杭婧:探索生命奥秘的女博士 UEDBET西甲赫塔菲 1

对话施一公及其团队:世界级难题是如何破解的

来源:光明日报 2015-8-24 晋浩天

  8月21日凌晨,一位德国同行的电话,打乱了清华大学生命科学学院院长施一公的工作计划。这位德国同行,刚刚看到了《科学》在线发表的施一公团队撰写的两篇关于剪接体结构及其工作机理的研究长文。

  这几天,有关施一公的“新闻”不断。6天前的8月18日,他的研究团队刚刚在《自然》在线发表了一篇研究长文,首次揭示了分辨率高达3.4埃的人体γ-分泌酶的电镜结构,为理解阿尔茨海默症的发病机理提供了重要基础。翌日,他拟任清华大学副校长的任命,进入公示期。

  然而,这一次,施一公说,这两篇论文带给他的兴奋,超出了过去25年科研生涯的总和。

  21日中午,记者第一时间赶到清华大学,与施一公和他的3名85后团队成员展开了一场对话。

“不可能完成的任务”

  记者:剪接体结构解析被公认是结构生物学领域的终极难题,你们是如何完成这看似“不可能完成的任务”的?

  施一公:要说完成,首先得开始做。这么多年,世界级难题——剪接体结构解析一直摆在那里,结构生物学界所有的科学家都知道。但由于研究它实在是难度太大,而科研方法与技术又相对不成熟,所以,很多科学家都没有冒险进入这个领域。

  早在10多年前,我就曾想研究剪接体结构,但也是因为胆量不够,搁置了下来。直到6年前,经过反复的研讨和认真的准备,我终于下定决心,进入这个领域研究。

  杭婧:刚刚加入施老师的团队,就被通知要做这样一个“最难”课题,压力很大。我也经常在想,国内外很多强有力的竞争对手,都在这一领域里探索了多年,我们进入的时间不长,没有太多经验,真的能够做好吗?

  施一公:我很理解学生们的心情。所以,我就让他们从小处着手,从解析剪接体复合物中的一些重要组成蛋白的结构开始,积累经验、树立信心,逐步接近目标。这些工作渐渐取得了一些成果,例如2014年初,团队首次报道了剪接体复合物中重要组成蛋白Lsm七聚体及其在RNA结合状态下的晶体结构,文章发表于《自然》。但这些成果远远不够。

  记者:什么时候开始真正进入剪接体结构的解析?

  万蕊雪:去年年底,我们真正开始做剪接体蛋白纯化的工作,我和杭婧查阅了大量的科研文献,做了无数次实验,最后在施老师的指点下,确定选择裂殖酵母作为实验对象。现在看来,这个实验对象找得很准。

  施一公:纯化工作做得非常棒。拥有极为成熟的样品处理方法同样很关键。我们可以让蛋白质服服帖帖、性质稳定,成为适合结构解析的样品。这是我们实验室的绝招。

  杭婧:的确如此。具体的实验步骤很难用言语表达清楚。不过,这也正是我们实验室的优势所在,可以在前辈的引领下少走弯路。

  施一公:我们团队的闫创业改进了计算方法和单颗粒筛选方法,实现了针对局部区域的精细优化,从而计算出了高分辨率的酵母剪接体的冷冻电镜三维重构密度图。这是一种我们针对这个课题专门发展的计算方法。

  记者:每一个重大成果的背后,都不会一帆风顺。

  施一公:当然,数据收集和处理是一件相当麻烦的事情。他们三个人要24小时轮流“趴”在电镜平台和计算机前,每半分钟记录一次数据,平均一个人一天要做960次记录。我记得有一次,小闫受不了了,跑来跟我说:施老师,咱能不能再招两个能熬夜的新人。

  记者:昨天,我加了杭婧的微信,看了看她的朋友圈,发现有这么两条状态:6月5日凌晨4:07,体重狂掉十斤……6月18日凌晨2:20,算一算,已经连续工作四十二个小时未眠。人生能有几回搏?

  闫创业:六月份,我们和施老师一起写论文,经常要熬到第二天早上五六点。工作结束后,我们仨没什么事,就回去补觉。但施老师早上八点就要给学生上课,下午紧接着还有会议,真的很累。

  施一公:六月上旬的一天凌晨,我忙完了所有事后回到实验室,开始加班加点撰写这项科研成果的学术论文。凌晨3点,我突然发现自己尾椎以下动不了了,缓了十多分钟,才有知觉。我赶紧跑到楼道猛走了几圈,见有好转,我才坐下来继续写论文。

UEDBET西甲赫塔菲打乱了交大东军事和政治大学学子命科学大学司长施黄金年代公的劳作布署,两篇阐释生命大分子剪接体结构的稿子以杂志当期书面包车型地铁款式。  杭婧:当时真的把我们吓坏了。

  记者:从什么时候开始,看到了希望?

  杭婧:在课题小组长周丽君博士毕业出国接受博士后训练之后,课题的重担落在了我和万蕊雪身上。没有了师兄、师姐可以请教,我们只能依靠阅读大量的文献和反复进行试验来不断探索前行。到了课题的攻坚阶段,每天在实验室的工作时间能达到14到16小时。今年3月底,当我们第一次在电镜下看到蛋白大概的样子时,我们简直高兴到“爆”,觉得希望来了。

  施一公:之前我还和他们说,咱们做到20埃以下,就把论文发表了,让大家知道你们的研究成果。但在今年4月做数据处理时,我们惊喜连连,从11埃到5埃,再从5埃到3.9埃,最后是3.6埃!跟白日做梦似的。

科学研究不能凭运气,更没有捷径

  记者:四天前,你刚刚在《自然》上发表了一篇研究长文。现在,你又在《科学》连发两篇学术论文。为什么又是你的团队先拔头筹?

  施一公:可能有人会说,施一公完全是运气好,但我要强调的是,科学研究不能凭运气,更没有捷径。我们所创造的每一点进步,都是整个团队用努力换来的。

  仅就剪接体的科研成果而言,我认为,我们有着足够的胆量去挑战这个“终极难题”。可喜的是,这三名学生和我一起挺了过来,我为他们骄傲。杭婧和万蕊雪从2014年初开始,已经有一年半的时间没有发表任何学术论文,一直潜心做研究,我知道,他们的压力非常大。这三个人每个人都有自己的专长,并且在专长的领域里达到了很高的水平。正因为他们都在科研上训练有素,才使我们的团队能率先取得这一成果。

  杭婧:施老师是我们团队的总指挥和军师。他在课题选择上很有远见,不跟风,而是把握合适的时机。同时,他又特别严谨细致,逻辑分析能力很强,指导我们努力的方向。

  万蕊雪:每次我们做完实验,都会与施老师进行一次全面检验。他会提出很多细节问题,帮助我们发现设计上的漏洞。施老师每周末都会给我们开会,讨论科研进展、分析问题等等,雷打不动。

  施一公:在我看来,经过持续不断的科学训练,他们的水平确实有了提高。小闫是清华化学生物基科班的本科生,从2008年加入我的实验室后,就开始学习用X射线解析晶体结构,后来他又开始学习使用冷冻电镜,始终专注在数据处理和建模领域。如今,他已开始自己开发电镜结构解析的方法,也许已经成为全世界该领域最高水平的专家之一。一些国际知名研究团队都在“挖”他。

所有因素拼凑在一起,才会有现在的成果

  记者:在科研方法上,你们是否也有了新的进展?

  施一公:的确。一直以来,研究蛋白质结构有三种主要方法:X射线晶体衍射、核磁共振、单颗粒冷冻电子显微学。过去用得更多的是X射线晶体衍射。但是,剪接体非常特殊,属于比较大的细胞机器,而且是由多个核酸蛋白亚复合物组成的动态结构,很难获得晶体进行结构解析。

  因此,可以说,如果没有冷冻电镜技术,就完全不可能得到剪接体近原子水平的分辨率。当然,这也得益于近些年冷冻电镜在技术上取得的革命性突破。很早以前,我就曾和时任清华大学党委书记的陈希说,希望可以投资建立冷冻电镜平台,很快就得到了学校的支持,清华也因此拥有了全亚洲第一台冷冻电镜平台,也是当今世界最大的平台之一。

  我想说的是,只有把所有的因素拼凑在一起,才会有现在的科研成果。

  记者:接下来,你的团队要做什么?

  施一公:接下来要做的是将工作进一步细化,通过富集等手段,进一步获得剪接体的相关数据,以期能对生命过程和机理有更深入的了解。

  万蕊雪:科研道路哪有尽头可言?对待每次实验,我们都要加倍小心,不能觉得已经做过很多、很熟练了,就随便对待。

  记者:几天前,清华大学信息门户发布了施一公拟任清华大学副校长的任命公示。今后,你将如何调整教学、科研、行政方面的时间与精力?

  施一公:教学仍将是我的重要工作。我每学期要上100节课。今后,课时只会多、不会少。我也不会减少与学生们的沟通交流,同时也会尽力保障科研时间,争取带领我的团队再创佳绩。

剪接体研究历史及现状

  1977年,Richard Roberts和Philip Sharp首次发现了基因剪接现象。1983年,Joan Steitz首次分离组成剪接体复合物的亚基组合。同年,Philip Sharp和Walter Keller利用细胞核提取物进行体外剪接的活性实验。

  然而,由于形态多变、成分复杂,剪接体的结构解析一直被公认为世界结构生物学领域的重大难题。加上一直没有合适的研究技术,导致从1983年至2014年,各国科学家虽从未间断研究,但仅仅获得剪接体部分重要组分的晶体结构和各种分辨率较低的电镜密度图。

  在施一公此项成果发布之前,国际结构生物学界最新的进展是今年6月24日,英国MRC分子生物学实验室Kiyoshi Nagai研究组在《自然》在线发表了一篇学术论文,将剪接体组装过程中所涉及的一个复合物三小核核糖核蛋白结构的分辨率提高到了5.9个埃,一度引起国际学术界的轰动。而此前,人类对基因剪接体的认识精度只有29埃。Nagai的最新工作较之以前有了质的飞跃,但是还看不清组成蛋白的氨基酸细节。

  而施一公团队得到的结果,不仅将精度由5.9埃提高到了3.6埃,可以清楚看到氨基酸的细节,而且其解析对象是真正的剪接体,而不是Kiyoshi Nagai团队所取得的参与剪接体组装过程的复合物,从而第一次在近原子分辨率上看到了剪接体的细节。

  据了解,当前开展剪接体研究的国际团队不在少数,其中最前沿的除了上述的Kiyoshi Nagai团队,还有德国的Reinhard Lührmann团队、美国马萨诸塞大学医学院的Melissa Moore团队、哈佛大学的Robin Reed团队、范德堡大学的Kathleen Gould团队,英国MRC分子生物实验室Kiyoshi Nagai团队、爱丁堡大学Jean Beggs团队,以及中国台湾阳明大学的Soo-Chen Cheng团队。

杭婧,清华大学医学院2012级直博生,师从施一公教授,研究方向是剪接体领域的结构生物学研究。她共发表SCI论文4篇,以第一作者身份在《自然》上发表文章一篇,在《科学》上发表文章两篇,影响因子累积破百。

2015年9月11日,两篇阐释生命大分子剪接体结构的文章以杂志当期封面的形式,“背靠背”发表在国际顶尖期刊《自然》上,震惊了学术界。两篇论文的科学意义十分重大,它们不仅完善了分子生物学的中心法则,而且再次证明了中国生命科学领域近年来的快速发展。让人没有料到的是,如此重量级论文的共同第一作者,竟然是一名在读的清华女博士生。她,就是杭婧。

泡实验室是最好的减肥办法

初见杭婧,她穿着一身冬日的装扮,带着一副黑边框眼镜,脖子间围着一条丝巾,整个人简洁而大方。还没有进会议室的时候,她靠着墙,随性地和我们聊着,脸上总是带着淡淡的笑容。

2012年9月,杭婧进入清华大学医学院直接攻读博士学位。按照学院的轮转培养制度,她得以进入到施一公实验室中见习,但见习期满后是否能够留下,还要取决于她的表现。一开始,杭婧心理压力非常大,一方面是因为新环境中的同学非常优秀,而且都比她进实验室要早,激烈的竞争让她有些忐忑;另一方面,施一公教授的名望众所周知,杭婧有点担心自己达不到老师的要求,没法胜任实验室的工作。

压力就是动力,杭婧从来都是个不服输的姑娘。一个月的轮转期中,她每天都在实验室工作到晚上12点左右,完全没有娱乐和休息的概念。短短30天,她瘦了整整十斤,回首那段充实的“拼搏岁月”,杭婧开玩笑说,“之前一直想减肥都减不下来,看来还是泡实验室最管用。”最终,杭婧身上的这股“拼劲”打动了施一公教授,她也顺利地留在了心仪的实验室继续工作。

直博二年级一作发《自然》

杭婧深知,能在施一公老师的团队中做科研是一种幸运,因此,她加倍努力地承担了许多工作。她从实验室的一个既有研究问题入手,对剪接体通路中重要蛋白质Lsm复合物的结构开始解析。

尽管这项工作之前已经有不错的基础,但是杭婧丝毫不敢松懈,她把自己的“拼劲”进一步发挥到了极致。每天平均12小时的高强度工作一度让她脸上长出痘痘,头发也掉得不少,她却不改初心,继续反复查找文献,不断推进实验。

2014年2月,杭婧以共同第一作者的身份在国际顶级学术期刊《自然》上发表了研究成果。这时,她直博二年级的第一个学期才刚刚过去。

伴随着身边老师与同学的祝贺,也有一些质疑的声音传来:博士二年级的学生就能发表这么高水平的文章,纯粹是运气好吧?面对这种质疑,杭婧表现得非常淡定,她总是谦虚地表示实验室既有的研究基础和论文发表时的运气都很重要。

杭婧特别喜欢格拉德威尔说的一句话:“人们眼中的天才之所以卓越非凡,并非天资超人一等,而是付出了持续不断的努力。一万小时的锤炼是任何人从平凡变成超凡的必要条件。”在杭婧看来,自己并不是天才,相关研究功底也没有特别的优势,但只要她下定决心攻克一个难题,就会没日没夜、废寝忘食地投入到工作中去。仅仅完成任务也不是她的风格,她要追求的是卓越的研究成果。

“拼命婧姐”挑战世界顶尖课题

剪接体一直以来被公认为世界难题。剪接体是控制遗传信息传递的重要物质,人类35%的遗传紊乱都与它功能失常有关,甚至包括一些种类的白血病和癌症。近20年来,全球众多一流实验室都想“捕捉”剪接体,却无突破。

杭婧有幸加入了施一公剪接体结构研究团队,确定了剪接体结构为主要目标的研究课题。“施一公老师曾告诉我们,要想成为一名优秀的科学工作者,我们所要追求的不仅是在《自然》《科学》等期刊上发表论文,更要努力做出能够写进教科书的科研成果。”老师的话对她触动很大,所以她选择了迎难而上。

在《自然》上发表论文不久后,很快她平复心态,又一头扎进了新的实验中,继续推进对剪接体结构的研究。然而研究进展并非十分顺利,刚开始的几个月,课题组最基本的提取蛋白样品工作都毫无进展,团队氛围十分压抑。她查阅了大量与课题有关的文献,不断优化实验条件,把蛋白的提取、纯化、点晶体等工作一点一点不断向前推进,可最终长出来的晶体却不符合课题要求,这让她感到非常失望和难过。

整整一年的时间,她把大量的心血都花在课题上却进展甚少,她的自信心严重受挫,开始怀疑自己还有没有能力走完后续的科研进程。

面对这种情况施一公教授鼓励开导她:“小丫头做这么难的课题也是挺不容易的,你们也不要着急,慢慢来,总会出现转机的。”杭婧逐渐调整心态,重新调整了纯化手段,从传统的体外组装改为从特殊品种酵母中内源性提取蛋白。她利用新技术对提取的蛋白质进行精加工,推进十分顺利,团队很快获得了剪接体中多个关键分子的超高分辨率三维结构。他们在3.6埃,相当于头发丝百万分之一的距离水平上,揭开了剪接体的“神秘面纱”,成为世界上第一个取得如此突破的团队。

“拼命”是大家对杭婧的一致印象。她曾平均每天12小时、基本无双休泡在实验室拼命工作,打鸡血般地读文献。她还曾经连续工作42个小时完成论文攻坚校对,那天凌晨4点,也就是她刚刚结束连续42个小时的工作后,杭婧在微信朋友圈中写下,“算一算,已经连续工作42小时未眠。人生能有几回搏?不秀辛苦,不为安慰,只求mark一下这一时刻,然后美美的睡去。”还有一次在实验过程中,她脚底扎进一个一厘米长的玻璃渣,可她做实验太投入没有感觉到,直到做完一天实验晚上回宿舍洗澡,才发现脚已经肿得像面包。从此“拼命婧姐”的称号在实验室中传开了。

自我定位:超强团队中的一分子

杭婧能取得今天的成绩,她认为主要得力于超强团队的支持和协作。她所在的团队由顶级科学家施一公教授亲自指导,耳濡目染,她学到了不骄不躁、平和谦虚、淡泊名利的君子之风,刻苦钻研、积极求是的科研精神深入大脑。面对别人的赞美她总会谦虚地表示:“电镜数据的分析还需要深入的学习和经验积累,必须把精力集中在接下来更加重要的工作上,还有更多的挑战在等待着我们。”

在解析剪接体的工作中,团队其他两名成员闫创业博士、万蕊雪同学也付出了非常多的努力,三个人发挥所长、分工合作,使得团队的战斗力达到最大化,三个人相互鼓励、取长补短,一起攀登科研高峰。施一公教授说:“正是这三个训练有素、非常优秀的科学家,才使团队能领先做出了这一成果。”可见一个本土团队只要精诚合作,也会取得震惊世界的成果。在实验室里,优秀的同学们相互合作和竞争,形成了良好的科研氛围。在进行头脑风暴时他们会发生争论,大家都在思维碰撞中触发灵感。平常生活中大家关系十分融洽,这为她全身心投入科研工作中创造了良好的环境。杭婧说:“在我们实验室这样的环境中,大家相互竞争是一件好事,一个人的勤奋和努力也会带动身边其他人,于是良性竞争的环境就这么创造出来了。”

在醉心科研的同时,杭婧积极参与各类团体活动。“圆明园定向越野”活动让她深刻感受到了勿忘国耻的意义;在“‘一体两翼’井庄镇志愿服务活动”中,她为井庄镇的发展提出了许多中肯的建议。谈及她在清华几年学习与生活的感受,杭婧说她很荣幸能成为清华的一份子,站在巨人的肩膀上,与母校一起,乘风破浪,不断突破不断前进。在新的学年里,她将继续在科研的道路上努力求索,勇敢去冲击更多的难题,探索更多的生命奥秘。