破解葡萄糖转运子的神奇奥秘

——记在《自然》发表高水平论文的清华生命学院2009级博士生孙林峰

研通社记者  陈陆淼

图为孙林峰近照。记者 范丽 摄

  10月18日,清华大学医学院颜宁教授研究组在国际顶级学术期刊《自然》以研究长文(Research Article)的形式发表题为《葡萄糖转运蛋白GLUT1-4细菌同源体的晶体结构解析》(Crystal structure of a bacterial homologue of glucose transporters GLUT1-4)文章,报道了人的葡萄糖转运蛋白GLUT1-4在大肠杆菌中的同源蛋白XylE的晶体结构,并且运用生化手段对其工作机理进行了研究。清华大学生命学院博士研究生孙林峰和曾昕共同为文章第一作者。这些工作对于人类理解葡萄糖转运子的工作机制,理解人类疾病的发生提供了重要依据。

  值得一提的是,这是膜蛋白研究方面的又一重要进展,《自然》专门为此篇论文配发了新闻评论(News & Views)。

  从本科阶段就开始涉及研究工作,到跟随师哥师姐承担研究课题,再到独当一面成为高水平学术论文的第一作者,孙林峰走过了怎么样的一条科学研究之路?笔者采访了孙林峰,回顾了他成长的点点滴滴。

万丈高楼平地起——扎实的基础是成功的前提

  从低等的微生物到高等生物如人类,葡萄糖转运子在细胞葡萄糖代谢过程中都起着至关重要的作用。在人的葡萄糖转运蛋白成员中,GLUT1-4是研究最为深入的,且与多种人类疾病发生相关。但是目前对于这类膜蛋白的结构信息我们仍然知之甚少。

图为孙林峰在实验室。记者 范丽 摄

  关于糖转运蛋白机理的研究已经有好几年,但一直没有得到好的结果。孙林峰在一年半左右的时间内就把这个课题攻克下来,在外人眼里是了不起的成绩。而当孙林峰自己谈到这个结果时,他说自己是幸运的。

  但是仅仅是幸运吗?

  其实,早在孙林峰还是本科生的时候,他就进入施一公、颜宁教授的团队,承担了关于大肠杆菌岩藻糖(L-fucose)转运蛋白(FucP)的结构机理的课题研究任务,并最终以第二作者在《自然》发表过“Structure of a fucose transporter in an outward-open conformation”(岩藻糖转运蛋白向胞外开放构象的结构)的高水平学术论文。

  在刚进入课题组时,实验室的一切对于孙林峰而言是新奇的,也是充满挑战的。他在观察中积累经验,在实验中总结方法。当时跟着师兄师姐们做实验,他总是看得非常仔细,将实验的小细节学得非常认真。

  孙林峰有着扎实的基础,也就是“手快”,这让他动手操作实验时节省了大量的时间,“同样的事情,有的人做得慢最后也能做好,但是我能够达到又快又好,这让我在实验进展中占了很大的优势。”这种“功夫”是怎样练成的?熟能生巧!孙林峰在平时做实验时就注重思考,把操作的方法掌握之后不停歇地练习,才有了后来“机械手”般的速度。

  不同的课题需要不同的实验,但在一个课题组中这些实验有着一定的相通性。所以实验经历让他积累了许多实验方法和思路,这为他日后自己作课题相对独立承担研究任务打下了坚实的基础。

站在前人的肩膀上——总结经验教训才能不走弯路

  刚接手这个糖转运蛋白新课题时,孙林峰也有过两三个月的迷茫期。没有了师兄师姐的带领,他害怕出现问题之后不知道如何解决。更令他有压力的是,这个课题在他前面已经至少有两拨人做过,却并没有拿到高分辨率的晶体,那他能做出成功的研究成果来吗?所以刚开始时,他就是抱着试试看的心态去做。

  本着认真踏实的态度,他首先整理了前人做过的工作,包括一些实验结果和结论。比如在选用去垢剂问题上,借鉴前人的工作,有100多种去垢剂就不用一一尝试了,排除一部分已经被试过的,再根据其他实验的经验优先选择,很大程度上加快了实验的进程。

  正如被问到自己能做出这个课题的优势时,孙林峰谦虚地说到:吸取了前人的经验。刚开始尝试让蛋白结晶时,孙林峰也一直无法获得满意的蛋白晶体,当时他就联想到实验室别的课题做类似实验时加底物小分子就可以稳定蛋白状态,于是他也把这一实验方法借用过来尝试。没想到一试证明结果确实比较好,并且过不了多久就拿到了令人满意的晶体,真正走出了本课题的关键一步。

  就这样真正开始着手做课题的时候,孙林峰感觉到了内心的踏实。更让他感觉很好的是:用自己的想法去解决问题,这样一步一步做下去,内心很满足。

  “我想这一次课题研究的最大的变化和收获就是独立自主。”过去的孙林峰可能对如何去做实验想得不多,只是以完成任务的态度去做,但现在他会经常思考为什么要做,应该用什么方法去做最好等等一系列问题,因为“这是我的课题”,更因为一种对科研的责任心。

量变带来的质变——重复性实验是膜蛋白研究的基石

  对于葡萄糖转运蛋白机理研究,首先是培养好的晶体,这需要通过大量的筛选性实验来完成;接着是分析氨基酸功能,而一个晶体结构中有400多个氨基酸,即使是只选择蛋白穿膜通道周围的氨基酸也有三十个左右,这就注定课题的研究必须有大量的实验作为基础。

  在课题前期,孙林峰主要的时间还是花在了培养晶体上,每天都在对着枪头盒加蛋白和缓冲溶液。这是一项庞大的工程,因为每次提取蛋白之后“点晶体”就需要点8板,一板有24种条件,每个条件上又有4种蛋白,就有96个地方需要点,只有按顺序点,才能做到不混淆,点一次就需要将近一天的时间。“这样尝试了四五个月,点过了有几百板,终于长出了比较好的晶体。”同时晶体的观察也是一项体力活,因为晶体很小,需要在放大四五十倍的显微镜下才能观察到。而那时孙林峰就需要每天在显微镜下不停观察,一直看半个小时一个小时都是常事。

  接着就是用X射线解析出好的晶体结构之后研究每个氨基酸的功能。针对穿膜通道附近的氨基酸,孙林峰做了大概五六十个突变来研究它们的性能。主要的方法是通过基因水平把要研究的一个氨基酸突变掉,转换成别的氨基酸,然后将新蛋白置于实验中,看突变掉的蛋白能不能把有放射性底物木糖或者葡萄糖转移到细胞里面,从而判断此氨基酸的功能。这样的实验主要有两方面的目的,不仅从功能上验证结构的正确性,还能用这个结构发现一些新的功能。“一般情况下,一次氨基酸的突变需要三四天时间,接着要根据结果来决定下面的工作,实验战线拉得比较长。”这种功能性探究实验分析也花费了孙林峰近半年的时间。

  就这样孙林峰有一年的时间在做实验,而每天的实验也都是一些枯燥的工作,重复的动作。“但如果得到好的结果时真的很兴奋,感觉前面的劳累、酸痛都没什么了。”就是在日复一日付出的积累下,才让他最终收获到了满意的实验结果,攻克了这个难题。

  整个课题的研究面临过许多困难,但每次面对困难时,孙林峰都是通过与人交流,自主思考,一步一步尝试下去克服。他提到一件小事,刚开始发现晶体时结果并不好,长得很小,不仔细看容易忽视,但当时没有放弃,而是在原来的基础上优化了条件,最后居然得到了很好的结果。所以当坚定目标时,就要坚持不懈地走下去,尝试每一种可能。

  “做实验最大的秘诀就是:在没有确切证据说你的实验已经堵死之前,不轻言放弃,要尝试各类方法。”

名师出高徒——良好的科研环境塑造科学素养

  颜宁教授所带领的研究组所作课题一直在国际领先水平,实验室所设定的研究方向一般都是国际上比较前沿的课题,都是一些需要克服的热点难点。孙林峰提到,“导师对于我而言,就是精神上的力量。”“只要我们实验上有什么好的结果,比如有好的晶体,我们马上和颜宁老师他们汇报讨论。”“导师还会对我们讲一些人生哲理,交流思想,帮助我们理清思路。”

  “在每个暑假,施一公和颜宁老师都会有一个针对新入实验室的研究生的培训,大约7天时间,主要讲述一些实验操作,基础知识以及前人成功或者失败的经验,这些对我帮助很大。”就是这样的前期培养指导,让孙林峰进入实验室很快进入了科研的状态。

  孙林峰还讲述了实验室非常重视国际上同领域科研水平动向,每周的组会上都会选出相关领域两篇国际高水平论文进行讨论分析,施一公教授、颜宁教授等都会提出自己的见解,他们鼓励学生在实验室出去开会时,要多于国际专家提问交流。孙林峰平时也会定期阅读国际同领域杂志,跟踪相关领域的发展,以此开拓国际视野。

  笔者认为,一个良好的科研氛围可以培养出一批优秀的科学人员。孙林峰所在的实验室是一个50人左右的大集体,他们中不乏有过国际高水平论文的学生,所以可供传承和分享的经验很丰富。孙林峰也提到平时他们经常会在实验室里聊聊天,说说课题中的一些问题,在讨论中寻找灵感。过节生日时他们也会有聚会,也经常组织体育锻炼,排解下实验的枯燥。

  “我很习惯实验室的生活,感觉简单又舒服。”孙林峰安静沉稳的性格让他在实验室找到了兴趣和未来的方向。

人生就是大胆地冒险——迎接挑战性课题

  对于自己做过的课题,孙林峰积累了许多“秘诀”:善于观察——对于平时看实验时认真细致,听他人将细节时用心记录;勤于思考——实验前规划好实验流程,算好数据,理清步骤;熟练操作——每一步实验都是很重要,一定要既快又佳;总结方法——前人的结论方法要吸收,并运用于自己的课题。

  现在孙林峰课题的方向在于研究蛋白质的结构生物学,主要针对膜蛋白结构功能的分析。这项研究可以运用于制药领域,比如可以研发一些药物小分子,可以治疗小儿癫痫、糖尿病、肥胖等疾病。所以这是一个具有重要意义的研究方向。

  孙林峰希望接下来能做一些更有挑战性的课题,学习探索更多实验技能,提升自已的能力。  

  笔者认为:这就是清华园内一个“小牛”成长的过程,他从一名初出茅庐的本科生,到渐入佳境的研究生,再到能独当一面的高水平论文作者,中间有着导师的指引、同学的帮助,更有来源于自身那勤勉而顽强地钻研。  

  编辑:襄桦

 

 

2012年10月19日 15:45:20  清华新闻网

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