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

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

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

　　“現(xiàn)在對(duì)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(gè)小伙子。

　　黨尚宇認(rèn)為，在應(yīng)用各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)儀器的時(shí)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?qǐng)?bào) 2010 *** 10 *** 19

　　“小�！毕蚯皼_??學(xué)生就是青年科學(xué)家

　　1985年，第一個(gè)膜蛋白結(jié)構(gòu)問世，當(dāng)時(shí)共計(jì)僅有不到200個(gè)生物大分子結(jié)構(gòu)。而時(shí)至本日，蛋白結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫收錄的近7萬個(gè)生物大分子結(jié)構(gòu)中，膜蛋白結(jié)構(gòu)僅不到700個(gè)，其中新型的膜蛋白結(jié)構(gòu)又只有250多個(gè)，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(shí)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(duì)科研的酷愛和耐勞研究的精力，黨尚宇在不到半年的時(shí)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(shí)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(gè)小小的細(xì)節(jié)，輔助課題組跨過了第一個(gè)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(gè)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(gè)牌子的濾膜就解決了這個(gè)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(gè)長(zhǎng)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(shí)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(shí)候小弊病多，有可能做10次然而8次都是錯(cuò)的。這樣不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)勁，而且對(duì)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(chǎng)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(shí)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(shí)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�，難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(gè)新發(fā)現(xiàn)從結(jié)構(gòu)上驗(yàn)證了人們對(duì)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(gè)參照�？粗鵁o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(shí)刻，兩個(gè)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(shí)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(jí)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(jì)好的實(shí)驗(yàn)步驟，兩個(gè)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(shí)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(gè)環(huán)節(jié)，當(dāng)真剖析其中每個(gè)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(gè)簡(jiǎn)直令人喪氣到極點(diǎn)的時(shí)候：每顆晶體直徑連0.1毫米都不到，用一個(gè)肉眼幾乎不可見的金屬圈膽大妄為地把“晶體”從一個(gè)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(gè)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(bào)道了3個(gè)新型膜蛋白的4個(gè)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(guó)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(guó)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(jí)本科生和低年級(jí)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(gè)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(shí)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(gè)膜蛋白的研究課題交給了他。

　　下一步，要用X射線對(duì)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(gè)難題交給一名本科生？顏寧說：“那個(gè)時(shí)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(shí)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(shí)光，這個(gè)誘導(dǎo)劑會(huì)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(gè)環(huán)節(jié)上，并沒有涌現(xiàn)什么令人難以敷衍的狀況�？吹窖芯坑辛肆己玫拈_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(cuò)誤”。兩個(gè)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(gè)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(gè)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(zhēng)辯，甚至吵得面紅耳赤。

　　再用X光對(duì)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(duì)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(shí)的研究工作，黨尚宇說：“每前進(jìn)一步都像是進(jìn)行一場(chǎng)驚險(xiǎn)的逾越�！�

　　顏寧帶領(lǐng)課題組成員一起對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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€(gè)環(huán)節(jié)的操作上。這個(gè)時(shí)候，顏寧部署在膜蛋白生化研究上絕對(duì)有教訓(xùn)的、比他們高兩級(jí)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(gè)要害時(shí)刻，顏寧激勵(lì)兩個(gè)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(jì)劃。

　　到底是什么處所犯錯(cuò)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(gè)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(gè)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。

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