破解葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)子的神奇奧秘
——記在《自然》發(fā)表高水平論文的清華生命學(xué)院2009級(jí)博士生孫林峰
研通社記者 陳陸淼
圖為孫林峰近照。記者 范麗 攝
10月18日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院顏寧教授研究組在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》以研究長(zhǎng)文(Research Article)的形式發(fā)表題為《葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1-4細(xì)菌同源體的晶體結(jié)構(gòu)解析》(Crystal structure of a bacterial homologue of glucose transporters GLUT1-4)文章，報(bào)道了人的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1-4在大腸桿菌中的同源蛋白XylE的晶體結(jié)構(gòu)，并且運(yùn)用生化手段對(duì)其工作機(jī)理進(jìn)行了研究。清華大學(xué)生命學(xué)院博士研究生孫林峰和曾昕共同為文章第一作者。這些工作對(duì)于人類(lèi)理解葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)子的工作機(jī)制，理解人類(lèi)疾病的發(fā)生提供了重要依據(jù)。
值得一提的是，這是膜蛋白研究方面的又一重要進(jìn)展，《自然》專(zhuān)門(mén)為此篇論文配發(fā)了新聞評(píng)論(News & Views)。
從本科階段就開(kāi)始涉及研究工作，到跟隨師哥師姐承擔(dān)研究課題，再到獨(dú)當(dāng)一面成為高水平學(xué)術(shù)論文的第一作者，孫林峰走過(guò)了怎么樣的一條科學(xué)研究之路？筆者采訪(fǎng)了孫林峰，回顧了他成長(zhǎng)的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。
萬(wàn)丈高樓平地起——扎實(shí)的基礎(chǔ)是成功的前提
從低等的微生物到高等生物如人類(lèi)，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)子在細(xì)胞葡萄糖代謝過(guò)程中都起著至關(guān)重要的作用。在人的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白成員中，GLUT1-4是研究最為深入的，且與多種人類(lèi)疾病發(fā)生相關(guān)。但是目前對(duì)于這類(lèi)膜蛋白的結(jié)構(gòu)信息我們?nèi)匀恢跎佟?/p>
圖為孫林峰在實(shí)驗(yàn)室。記者 范麗 攝
關(guān)于糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白機(jī)理的研究已經(jīng)有好幾年，但一直沒(méi)有得到好的結(jié)果。孫林峰在一年半左右的時(shí)間內(nèi)就把這個(gè)課題攻克下來(lái)，在外人眼里是了不起的成績(jī)。而當(dāng)孫林峰自己談到這個(gè)結(jié)果時(shí)，他說(shuō)自己是幸運(yùn)的。
但是僅僅是幸運(yùn)嗎？
其實(shí)，早在孫林峰還是本科生的時(shí)候，他就進(jìn)入施一公、顏寧教授的團(tuán)隊(duì)，承擔(dān)了關(guān)于大腸桿菌巖藻糖（L-fucose）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（FucP）的結(jié)構(gòu)機(jī)理的課題研究任務(wù)，并最終以第二作者在《自然》發(fā)表過(guò)“Structure of a fucose transporter in an outward-open conformation”（巖藻糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白向胞外開(kāi)放構(gòu)象的結(jié)構(gòu)）的高水平學(xué)術(shù)論文。
在剛進(jìn)入課題組時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的一切對(duì)于孫林峰而言是新奇的，也是充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的。他在觀(guān)察中積累經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中總結(jié)方法。當(dāng)時(shí)跟著師兄師姐們做實(shí)驗(yàn)，他總是看得非常仔細(xì)，將實(shí)驗(yàn)的小細(xì)節(jié)學(xué)得非常認(rèn)真。
孫林峰有著扎實(shí)的基礎(chǔ)，也就是“手快”，這讓他動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)時(shí)節(jié)省了大量的時(shí)間，“同樣的事情，有的人做得慢最后也能做好，但是我能夠達(dá)到又快又好，這讓我在實(shí)驗(yàn)進(jìn)展中占了很大的優(yōu)勢(shì)。”這種“功夫”是怎樣練成的？熟能生巧！孫林峰在平時(shí)做實(shí)驗(yàn)時(shí)就注重思考，把操作的方法掌握之后不停歇地練習(xí)，才有了后來(lái)“機(jī)械手”般的速度。
不同的課題需要不同的實(shí)驗(yàn)，但在一個(gè)課題組中這些實(shí)驗(yàn)有著一定的相通性。所以實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷讓他積累了許多實(shí)驗(yàn)方法和思路，這為他日后自己作課題相對(duì)獨(dú)立承擔(dān)研究任務(wù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
站在前人的肩膀上——總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)才能不走彎路
剛接手這個(gè)糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白新課題時(shí)，孫林峰也有過(guò)兩三個(gè)月的迷茫期。沒(méi)有了師兄師姐的帶領(lǐng)，他害怕出現(xiàn)問(wèn)題之后不知道如何解決。更令他有壓力的是，這個(gè)課題在他前面已經(jīng)至少有兩撥人做過(guò)，卻并沒(méi)有拿到高分辨率的晶體，那他能做出成功的研究成果來(lái)嗎？所以剛開(kāi)始時(shí)，他就是抱著試試看的心態(tài)去做。
本著認(rèn)真踏實(shí)的態(tài)度，他首先整理了前人做過(guò)的工作，包括一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論。比如在選用去垢劑問(wèn)題上，借鑒前人的工作，有100多種去垢劑就不用一一嘗試了，排除一部分已經(jīng)被試過(guò)的，再根據(jù)其他實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)先選擇，很大程度上加快了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程。
正如被問(wèn)到自己能做出這個(gè)課題的優(yōu)勢(shì)時(shí)，孫林峰謙虛地說(shuō)到：吸取了前人的經(jīng)驗(yàn)。剛開(kāi)始嘗試讓蛋白結(jié)晶時(shí)，孫林峰也一直無(wú)法獲得滿(mǎn)意的蛋白晶體，當(dāng)時(shí)他就聯(lián)想到實(shí)驗(yàn)室別的課題做類(lèi)似實(shí)驗(yàn)時(shí)加底物小分子就可以穩(wěn)定蛋白狀態(tài)，于是他也把這一實(shí)驗(yàn)方法借用過(guò)來(lái)嘗試。沒(méi)想到一試證明結(jié)果確實(shí)比較好，并且過(guò)不了多久就拿到了令人滿(mǎn)意的晶體，真正走出了本課題的關(guān)鍵一步。
就這樣真正開(kāi)始著手做課題的時(shí)候，孫林峰感覺(jué)到了內(nèi)心的踏實(shí)。更讓他感覺(jué)很好的是：用自己的想法去解決問(wèn)題，這樣一步一步做下去，內(nèi)心很滿(mǎn)足。
“我想這一次課題研究的最大的變化和收獲就是獨(dú)立自主。”過(guò)去的孫林峰可能對(duì)如何去做實(shí)驗(yàn)想得不多，只是以完成任務(wù)的態(tài)度去做，但現(xiàn)在他會(huì)經(jīng)常思考為什么要做，應(yīng)該用什么方法去做最好等等一系列問(wèn)題，因?yàn)?ldquo;這是我的課題”，更因?yàn)橐环N對(duì)科研的責(zé)任心。
量變帶來(lái)的質(zhì)變——重復(fù)性實(shí)驗(yàn)是膜蛋白研究的基石
對(duì)于葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白機(jī)理研究，首先是培養(yǎng)好的晶體，這需要通過(guò)大量的篩選性實(shí)驗(yàn)來(lái)完成；接著是分析氨基酸功能，而一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)中有400多個(gè)氨基酸，即使是只選擇蛋白穿膜通道周?chē)陌被嵋灿腥畟€(gè)左右，這就注定課題的研究必須有大量的實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)。
在課題前期，孫林峰主要的時(shí)間還是花在了培養(yǎng)晶體上，每天都在對(duì)著槍頭盒加蛋白和緩沖溶液。這是一項(xiàng)龐大的工程，因?yàn)槊看翁崛〉鞍字?ldquo;點(diǎn)晶體”就需要點(diǎn)8板，一板有24種條件，每個(gè)條件上又有4種蛋白，就有96個(gè)地方需要點(diǎn)，只有按順序點(diǎn)，才能做到不混淆，點(diǎn)一次就需要將近一天的時(shí)間。“這樣嘗試了四五個(gè)月，點(diǎn)過(guò)了有幾百板，終于長(zhǎng)出了比較好的晶體。”同時(shí)晶體的觀(guān)察也是一項(xiàng)體力活，因?yàn)榫w很小，需要在放大四五十倍的顯微鏡下才能觀(guān)察到。而那時(shí)孫林峰就需要每天在顯微鏡下不停觀(guān)察，一直看半個(gè)小時(shí)一個(gè)小時(shí)都是常事。
接著就是用X射線(xiàn)解析出好的晶體結(jié)構(gòu)之后研究每個(gè)氨基酸的功能。針對(duì)穿膜通道附近的氨基酸，孫林峰做了大概五六十個(gè)突變來(lái)研究它們的性能。主要的方法是通過(guò)基因水平把要研究的一個(gè)氨基酸突變掉，轉(zhuǎn)換成別的氨基酸，然后將新蛋白置于實(shí)驗(yàn)中，看突變掉的蛋白能不能把有放射性底物木糖或者葡萄糖轉(zhuǎn)移到細(xì)胞里面，從而判斷此氨基酸的功能。這樣的實(shí)驗(yàn)主要有兩方面的目的，不僅從功能上驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的正確性，還能用這個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)一些新的功能。“一般情況下，一次氨基酸的突變需要三四天時(shí)間，接著要根據(jù)結(jié)果來(lái)決定下面的工作，實(shí)驗(yàn)戰(zhàn)線(xiàn)拉得比較長(zhǎng)。”這種功能性探究實(shí)驗(yàn)分析也花費(fèi)了孫林峰近半年的時(shí)間。
就這樣孫林峰有一年的時(shí)間在做實(shí)驗(yàn)，而每天的實(shí)驗(yàn)也都是一些枯燥的工作，重復(fù)的動(dòng)作。“但如果得到好的結(jié)果時(shí)真的很興奮，感覺(jué)前面的勞累、酸痛都沒(méi)什么了。”就是在日復(fù)一日付出的積累下，才讓他最終收獲到了滿(mǎn)意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，攻克了這個(gè)難題。
整個(gè)課題的研究面臨過(guò)許多困難，但每次面對(duì)困難時(shí)，孫林峰都是通過(guò)與人交流，自主思考，一步一步嘗試下去克服。他提到一件小事，剛開(kāi)始發(fā)現(xiàn)晶體時(shí)結(jié)果并不好，長(zhǎng)得很小，不仔細(xì)看容易忽視，但當(dāng)時(shí)沒(méi)有放棄，而是在原來(lái)的基礎(chǔ)上優(yōu)化了條件，最后居然得到了很好的結(jié)果。所以當(dāng)堅(jiān)定目標(biāo)時(shí)，就要堅(jiān)持不懈地走下去，嘗試每一種可能。
“做實(shí)驗(yàn)最大的秘訣就是：在沒(méi)有確切證據(jù)說(shuō)你的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)堵死之前，不輕言放棄，要嘗試各類(lèi)方法。”
名師出高徒——良好的科研環(huán)境塑造科學(xué)素養(yǎng)
顏寧教授所帶領(lǐng)的研究組所作課題一直在國(guó)際領(lǐng)先水平，實(shí)驗(yàn)室所設(shè)定的研究方向一般都是國(guó)際上比較前沿的課題，都是一些需要克服的熱點(diǎn)難點(diǎn)。孫林峰提到，“導(dǎo)師對(duì)于我而言，就是精神上的力量。”“只要我們實(shí)驗(yàn)上有什么好的結(jié)果，比如有好的晶體，我們馬上和顏寧老師他們匯報(bào)討論。”“導(dǎo)師還會(huì)對(duì)我們講一些人生哲理，交流思想，幫助我們理清思路。”
“在每個(gè)暑假，施一公和顏寧老師都會(huì)有一個(gè)針對(duì)新入實(shí)驗(yàn)室的研究生的培訓(xùn)，大約7天時(shí)間，主要講述一些實(shí)驗(yàn)操作，基礎(chǔ)知識(shí)以及前人成功或者失敗的經(jīng)驗(yàn)，這些對(duì)我?guī)椭艽蟆?rdquo;就是這樣的前期培養(yǎng)指導(dǎo)，讓孫林峰進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室很快進(jìn)入了科研的狀態(tài)。
孫林峰還講述了實(shí)驗(yàn)室非常重視國(guó)際上同領(lǐng)域科研水平動(dòng)向，每周的組會(huì)上都會(huì)選出相關(guān)領(lǐng)域兩篇國(guó)際高水平論文進(jìn)行討論分析，施一公教授、顏寧教授等都會(huì)提出自己的見(jiàn)解，他們鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室出去開(kāi)會(huì)時(shí)，要多于國(guó)際專(zhuān)家提問(wèn)交流。孫林峰平時(shí)也會(huì)定期閱讀國(guó)際同領(lǐng)域雜志，跟蹤相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，以此開(kāi)拓國(guó)際視野。
筆者認(rèn)為，一個(gè)良好的科研氛圍可以培養(yǎng)出一批優(yōu)秀的科學(xué)人員。孫林峰所在的實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)50人左右的大集體，他們中不乏有過(guò)國(guó)際高水平論文的學(xué)生，所以可供傳承和分享的經(jīng)驗(yàn)很豐富。孫林峰也提到平時(shí)他們經(jīng)常會(huì)在實(shí)驗(yàn)室里聊聊天，說(shuō)說(shuō)課題中的一些問(wèn)題，在討論中尋找靈感。過(guò)節(jié)生日時(shí)他們也會(huì)有聚會(huì)，也經(jīng)常組織體育鍛煉，排解下實(shí)驗(yàn)的枯燥。
“我很習(xí)慣實(shí)驗(yàn)室的生活，感覺(jué)簡(jiǎn)單又舒服。”孫林峰安靜沉穩(wěn)的性格讓他在實(shí)驗(yàn)室找到了興趣和未來(lái)的方向。
人生就是大膽地冒險(xiǎn)——迎接挑戰(zhàn)性課題
對(duì)于自己做過(guò)的課題，孫林峰積累了許多“秘訣”：善于觀(guān)察——對(duì)于平時(shí)看實(shí)驗(yàn)時(shí)認(rèn)真細(xì)致，聽(tīng)他人將細(xì)節(jié)時(shí)用心記錄；勤于思考——實(shí)驗(yàn)前規(guī)劃好實(shí)驗(yàn)流程，算好數(shù)據(jù)，理清步驟；熟練操作——每一步實(shí)驗(yàn)都是很重要，一定要既快又佳；總結(jié)方法——前人的結(jié)論方法要吸收，并運(yùn)用于自己的課題。
現(xiàn)在孫林峰課題的方向在于研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)，主要針對(duì)膜蛋白結(jié)構(gòu)功能的分析。這項(xiàng)研究可以運(yùn)用于制藥領(lǐng)域，比如可以研發(fā)一些藥物小分子，可以治療小兒癲癇、糖尿病、肥胖等疾病。所以這是一個(gè)具有重要意義的研究方向。
孫林峰希望接下來(lái)能做一些更有挑戰(zhàn)性的課題，學(xué)習(xí)探索更多實(shí)驗(yàn)技能，提升自已的能力?！ ?/p>
筆者認(rèn)為：這就是清華園內(nèi)一個(gè)“小牛”成長(zhǎng)的過(guò)程，他從一名初出茅廬的本科生，到漸入佳境的研究生，再到能獨(dú)當(dāng)一面的高水平論文作者，中間有著導(dǎo)師的指引、同學(xué)的幫助，更有來(lái)源于自身那勤勉而頑強(qiáng)地鉆研?！ ?/p>
編輯：襄樺
