環(huán)球熱頭條丨大四時(shí)被“忽悠”進(jìn)組，27歲小伙發(fā)首篇Nature論文

5年前的夏天，中科院生物物理所園區(qū)回蕩著悠長(zhǎng)的蟬鳴。劉昊走進(jìn)柳振峰研究員的辦公室，當(dāng)時(shí)他22歲，正在讀大四，想要到柳老師的實(shí)驗(yàn)室里實(shí)習(xí)。

柳振峰在電腦上打開一張PPT，這是植物光合作用的分子機(jī)制圖。在植物細(xì)胞中，葉綠體像一個(gè)個(gè)迷你“生產(chǎn)車間”正在繁忙工作。然而這些“生產(chǎn)車間”自己內(nèi)部培養(yǎng)的“工人”——蛋白質(zhì)很少，90%以上的蛋白質(zhì)要從外部引進(jìn)。這些蛋白質(zhì)要進(jìn)入葉綠體發(fā)揮作用，這就需要經(jīng)歷一段復(fù)雜的運(yùn)輸過程。

“你知道葉綠體膜上這個(gè)幫助蛋白質(zhì)‘進(jìn)門’的結(jié)構(gòu)是什么嗎？”柳振峰試探地問，這個(gè)知識(shí)點(diǎn)有些冷僻，他沒指望劉昊能答上來。

沒想到，眼前這個(gè)年輕人回答得頭頭是道——這正是他感興趣的研究方向！就這樣，師生初次見面的短短幾個(gè)小時(shí)里，劉昊就贏得了柳振峰課題組的入場(chǎng)券，并確定了未來5年的博士研究方向。

近日，27歲的劉昊以第一作者身份在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了相關(guān)論文，解析了葉綠體蛋白質(zhì)傳送器的組裝原理。這時(shí)柳振峰才笑著承認(rèn)，當(dāng)初他有意“忽悠”了一下這個(gè)小伙子：“我沒告訴他這個(gè)課題到底有多難?！?/p>

被“忽悠”來的Nature一作

光合作用就是植物通過葉綠體，把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。這可以說是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)。沒有光合作用，就沒有我們眼前多姿多彩的生命世界。歷史上，光合作用的機(jī)制研究曾多次斬獲諾貝爾獎(jiǎng)。

“在光合作用中，植物如何做到高效地吸能、傳能、轉(zhuǎn)能，是科學(xué)研究的核心問題之一。”柳振峰對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋。而葉綠體中有著復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的葉綠素蛋白復(fù)合體，正是至關(guān)重要的能量“傳送器”和“轉(zhuǎn)換器”。

葉綠體中的蛋白質(zhì)，可以大致分為兩種來源：不到10%的蛋白質(zhì)是由葉綠體自身內(nèi)部的基因編碼的；90%以上的葉綠體蛋白質(zhì)就像其他大多數(shù)蛋白質(zhì)一樣，是由細(xì)胞核中基因編碼的。后者要進(jìn)入葉綠體開展工作，需要連續(xù)穿越葉綠體特殊的內(nèi)、外雙層膜結(jié)構(gòu)。為它們開辟道路的，是名為TOC-TIC的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合體。位于葉綠體外膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)體被稱為TOC，位于內(nèi)膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)體則被稱為TIC。

在過去30年間，組成TOC和TIC的不同蛋白亞基已被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，而二者構(gòu)成的TOC-TIC超復(fù)合體如何組裝，如何跨越葉綠體內(nèi)外膜，又如何組成前體蛋白的運(yùn)輸路徑，這一系列的關(guān)鍵科學(xué)問題的答案都還未能研究清楚。

“在真核生物體中，葉綠體和線粒體是具有雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，像葉綠體TOC-TIC這樣能夠跨越雙層膜的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合體比較罕見,并且具有非常重要的生物學(xué)功能。它本身的組成和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且在細(xì)胞內(nèi)的含量很低，因此研究難度還是很大的，可能做很久都做不出來?！绷穹逭f。

然而看著眼前這個(gè)“初生牛犢”般的科研苗子，柳振峰怕把他“嚇跑了”，有意在表述上“打了個(gè)折”。

“這個(gè)課題很有趣，不過可能要做4-5年，不一定有結(jié)果，你愿意來嗎？”

22歲的劉昊接受了挑戰(zhàn)：“當(dāng)時(shí)找到柳老師，就是出于對(duì)植物膜蛋白的興趣，所以不管5年還是更久，只要能做出來就行?！?/p>

科研攻關(guān)，從“洗菜”開始

對(duì)冷凍電鏡研究來說，樣品的質(zhì)量極為關(guān)鍵。“巧婦難為無米之炊”——很多時(shí)候，同樣擁有冷凍電鏡的研究單位，之所以有的能快速做出高質(zhì)量的結(jié)果，有的遲遲難以突破，主要瓶頸和問題往往就出在樣品的收集和制備環(huán)節(jié)上。

在植物和藻類中，葉綠體TOC和TIC蛋白的天然豐度比較低。如何從葉綠體中獲得又多又好的TOC-TIC超復(fù)合體拿來做實(shí)驗(yàn)，成了研究初期最大的難題。

植物葉綠體的優(yōu)質(zhì)來源是菠菜。于是去菜市場(chǎng)拎5斤菠菜，再回實(shí)驗(yàn)室把一大盆菠菜清洗、分離、提純，這一系列操作，成為劉昊做研究的常態(tài)。

久而久之，這個(gè)小伙子成了洗菠菜的“熟練工”：要想洗得干凈，就得用蒸餾水反復(fù)沖刷，每一片綠葉都清洗6遍；同時(shí)，還不能使用超聲波等技術(shù)清洗，只能輕柔手洗，以保護(hù)TOC-TIC超復(fù)合體的完整形態(tài)。

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由于常洗菠菜，白大褂都洗綠了，劉昊就穿著它做實(shí)驗(yàn) （課題組供圖，下同）

劉昊自嘲地說，洗菠菜已經(jīng)成了他的“職業(yè)病”，即使回家洗菜、擇菜，也保持著實(shí)驗(yàn)室的手法和速度。

但藻類葉綠體樣品的收集，就沒這么容易了。

柳振峰團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)向國(guó)際衣藻資源中心（Chlamydomonas Resource Center）訂購(gòu)實(shí)驗(yàn)所需的萊茵衣藻。然而，這株漂洋過海的藻種經(jīng)過長(zhǎng)途運(yùn)輸，經(jīng)歷了被噴酒精和消毒等重重波折后，到達(dá)生物物理所時(shí)，幾乎“沒剩幾個(gè)活細(xì)胞”，險(xiǎn)些被扔進(jìn)垃圾箱。

抱著“死馬當(dāng)活馬醫(yī)”的態(tài)度，劉昊還是把藻種放進(jìn)安裝了光源的恒溫?fù)u床中搖著?！拔覜]事就去看看它，一直都長(zhǎng)得很緩慢，但突然有一天，它變綠了?！?/p>

另一株來之不易的藻種，則多虧了一位“好心的瑞士老先生”。他是瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Jean-David Rochaix教授。2018年召開的第二次世界生命科學(xué)大會(huì)上，Jean-David得知柳振峰課題組正在開展這方面的工作后，便主動(dòng)提出共享自己實(shí)驗(yàn)室的帶有特殊親和標(biāo)簽的藻株。用這個(gè)藻株做實(shí)驗(yàn)，意味著將大大簡(jiǎn)化提取步驟，加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。

但由于種種原因，在長(zhǎng)達(dá)2年的時(shí)間里，他們一直沒能拿到這個(gè)藻株。在Jean-David的不懈堅(jiān)持和爭(zhēng)取下，藻株終于先輾轉(zhuǎn)寄到中科院植物研究所楊文強(qiáng)課題組，之后再轉(zhuǎn)交給柳振峰課題組。

獲得足夠的實(shí)驗(yàn)樣品后，他們很快使用冷凍電鏡技術(shù)，對(duì)TOC-TIC復(fù)合物中的孔道特征進(jìn)行了細(xì)致觀察和分析，并揭示了葉綠體蛋白質(zhì)傳送器的組裝原理。經(jīng)過半年多的反復(fù)審稿修改，這項(xiàng)研究終于在Nature見刊。

在柳振峰看來，這次研究結(jié)果的發(fā)表離不開國(guó)際交流和合作。“與一流科學(xué)家開放地交流和合作，能促成很多出色的成果，這株跨越大洋的藻種也證明了這一點(diǎn)?！彼f，“我們也毫不猶豫地把論文初稿發(fā)給Rochaix教授，并在征得他的同意后，把他的名字寫在了論文的共同作者中?！?/p>

這篇Nature只有4個(gè)署名

這篇Nature論文只有4位署名作者：博士生劉昊、李安節(jié)分別為論文的第一和第二作者，負(fù)責(zé)整個(gè)技術(shù)路線和相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施；瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)Jean-David Rochaix教授為共同作者，參與該項(xiàng)課題技術(shù)路線的設(shè)計(jì)和結(jié)果分析討論；柳振峰則為通訊作者，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌研究的整體設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)研究過程。

在Nature網(wǎng)站2021年6月發(fā)表的一篇文章中指出，對(duì)PubMed-MEDLINE數(shù)據(jù)庫(kù)列出的3000萬篇論文的一項(xiàng)分析發(fā)現(xiàn)，作者的平均人數(shù)從1975年之前的1.9人上升到2015-2019年間的5.9人。一篇頂刊論文，署名十幾人甚至幾十人的情況早已屢見不鮮。

柳振峰表示，自己課題組產(chǎn)出的論文作者人數(shù)偏少，與科研的不同組織模式有關(guān)。他們的這種“小團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)”，有限的參與者每個(gè)人都必須承擔(dān)“大量的工作”。相應(yīng)的，也往往有“高密度”的收獲。

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柳振峰團(tuán)隊(duì)（上排左四為柳振峰）

對(duì)此，劉昊和李安節(jié)深有體會(huì)。

在本科生階段就確定研究方向的劉昊，在之后4年間幾乎只做了這一個(gè)選題。大到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、調(diào)整方向，小到跑菜市場(chǎng)買菠菜、連續(xù)十幾個(gè)小時(shí)扎在實(shí)驗(yàn)臺(tái)前提純蛋白，他事無巨細(xì)地挑起了這個(gè)課題的大部分工作。

“在我們課題組，柳老師對(duì)我們的要求是，每個(gè)人都要完整掌握實(shí)驗(yàn)的全套流程。”李安節(jié)說，“這樣會(huì)很辛苦，但對(duì)我們的成長(zhǎng)非常有益?！?/p>

實(shí)驗(yàn)后期，李安節(jié)主要負(fù)責(zé)分子動(dòng)力學(xué)模擬，但這一體系不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)解析，還需要有扎實(shí)的計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物化學(xué)和生物物理學(xué)等學(xué)科背景。李安節(jié)花了兩周時(shí)間，一頭扎進(jìn)新領(lǐng)域的文獻(xiàn)海洋，“程序跑通的那一刻，真感覺挺厲害的！”

在這個(gè)課題組，發(fā)論文的效率也許不是最高的，但人才培養(yǎng)的效率卻并不低。

不要只摘“低垂的果實(shí)”

在柳振峰看來，從結(jié)構(gòu)生物學(xué)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)出發(fā)，闡明光合作用的微觀機(jī)理，是一項(xiàng)“值得投入幾代人”的研究。

過去200余年間，國(guó)際上與光合作用相關(guān)的研究成果已經(jīng)十余次問鼎諾貝爾獎(jiǎng)，被諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)評(píng)價(jià)為地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)。其中，光合膜蛋白的三維結(jié)構(gòu)研究一直是國(guó)際公認(rèn)的高難課題，它也被認(rèn)為是一個(gè)國(guó)家結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究水平的重要標(biāo)志。主持完成了我國(guó)第一個(gè)膜蛋白的晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定的科學(xué)家，正是柳振峰的導(dǎo)師——中國(guó)科學(xué)院院士常文瑞。

1998年，柳振峰來到生物物理所常文瑞課題組，選擇了一個(gè)“看似不可能”的課題——菠菜捕光復(fù)合物的結(jié)晶和結(jié)構(gòu)解析。在延期畢業(yè)近一年后，柳振峰終于在Nature上發(fā)表得到國(guó)際同行高度認(rèn)可的論文。

2018年，柳振峰在實(shí)驗(yàn)室第一次見到劉昊時(shí)，也拋出了一個(gè)“看似不可能”的課題。如今，時(shí)隔近20年的兩篇Nature論文，串起了3代結(jié)構(gòu)生物學(xué)者的科研人生。

隨著冷凍電鏡和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展，過去解析一個(gè)分子結(jié)構(gòu)需要幾年的時(shí)間，如今發(fā)展為僅需幾個(gè)星期，甚至幾天。那么，結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究背后的真正問題又是什么？

劉昊記得，柳老師總掛在嘴邊的一句話是，不要只摘“低垂的果實(shí)”。因此，柳振峰招收學(xué)生時(shí)，從不關(guān)注對(duì)方發(fā)過幾篇論文，只關(guān)注對(duì)方“愿不愿動(dòng)腦筋、會(huì)不會(huì)提問題”；在他的課題組，從沒有論文發(fā)表的數(shù)量要求，只關(guān)注一項(xiàng)研究是否把科學(xué)知識(shí)的邊界往前推動(dòng)了一大步。

對(duì)劉昊來說，結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究最令他激動(dòng)的一刻，不是得知文章被Nature接收的一刻，而是解出TOC-TIC超復(fù)合體電鏡密度的一刻：“我也能解出這么難的問題？”與探索未知的收獲相比，在頂刊發(fā)表論文就顯得“平淡多了”。

正如柳振峰所說：“解析結(jié)構(gòu)并不是我們的目的，更重要的是發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)背后的規(guī)律性原理。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的真正核心在于提供開創(chuàng)性的框架，為后來研究者帶來新的啟發(fā)、新的起點(diǎn)?！?/p>

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柳振峰課題組開展戶外活動(dòng)

相關(guān)論文：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05744-y