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在成功解析膜蛋白复合体II三维结构的背后——记饶子和院士和他的研究小组

●新闻中心记者 周襄楠

  晚10点,我校生物科学与技术系结构生物学实验室与上午10点一样繁忙。

  当我国生物学界为饶子和院士领导的“清华大学-中科院生物物理研究所结构生物学联合研究小组”的研究论文《线粒体呼吸链膜蛋白复合物II晶体结构》在《Cell》(细胞)上发表所鼓舞时,这个小组仍然在忙碌着。

  我校生命科学与医学研究院副院长、中科院生物物理研究所所长、我校生物系长江学者特聘教授饶子和说:“接下去我们课题组将抓紧进行线粒体膜蛋白复合物II的结构与功能关系的深入研究和复合物I的探索,这又是一个极具挑战性的课题。”

  科学探索征途上的成功并不是偶然的巧合,他只属于那些辛勤耕耘者。成功的背后往往隐藏着无数的艰辛和故事。


大年初四在美国36小时的飞行之旅

  在2005年的大年初四,当全世界的华人还都在沉浸在春节的节日气氛时,饶子和行色匆匆地搭上了飞往美国芝加哥的班机。在2005年元旦前后,饶子和研究组只解析出3?分辨率的复合物Ⅱ的晶体结构。这次去美国阿贡国家实验室利用同步辐射光源设备是为了得到更加精确的数据,饶子和认为这次实验是至关重要的。

  在美国的土地和上空,饶子和仅仅停留了36小时。一下飞机就进实验室收集数据,经过24小时的连续实验,他获得了2.4?的高分辨率的数据,一出实验室就直奔机场。

  饶子和在清华生物系的博士生孙飞是此次刊发文章的第一作者,他说:“当初得知有美国同行利用鸡心作为原材料也在进行同样的研究时,我们感到了不小的压力。”

  “我们后期整个研究进程可以用争分夺秒来形容,研究小组的每一个成员都是几乎不吃饭不睡觉地连轴转。”科学界没有“银牌”,要争取金牌,就必须与时间赛跑。

  而在研究人员的眼中,饶子和本人是一名典型的“工作狂”,从早上7点到晚上11点,他的日程总是排列得满满的,看似只有“铁人”才能够承受的工作强度,饶子和却形容“比看电视还享受”。

  实验前前后后仅猪心这一实验原材料就消耗了近百颗,此后这篇发表在《细胞》上的论文从送稿到发表历时不到3个月,而一般在这样高水平的刊物上发表文章至少需要半年。


解析膜蛋白复合体II是没有想到的实验结果

  与许多世界上其他伟大的科学发现一样,在这项探索性的科学发现中,必然与偶然的奇妙结合产生了令人意想不到的结果。

  按照清华和中科院生物物理研究所一开始预定的目标,是要在实验室中成功解析出膜蛋白复合体II与III的超级复合物,所以研究人员一开始并没有对晶体的纯度做出特殊的要求。
但是,这样做出来的膜蛋白晶胞的尺寸却远远小于预先设定的“分子”的尺寸,根据晶体的衍射图谱推断,这样得到的晶体,不是膜蛋白复合体II,就是膜蛋白复合体III。

  一个令人完全出乎意料的发现,令整个实验的方向和方法都不得不做出改变,更重要的是由此导致了实验取得非同寻常的突破。

  在历经晶体的培养、晶体质量优化、高分辨率数据收集、相位解析、电子密度图解释及结构修正等数“关”之后,研究小组终于完成了这一由四种不同蛋白质组成的膜蛋白复合体的精细结构测定,这是一个如鲜花般盛开的q形结构,这是世界上首次成功解析出的由四种不同蛋白质组成的线粒体复合物II膜蛋白的精细三维结构,线粒体复合物II因此成为世界上为数不多获得结构的膜蛋白“家族”中的一员。当研究小组端详着这个似乎只在神话中才存在的完美结构的时候,不得不赞叹科学发现中必然与偶然的奇妙结合。

  “由于世界公认的解析膜蛋白结构的高难度,这纯粹是一项探索性的科学工作,我们在做的时候并不知道会有什么样的结果,可以说失败的可能性非常大,所以这个我们没有立项,也没有申请经费,希望国家今后对这样探索性的工作应该给予积极的鼓励和稳定的支持。”饶子和说。


感到学生比自己强是最高兴的事

  “像孙飞这样的学生,在我的研究小组里有一批。在带学生的过程中,感到学生比自己强是令我最高兴的事。”饶子和自豪地说。

  据了解,这项成果的主要研究人员都是二十来岁的研究生,饶子和将他们称之为“中国结构生物学界的未来”,言语间充满对学生的爱。

  饶子和常常对学生讲两点:一是世上没有不可能的事情,十年前看着不可能的事情五年前就实现了,现在看着不可能的事情五年之后很有可能变成现实,这就是科学的进程,也是科学工作者的一种享受所在;二是如果出国进行深造,就要在国外出了成果再回来报效“江东父老”。

  正是以这样的爱心和用心,饶子和组建了一支中国结构生物学界的“奇兵”,这不能不说是孕育成功的一个必要条件。

  “从研究课题的选择到整个课题的进程中,还有最后的攻关冲刺,饶老师起到了非常关键的作用。他非常支持我们的工作,也非常关心我们的生活。”孙飞说。

  在研究工作遇到困难的时候,饶子和把研究小组中负担主要工作的博士生送到膜蛋白研究具有世界水平的日本考察了一个月,孙飞坦陈这让他受益匪浅,回国之后就对实验的几个关键性的环节进行了修改,从而直接逼近了胜利。

  只要是认为值得的事情,再大的投入饶子和对学生也是有求必应。在研究工作进行到几个关键阶段,孙飞几次提出合理化建议,饶子和都积极采纳。比如在实验后期,孙飞认为自己有必要直接参与蛋白样品的提取,但是这需要在实验室组建一整套设备,饶子和二话不说就同意了。

  “要给学生一定的自由度,在各方面给予他们足够的尊重。科学上的成功也许仅仅来自科学上的工作,但是科学工作者能否潜心研究却是需要各方面的条件,不仅仅局限于研究工作中,作为导师就要为学生创造各种条件让他们安心研究。”饶子和说。

  通过广泛的国际合作关系,饶子和一有机会就把研究生送到国外去参加国际会议、进行研究和考察,他名下的博士生几乎在就学期间都有过在国外进行研究、考察的经历;因为有“科学的灵感在于交流”的切身体会,他鼓励学生们“泡”实验室,互相交流,让科学的氛围无时不刻地浸润每一个人。

  “我要我所有的研究成员通过所有的感官去学习,不仅学习科学的研究方法,还要学习如何做人,培养互助精神和团队精神。科学氛围的营造需要广泛的交流和点滴的积累,团队中的每个人将自己的长处贡献出来组合在一起,才能够发挥出最大的效用。”饶子和说。


“96特001”的清华工作证

  饶子和将这一开创性的科研成果与中国今天的经济奇迹相类比,认为如果没有国内九十年代以来对于基础研究的持续投入和一批创业者的辛勤耕耘,是无法出现这一系统性的研究成果的。

  饶子和1996年从英国牛津大学回国,在中国的结构生物学领域艰苦创业,提到回国之后这十年来自是感慨万千。他始终认为他回国以来的发展与清华密切相关,他比喻说:“清华是皮,我是毛,皮之不存毛将焉附”,在提到清华对他研究工作的支持时,他说,从1996年至今学校的各届校领导能曾亲自过问并支持他的研究工作,特别是时任清华大学生命科学与工程研究院院长的赵南明教授给予了他很大的帮助。从学校到院系,无论是在实验室的建设还是经费的筹措上,都给予了他很大的支持,为结构生物学实验室的建设奠定了基础。饶子和还提到了两件令他感动至今的“小事”:

  1996年,饶子和参加清华人才引进答辩会刚刚结束的时候,时任清华人事处处长的裴兆宏当即写了一个编号为“96特001”的工作证,郑重地交给了他,一下子让他有了强烈的“清华人”的归属感;刚来清华的时候万事生疏,为了寻找一个保洁的小时工曾经四处打听,裴兆宏得知这个情况之后,通过多方联系为他找到了一个小时工,这名小时工一用就是十年,至今仍然在饶子和家中工作。

  饶子和对未来充满了信心。

  “毫无疑问,中国结构生物学研究将成为世界结构生物学领域中的一支重要力量。”他说“我相信,近几年我国会出现一批这样的原创性、发现性的成果。”

(编辑 文清)

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2005-07-15]
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