攻坚结构生物学公认难题
清华学生论文登上《自然》
 
来源:中国教育报 2010-10-15

  膜蛋白的结构生物学研究一直是结构生物学领域公认的重点及难点。10月7日,顶级科学期刊《自然》刊发了一篇学术论文《岩藻糖转运蛋白向胞外开放构象的结构》(Structure of a fucose transporter in an outward-open conformation)。令人关注的是,该论文的前两位作者——党尚宇和孙林峰在开始课题研究时还只是清华大学的本科生。在清华大学医学院教授颜宁的带领下,以党尚宇、孙林峰、黄永鉴三名学生为主力的课题组,用了一年半的时间,在世界上第一次解析了膜蛋白——大肠杆菌岩藻糖转运蛋白的结构,并结合生化手段初步揭示了其工作机理。

  本科生“被骗上船”接手世界难题

  2008年3月,还是一名大三学生的党尚宇,在实验室进行科研训练的时候,选择了施一公教授领导的清华大学结构生物学研究中心,并进入了颜宁负责的实验室进行科研工作。凭着对科研的热爱和刻苦钻研的精神,党尚宇在不到半年的时间里就掌握了基本的实验技能。

  2008年8月,颜宁找到党尚宇讨论如何开展科研工作,基本没有科研经验的党尚宇提出自己是否可以尝试承担一项课题。颜宁答应了,并将膜蛋白的研究课题交给了他。

  膜蛋白存在于细胞的细胞膜上,其功能在生命体中至关重要,但由于膜蛋白不溶于水,难以纯化出均一性较好的蛋白质,从而得不到高质量的蛋白质晶体,研究起来困难重重。

  为什么敢将这样一个难题交给几名本科生?“感觉有点像是我把他们‘骗上船’的。”颜宁说,“那个时候,他们年龄很小,完全没有畏难情绪,很有勇气,科研经历是一张‘白纸’,我觉得这是好事。即使一两年内做不出来,他们也不会有太大的心理负担,就算是通过课题培养他们的科学素养,锻炼他们的实验技能了,不过后来他们的科研工作进展给了我巨大惊喜。”

  每前进一步都像进行一场惊险跨越

  要做好膜蛋白的研究工作,不是单凭勇气就可以的。回想起当时的研究工作,现在已是清华研究生的党尚宇说:“每前进一步都像是进行一场惊险的跨越。”

  为了应对后续繁重的研究工作,颜宁让党尚宇的同班同学孙林峰加入到课题组中。两个年轻人调节各种条件,尝试着培养出了第一批蛋白晶体,下一步要用X射线对晶体进行衍射分析。晶体的好坏是能否解析蛋白结构的关键。

  党尚宇这样形容那几乎令人沮丧到极点的场景:每颗晶体直径连0.1毫米都不到,用一个肉眼几乎看不见的金属圈小心翼翼地把晶体从一个半粒小米大小的液滴中“捞”出来,放到仪器上去衍射,照了几分钟,发现数据情况不理想,再换一颗,还是不行,再换一颗……就这样一直照了一下午,连一组像样的数据都没有得到。两个年轻人常常是辛苦一整天后心情沮丧地离开实验室,回到宿舍闷头大睡、缓冲一下,第二天抖擞精神接着干,然后依然是郁闷而归。

  枯燥的实验很容易磨掉人的耐性。“膜蛋白的研究,某种程度上就是要看谁能坚持到最后。谁先放弃谁就输了,坚持到最后的就赢了。”在这个关键时刻,颜宁鼓励两个年轻人坚持下去,并一直和他们一起讨论实验结果,研制下一步实验方案。在老师的安排下,比他们高两级的研究生黄永鉴加入到课题研究中。

  黄永鉴加入课题研究的第二天,就发现党尚宇和孙林峰在实验操作的时候没有把特定溶液“洗干净”,而且溶液的初始温度也偏高,就这两个发现,帮助课题组跨过了一个障碍。

  颜宁说:“实验的细节往往决定成败,党尚宇他们对待实验的态度非常严谨,所以做实验的成功率很高,科研进展也比较快。”

  学术上和老师吵得面红耳赤都可以

  一个膜蛋白的研究,通常都会花上三五年的时间,即便是实验经验老到的科研工作者,也没有把握在一年半时间内解析出一个膜蛋白的结构和生化功能。是什么让党尚宇他们能够心无旁骛地进行科学研究呢?

  学生们认为,一方面是因为实验室融洽的气氛,大家抱团进行研究,很少有其他的事情干扰;另一方面是实验室完善的实验硬件条件,能够最大限度的帮助研究者实现设想。最为重要的是,结构生物学研究中心为各位新引进的教授负责的课题组提供前3年稳定的全方位支持,使得各位教授可以全心全意把时间精力全部放在实验室里,与学生们一起攻坚科学难题。

  “现在对于党尚宇他们来说,再做膜蛋白的结构和功能分析,已经没什么可怕的了,他们已经有充分的自信。在我的心目中他们就是崭露头角的青年科学家。”颜宁说。

  在颜宁的心中,这些学生聪明过人,对待科研工作一丝不苟,不过颜宁也补充:希望学生们不要太“乖”,要更活跃,要跟老师在学术上争论,甚至吵得面红耳赤都可以。

  清华大学结构生物学研究中心在过去一年半相继报道了3个新型膜蛋白的4个晶体结构,由于其创新性和重要性,4篇学术论文全部发表于《自然》或《科学》,为我国的膜蛋白结构生物学研究作出了重要贡献,其成果在国际结构生物学领域获得了充分关注。而更加令人惊喜的是,在这些课题研究的主力军中,都有高年级本科生和低年级研究生的身影——“低龄化”已经成为清华大学结构生物学研究的一个特点。(杨晨光 周襄楠 吕露英)

 

2010年10月18日 08:44:09  清华新闻网

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