析，已經(jīng)沒什么恐怖的了，他們已經(jīng)有充分的自負(fù)。在我的心目中他們就是鋒芒畢露的青年科學(xué)家。”顏寧很觀賞這兩個小伙子。

　　黨尚宇認(rèn)為，在應(yīng)用各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)儀器的時候，僅僅曉得如何去用是不夠的，更重要的是要知道為什么要這么做，儀器的原理是什么。惟其如斯，才不僅僅能按照老師教的辦法去做實(shí)驗(yàn)，也可以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方式，甚至可以在合乎原理的條件下?lián)Q另外一種實(shí)驗(yàn)方法。

清華學(xué)生攻堅(jiān)構(gòu)造生物學(xué)困難

起源：科技日報 2010 *** 10 *** 19

　　“小牛”向前沖??學(xué)生就是青年科學(xué)家

　　1985年，第一個膜蛋白結(jié)構(gòu)問世，當(dāng)時共計僅有不到200個生物大分子結(jié)構(gòu)。而時至本日，蛋白結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫收錄的近7萬個生物大分子結(jié)構(gòu)中，膜蛋白結(jié)構(gòu)僅不到700個，其中新型的膜蛋白結(jié)構(gòu)又只有250多個，足見膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的難題。

　　2008年3月，仍是一名大三學(xué)生的黨尚宇，在本科生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科研練習(xí)的時候，抉擇了施一公傳授引導(dǎo)的清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中央，并進(jìn)入了顏寧教授負(fù)責(zé)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科研工作。憑著對科研的酷愛和耐勞研究的精力，黨尚宇在不到半年的時間里就控制了基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)技能。

　　黃永鑒加入課題研究的第二天，就發(fā)現(xiàn)黨尚宇和孫林峰在實(shí)驗(yàn)操作的時候沒有把特定的溶液“洗清潔”，而且溶液的初始溫度也偏高，就這兩個小小的細(xì)節(jié)，輔助課題組跨過了第一個阻礙；改良了這一步之后，實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)占有所改良，但是讀數(shù)還是偏低，老師同窗在一起分析來分析去，最后發(fā)現(xiàn)是實(shí)驗(yàn)用的一個入口濾膜的實(shí)際孔徑大于表明的0.22微米，導(dǎo)致呈現(xiàn)了“滴漏”，換了一個牌子的濾膜就解決了這個問題。

　　工夫不負(fù)有心人！在最初的一段掃興之后，晶體衍射的辨別率一點(diǎn)點(diǎn)地提高了。8埃，6埃，4埃（埃是一個長度的單位，在這里埃數(shù)越低證實(shí)衍射的圖像越準(zhǔn)確）……進(jìn)入2009年春天之后，每一次的同步輻射之旅（須要去本地用能量更大的儀器進(jìn)行同步輻射）都帶來了衍射分辯率的提高。

　　在談到這一狀態(tài)的時候，顏寧說：“實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)往往決議成敗，有的學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的時候小弊病多，有可能做10次然而8次都是錯的。這樣不僅費(fèi)時費(fèi)勁，而且對學(xué)生自身的心態(tài)也是很大的打擊。黨尚宇他們看待試驗(yàn)的立場十分謹(jǐn)嚴(yán)，所以做實(shí)驗(yàn)的勝利率很高，科研進(jìn)展也比擬快。”

　　當(dāng)悄悄的坐在咱們面前解析這次完全的課題研究過程的時候，黨尚宇和孫林峰都提到了思考的重要性。

　　堅(jiān)持就是成功??研究膜蛋白就看誰先放棄

　　然而，要做好膜蛋白的研究工作，不是單單憑借勇氣就可以的。

　　膜蛋白的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究一直以來是結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的重點(diǎn)及難點(diǎn)。而該論文的前兩位作者黨尚宇和孫林峰在開始課題研究的時候還都是清華大學(xué)的本科生。

　　膜蛋白存在于細(xì)胞的細(xì)胞膜上，它們是溝通細(xì)胞或細(xì)胞器內(nèi)外的橋梁。各種養(yǎng)分物質(zhì)的運(yùn)輸，細(xì)胞內(nèi)有毒物資的排出，以及細(xì)胞內(nèi)外信息的交流都要依附膜蛋白，所以它們的功能在生命體中至關(guān)重要。但是因?yàn)槟さ鞍撞蝗苡谒y以純化出均一性較好的蛋白質(zhì)，也就比較難得到高品質(zhì)的蛋白質(zhì)晶體，故研究起來艱苦重重。

　　這個新發(fā)現(xiàn)從結(jié)構(gòu)上驗(yàn)證了人們對轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理的猜想，也為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白之后的研討供給了一個參照。看著凝集著無數(shù)血汗的彎彎繞繞的蛋白結(jié)構(gòu)，他們倆感到心里面一下子豁亮起來。

　　初生牛犢不懼虎??本科生接手結(jié)構(gòu)生物學(xué)世界難題

　　單調(diào)的實(shí)驗(yàn)很輕易磨掉人的耐性，在這樣的艱巨時刻，兩個年輕人只有憑借剛強(qiáng)的意志力，才可以堅(jiān)持下去。
　　
　　是否能夠廢棄？

　　以黨尚宇、孫林峰、黃永鑒三位清華學(xué)生為主力的課題組，在清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教學(xué)顏寧的率領(lǐng)下，用了一年半的時間，在世界上首次解析了膜蛋白??大腸桿菌巖藻糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)，并聯(lián)合生化手段初步揭示了其工作機(jī)理。頂級學(xué)術(shù)期刊《做作》在10月7日刊發(fā)了他們的學(xué)術(shù)論文《巖藻糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白向胞外開放構(gòu)象的結(jié)構(gòu)》。

　　細(xì)節(jié)決定成敗??解密轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的生化功能

　　解開轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)的喜悅沒有連續(xù)多久，研究工作就再度陷入了僵局??初步分析拿到的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能，結(jié)果就是??沒有任何功效！按照設(shè)計好的實(shí)驗(yàn)步驟，兩個小伙子反重復(fù)復(fù)的做了多少遍，都是同樣的結(jié)果！

　　孫林峰以為，實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程一定不要機(jī)械性地操作，要一直思考，能力夠找到最為合適的實(shí)驗(yàn)手段。尤其是在感覺做不下去的時候，更要堅(jiān)持蘇醒的腦筋，不要想當(dāng)然，回想一下從課題開始的每一個環(huán)節(jié)，當(dāng)真剖析其中每個步驟，才干夠找到關(guān)鍵所在。（周襄楠呂露英）　

　　黨尚宇這樣形容那個簡直令人喪氣到極點(diǎn)的時候：每顆晶體直徑連0.1毫米都不到，用一個肉眼幾乎不可見的金屬圈膽大妄為地把“晶體”從一個半粒小米大小的液滴中“撈”出來，放到儀器上去衍射，照了幾分鐘，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)情形很不好，再換一顆，還是不好,清華培訓(xùn)班，再換一顆……就這樣一直照了一下戰(zhàn)書，連一組像樣的圖像都沒有得到。兩個年輕人很愁悶，經(jīng)常是辛勞一終日后心情懊喪地分開實(shí)驗(yàn)室，回到宿舍悶頭大睡、緩沖一下，第二天一大早振作精神回來接著干，結(jié)果依然是日復(fù)一日的令人心境惆悵。

　　清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究核心在從前一年半接踵報道了3個新型膜蛋白的4個晶體結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠浞滦院椭匾裕?篇學(xué)術(shù)論文全體發(fā)表于《天然》或《迷信》，為我國的膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究作出了主要奉獻(xiàn)，其結(jié)果在國際結(jié)構(gòu)生物學(xué)范疇取得了充足關(guān)注。而更加驚喜的是，在這些課題研究的主力軍中，都有高年級本科生和低年級研究生的身影??“低齡化”已經(jīng)成為清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的一個特色。

　　■ 消息鏈接

　　實(shí)驗(yàn)取舍大腸桿菌作為培養(yǎng)巖藻糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的性命體。大略的流程如下：

　　2008年8月，當(dāng)顏寧老師找到黨尚宇，與他討論如何發(fā)展科研工作的時候，沒有什么科研經(jīng)驗(yàn)的黨尚宇勇敢提出本人是否可以嘗試承當(dāng)一項(xiàng)課題，顏寧老師許可了，并將這個膜蛋白的研究課題交給了他。

　　下一步，要用X射線對晶體進(jìn)行衍射分析，如果可能得到滿足的圖像，根本上離得到蛋白的結(jié)構(gòu)就不遠(yuǎn)了，所以晶體的好壞是是否解析蛋白結(jié)構(gòu)的癥結(jié)。

　　為什么敢于將這樣一個難題交給一名本科生？顏寧說：“那個時候就想，他們年紀(jì)很小，一兩年內(nèi)沒什么沖破也不什么心理累贅，感覺有點(diǎn)像是我把他們‘騙上船’的。假如做不出來，就算是通過課題培養(yǎng)他們的科學(xué)素養(yǎng)、錘煉他們的實(shí)驗(yàn)技巧了。”

　　當(dāng)造就的大腸桿菌細(xì)胞到達(dá)一定濃度的時候，向培育基中參加引誘劑，接著在適合的前提下培養(yǎng)一段時光，這個誘導(dǎo)劑會讓巖藻糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在細(xì)胞內(nèi)大批的“出產(chǎn)”。然后把大腸桿菌“粉碎”，通過離心將細(xì)胞膜從中分別出來，再加一點(diǎn)“去污劑”，把巖藻糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從細(xì)胞膜上萃掏出來，再通過進(jìn)一步的純化手腕除去蛋白雜質(zhì)到高純度的蛋白。

　　開頭還是榮幸的。在蛋白培養(yǎng)這個環(huán)節(jié)上，并沒有涌現(xiàn)什么令人難以敷衍的狀況。看到研究有了良好的開始，也為了應(yīng)付后續(xù)沉重的研究工作，顏寧老師讓黨尚宇的同班同學(xué)孫林峰加入到課題組中，與黨尚宇“錯誤”。兩個年輕人嘗試著培養(yǎng)出了第一批蛋白的晶體。

　　終于，喜訊在2009年10月份的一天傳來：在“撈”了成千盈百次蛋白晶體之后，在課題開端之后的第14個月，大腸桿菌巖藻糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)終于在人們的眼前揭開了神秘的面紗：他們得到的巖藻糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)是一個新的向細(xì)胞外開放的構(gòu)象。而之前發(fā)明的同類的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白只有向細(xì)胞內(nèi)開放跟旁邊態(tài)的構(gòu)象。

　　在顏寧的心中，這些學(xué)生聰慧過人，“開竅”早，不外顏寧也彌補(bǔ)：愿望學(xué)生們不要太“乖”，盼望學(xué)生更活潑，要跟老師在學(xué)術(shù)上爭辯，甚至吵得面紅耳赤。

　　再用X光對蛋白晶體從不同的角度進(jìn)行衍射分析，得到一組衍射圖像，用軟件對這些圖形進(jìn)行分析，再借助一些其余的手段，就可以得出蛋白結(jié)構(gòu)了。
　
　　回憶起當(dāng)時的研究工作，黨尚宇說：“每前進(jìn)一步都像是進(jìn)行一場驚險的逾越。”

　　顏寧帶領(lǐng)課題組成員一起對實(shí)驗(yàn)設(shè)計反復(fù)揣摩，確認(rèn)是沒有問題的，最后推斷：很有可能問題是出在實(shí)驗(yàn)?zāi)骋粋€環(huán)節(jié)的操作上。這個時候，顏寧部署在膜蛋白生化研究上絕對有教訓(xùn)的、比他們高兩級的研究生黃永鑒加入到課題的研究中。

　　“膜蛋白的研究，某種水平上就是要看誰先放棄！誰先放棄誰就輸了，堅(jiān)持到最后的就贏了。再難的，以前人們認(rèn)為都是不可能的事件，科學(xué)家們都研究出來了，還有什么做不出來的呢？”在這個要害時刻，顏寧激勵兩個年青人保持下去，并且始終和他們一起討論實(shí)驗(yàn)成果、探討下一步實(shí)驗(yàn)計劃。

　　到底是什么處所犯錯了呢？經(jīng)由反復(fù)檢討、思考和討論，黨尚宇和孫林峰決定從兩個方向入手解決這一問題：一方面持續(xù)尋找各種各樣的手段去進(jìn)步蛋白的純度，二是再變換一些條件去讓蛋白更好的結(jié)晶。但是好像陷入了一個怪圈，晶體衍射后得到的圖像一直是沒有多大的改觀。他們想盡了各種措施、甚至斟酌過，是不是要從新來過，換掉大腸桿菌，用其它生物體來培養(yǎng)蛋白，比方昆蟲細(xì)胞？

　　答復(fù)是：堅(jiān)定不！

　　而后就是結(jié)晶??把蛋白溶液分辨與含有不同化合物的溶液依照必定比例混雜，在合適的化合物的溶液里面，蛋白就緩緩地有規(guī)矩的、整潔的排列、湊集在一起，構(gòu)成了蛋白晶體。

相關(guān)的主題文章：