【編者按】

大至藍(lán)鯨，小至病毒，生物的世界，可謂千差萬別。但無論形態(tài)多么豐富，生命的奧秘卻藏在蛋白質(zhì)之中——它們好比構(gòu)筑生命大廈的磚石，決定著生命可能具有的生物功能。要探究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，這就進(jìn)入了微觀的世界，是對(duì)納米級(jí)別世界的窺探。1納米相當(dāng)于把一根頭發(fā)絲切成5萬份。要看清蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，必須有“火眼金睛”。

中國在蛋白質(zhì)領(lǐng)域曾有杰出建樹。上世紀(jì)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(xué)化學(xué)系、北京大學(xué)生物系共同組成的“北京胰島素結(jié)構(gòu)研究組”測(cè)定了亞洲第一個(gè)蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)——豬胰島素三方二鋅晶體結(jié)構(gòu)，這是中國結(jié)構(gòu)生物學(xué)歷史發(fā)展的起點(diǎn)。

歷經(jīng)跌宕起伏，50年過去后，中國的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家再次站上國際科研隊(duì)伍的前列，試圖在近原子分辨率下探索生命的奧秘。在最近向世界級(jí)高水平之巔發(fā)起的攀登中，清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心（下稱“高精尖中心”）無疑是最耀眼的一支隊(duì)伍。

該中心于2015年在北京市高等學(xué)校高精尖創(chuàng)新中心建設(shè)計(jì)劃下應(yīng)運(yùn)而生，但該中心的力量積累則需要再往前推進(jìn)20年?，F(xiàn)年75歲的中國科學(xué)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(xué)研究，并培育出不少當(dāng)下的中堅(jiān)力量。

近日，澎湃新聞（www.xinlihui.cn）記者來到清華大學(xué)，專訪了清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心執(zhí)行主任王宏偉教授，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心副主任李海濤，清華大學(xué)生命科學(xué)研究員、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心PI李雪明，清華大學(xué)生命科學(xué)研究員張強(qiáng)鋒，去年剛從清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士畢業(yè)、新晉“世界最具潛力女科學(xué)家獎(jiǎng)獲得者”白蕊。通過這五位和高精尖中心深度交集的科學(xué)家向讀者展現(xiàn)出：伴隨著該中心的發(fā)展壯大，近幾年來中國結(jié)構(gòu)生物學(xué)如何再次站上世界前列。

“如此紛繁復(fù)雜的物質(zhì)世界最終卻歸于一百多種原子的排列組合，這其中蘊(yùn)藏的奧秘，是如此的神奇，令滿懷好奇的人們雖獻(xiàn)身終生卻難窺其一斑?！鼻迦A大學(xué)生命科學(xué)研究員、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心PI李雪明在獲得“2015年度求是杰出青年學(xué)者獎(jiǎng)”之時(shí)曾如此寫下他所從事的研究工作。

彼時(shí)，李雪明從美國加利福尼亞大學(xué)舊金山分校（UCSF）回到清華大學(xué)才近一年時(shí)間?；貒?，李雪明是加利福尼亞大學(xué)舊金山分校程亦凡實(shí)驗(yàn)室的博士后，他直接參與的“直接探測(cè)相機(jī)”的開發(fā)最終掀起了隨后冷凍電鏡（cryo-EM）在生物學(xué)領(lǐng)域的“分辨率革命”。

1979年出生的李雪明在2002年和2005年分別于北京科技大學(xué)獲材料物理專業(yè)學(xué)士和碩士學(xué)位，2009年于中國科學(xué)院物理研究所獲凝聚態(tài)物理專業(yè)博士學(xué)位。其和程亦凡都是物理出身，均師從中國科學(xué)院院士、著名物理學(xué)家、電子顯微學(xué)家、中國科學(xué)院物理研究所研究員李方華，只不過他們的博士生涯前后間隔18年。

近日，李雪明在接受澎湃新聞?dòng)浾撸╳ww.xinlihui.cn）專訪時(shí)提起當(dāng)年的“轉(zhuǎn)行”契機(jī)，源于其已經(jīng)轉(zhuǎn)行研究冷凍電鏡的同門師兄程亦凡想找一位做計(jì)算的人，“我導(dǎo)師推薦我考慮一下，那個(gè)時(shí)候我整天在寫程序，正好匹配上了?！?/p>

從物理跨入生物領(lǐng)域，對(duì)李雪明來說，“其實(shí)是樣品變了，本質(zhì)的東西沒有變?！倍c(diǎn)在于，其博士之前的工作是用電子衍射晶體學(xué)和圖像處理技術(shù)結(jié)合將功能材料的分辨率提高到1埃以上，也就是0.1納米，這是生物學(xué)領(lǐng)域望塵莫及的?！爱?dāng)時(shí)冷凍電鏡下的生物分子結(jié)構(gòu)的分辨率基本在7-8埃，將近1納米，里面有很多提高的空間，我可以去做很多事情。”

站在“分辨率革命”起點(diǎn)

2017年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了英國劍橋大學(xué)科學(xué)家理查德·亨德森（Richard Henderson）、美國哥倫比亞大學(xué)科學(xué)家約阿基姆·弗蘭克（Joachim Frank）、瑞士洛桑大學(xué)科學(xué)家雅克·迪波什（Jacques Dubochet），以表彰他們發(fā)展了冷凍電子顯微學(xué)技術(shù)，以很高的分辨率測(cè)定溶液里的生物大分子的結(jié)構(gòu)。

上述三位科學(xué)家均是在上世紀(jì)八十年代前后解決了冷凍電鏡觀察生物樣品的技術(shù)難題，然而在此后近30年時(shí)間里這種方法仍然不被結(jié)構(gòu)生物學(xué)家們青睞。當(dāng)時(shí)尚存在的最大問題是一直達(dá)不到足以和X射線晶體學(xué)技術(shù)媲美的分辨率。在更多突破性技術(shù)出現(xiàn)之前，只有高對(duì)稱性的大病毒才能通過冷凍電鏡獲得近原子分辨率結(jié)構(gòu)。

李雪明在2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)花落冷凍電鏡之后曾專門撰文《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(fù)合物時(shí)如此寫道：當(dāng)噪音強(qiáng)度固定的時(shí)候，越小的物體，信噪比就會(huì)越低。類比于我們?cè)诤谝估锖苋菀拙湍芸辞宄蛔髽?，但很難看清楚一只小螞蟻。

這一局面最終于2013年左右被徹底打破。簡(jiǎn)單來說，冷凍電鏡方法就是把蛋白質(zhì)樣品迅速冷凍在玻璃化水里，用電子顯微鏡給蛋白質(zhì)拍攝多個(gè)不同取向的單顆粒蛋白的二維圖像，隨后用計(jì)算機(jī)圖像處理算法將這些二維圖像重構(gòu)成完整的三維圖像。從上世紀(jì)九十年代開始，科學(xué)家們?cè)噲D從相機(jī)入手來解決分辨率低的問題。

其中一支長期的攻克隊(duì)伍來自于加州大學(xué)舊金山分校的David Agard和程亦凡的團(tuán)隊(duì)，他們與Gatan公司合作，基于直接電子探測(cè)器技術(shù)，發(fā)展和實(shí)現(xiàn)了電子計(jì)數(shù)技術(shù)。李雪明在這款相機(jī)接近應(yīng)用時(shí)加入了該項(xiàng)目，在博士后工作期間，他為分辨率的進(jìn)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(xué)》（Nature methods）上發(fā)表了關(guān)于電子計(jì)數(shù)相機(jī)和電子顯微像漂移糾正的突破性工作，并驗(yàn)證可以讓僅具有D7對(duì)稱性、約700kDa的蛋白質(zhì)實(shí)現(xiàn)近原子分辨率的三維重構(gòu)。

程亦凡曾如此評(píng)價(jià)李雪明，“他是一名非常聰明的科學(xué)家，圖像漂移校正技術(shù)的一個(gè)核心方面實(shí)際上就是他的一個(gè)想法，所以我們用相機(jī)的時(shí)候這也是水到渠成的一個(gè)做法?！?013年底，程亦凡等人用最新的技術(shù)在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）證明，冷凍電鏡可以將膜蛋白TRPV1蛋白的結(jié)構(gòu)解析到3.3-3.4埃的水平。

這一結(jié)果在一定程度上宣告了大多數(shù)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家必須重新選擇手中的“利器”，冷凍電鏡一舉逆襲成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域最搶手的工具。

彼時(shí)的清華雖配置了冷凍電鏡，但同樣面臨著分辨率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?！耙换貋碚泌s上K2電子計(jì)數(shù)相機(jī)的安裝，把相機(jī)和相應(yīng)軟件配置起來，然后教大家如何使用，解釋原理是什么，同時(shí)也培訓(xùn)了一些人，回到國內(nèi)的工作很快就做起來了?！崩钛┟鞅硎尽?/p>

冷凍電鏡自動(dòng)化系統(tǒng)：“今年搭出一個(gè)能跑的框架”

2013年至今，各大實(shí)驗(yàn)室普遍使用的單顆粒分析技術(shù)日臻完善。李雪明近年來對(duì)于該技術(shù)的追求在于：建立一套先進(jìn)的冷凍電鏡自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)去大幅度提升效率和可靠性。

現(xiàn)行方法需要研究人員獲得成千上萬張高質(zhì)量冷凍電鏡照片，隨后進(jìn)行龐大的數(shù)據(jù)計(jì)算處理，僅清華的冷凍電鏡平臺(tái)，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量達(dá)到10-20 TB級(jí)（1TB=1024GB，1GB=1024MB）。整個(gè)流程涉及大量的非自動(dòng)化工作，這需要大量的人力投入，且耗時(shí)數(shù)月，同時(shí)結(jié)構(gòu)解析最終的質(zhì)量還需高度依賴使用者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。

這對(duì)技術(shù)被商業(yè)化大規(guī)模利用顯然是不利的。冷凍電鏡的商業(yè)化時(shí)代目前尚處于起步階段，領(lǐng)域內(nèi)的先行者們認(rèn)為，冷凍電鏡將是藥物研發(fā)的一個(gè)重要平臺(tái)，甚至可能會(huì)改變新藥研發(fā)的模式。

清華大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域也已搶先布局。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，這家專注于臨床前新藥研發(fā)加速服務(wù)的平臺(tái)型公司由清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心執(zhí)行主任王宏偉團(tuán)隊(duì)基于結(jié)構(gòu)生物學(xué)和高性能計(jì)算相關(guān)技術(shù)孵化而來，李雪明也在該公司擔(dān)任科學(xué)顧問。

李雪明團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是，把樣品制備之后的所有步驟整合到一個(gè)“黑盒子”里去，靠自動(dòng)化分析系統(tǒng)去完成數(shù)據(jù)采集和圖像處理。“我們現(xiàn)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(shù)整合起來搭出一個(gè)能跑的框架出來，能夠真正運(yùn)行起來。”

除對(duì)成熟技術(shù)自動(dòng)化改進(jìn)外，李雪明的另一焦點(diǎn)在于如何幫助生物學(xué)家們看到更真實(shí)的微觀世界。在采訪過程中，他著重提及冷凍電子斷層掃描術(shù)（Cryo-ET），目前的思路下，這一方法是通過對(duì)低溫冷凍細(xì)胞進(jìn)行聚焦離子束（FIB）減薄，對(duì)減薄的細(xì)胞樣本（冷凍薄片）拍攝一系列二維圖像，然后將其重建為 三維結(jié)構(gòu)。

這一方法可以幫助科學(xué)家們?cè)谠辑h(huán)境下直接觀察到細(xì)胞的清晰結(jié)構(gòu)?！拔矣X得這是非常有意義的，如果將來能真正實(shí)現(xiàn)，做到像單顆粒分析或者晶體學(xué)這些辦法一樣成熟，那么我覺得做生物的人的邏輯就完全不一樣了。這是一個(gè)很重要的方向，很多國際團(tuán)隊(duì)幾乎都在朝著這方向研究?！崩钛┟鞅硎?。

如何在液氮冷凍狀態(tài)下找到樣品中的感興趣區(qū)域并精準(zhǔn)地切到足夠薄的狀態(tài)？這是目前需要解決的最關(guān)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(xì)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，然后把它凍起來，但液氮溫度下再怎么往下切就比較難，而我們最終的目標(biāo)是要切到200納米厚，還要正好切在要研究的區(qū)域上。”

展望這項(xiàng)前沿技術(shù)，李雪明表示，“單顆粒技術(shù)從真正能被用以解析生物樣品結(jié)構(gòu)到2013年的成熟應(yīng)用，大概走了35年時(shí)間，Cryo-ET這些年一直在推進(jìn)，聚焦離子束切割等新技術(shù)在逐漸出現(xiàn)，但沒有獲得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，還需要要積累一段時(shí)間?！钡嘈牛夹g(shù)永遠(yuǎn)是越走越快，“我覺得再過5年左右能進(jìn)一大步，至少這一點(diǎn)是沒有問題的?！?/p>

“我有樣品恐懼癥，技術(shù)是個(gè)苦活”

細(xì)看李雪明回國之后的論文成果，這位學(xué)物理出身的科學(xué)家，和生物領(lǐng)域靠得越來越近。

在方法學(xué)研究的同時(shí)，李雪明近年來還開展了細(xì)菌分泌系統(tǒng)的生物學(xué)研究，利用冷凍電鏡技術(shù)解析了多個(gè)細(xì)菌分泌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并研究相關(guān)分泌機(jī)制，提出了一項(xiàng)抑制細(xì)菌生物膜分泌的新思路。

提及這些，李雪明表示，“其實(shí)從博士期間開始，我最擔(dān)心的一件事就是沒樣品，做技術(shù)的人可能都會(huì)有‘樣品恐懼癥’，雖然方法研究好像跟樣品沒有關(guān)系，但實(shí)際上強(qiáng)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(duì)你技術(shù)工作的理解與信任，尤其是長期的合作與幫助，至關(guān)重要?！?/p>

此外，冷凍電鏡技術(shù)服務(wù)于生物學(xué)，“明白生物問題是什么？我在結(jié)構(gòu)處理的時(shí)候才能夠有針對(duì)性?！崩钛┟髡J(rèn)為，其團(tuán)隊(duì)的生物學(xué)研究能促進(jìn)團(tuán)隊(duì)的冷凍電鏡技術(shù)和方法學(xué)研究，使研究更加切合實(shí)際需求，定位于解決實(shí)際問題。

穩(wěn)定的樣品來源非常重要，穩(wěn)定的人才隊(duì)伍對(duì)李雪明來說或許更為關(guān)鍵?！坝腥苏f有人才更迭會(huì)越來越好，但人員流動(dòng)對(duì)做技術(shù)來說卻非常不利。尤其對(duì)做交叉學(xué)科技術(shù)的尤其不利，因?yàn)榕囵B(yǎng)一個(gè)單一技術(shù)背景的人理解多學(xué)科的內(nèi)容是一個(gè)長期工作。它需要一個(gè)人持續(xù)地做下去，哪怕一項(xiàng)小的技術(shù)。但現(xiàn)在的體制和機(jī)制，以及氛圍，很難保障技術(shù)人員在實(shí)驗(yàn)室里穩(wěn)定工作下去?！?/p>

他笑稱自己就像“光桿司令”，其余全是“流動(dòng)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(tài)。如果把技術(shù)比作是一幢不斷壘高的建筑，那么每次人員的大流動(dòng)都是一次摧毀。

盡管高精尖中心多年來一直給予支持，但李雪明希望能有更多的渠道給技術(shù)人員更好的成長和工作環(huán)境。在他眼里，技術(shù)人員在科學(xué)進(jìn)步中是舉足輕重的，這一群體讓科學(xué)家們的很多想法得以真正實(shí)現(xiàn)?！拔嗟牟煌I(lǐng)域技術(shù)人員，尤其是高科技公司中的高級(jí)技術(shù)人員，愿意加入到科研相關(guān)的技術(shù)開發(fā)中來，作為一個(gè)可以安身立命，并奮斗終身的職業(yè)，非常重要?！?/p>

此外，李雪明認(rèn)為現(xiàn)行的以論文為基本考核指標(biāo)的學(xué)生考核機(jī)制對(duì)技術(shù)研究也尤為不合適?！鞍l(fā)論文其實(shí)是中間過程，有成果就發(fā)，沒有就先不發(fā)，它是一個(gè)副產(chǎn)品。我們真正的目標(biāo)是做誰都可以用的通用技術(shù)和工具，發(fā)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(fā)論文的工作往往就是曇花一現(xiàn)。