清華學生攻堅構造生物學困難 /編號:DS164iR

2014-11-28 06:28 來源：http://www.vipreactor.cn/ 閱讀：次

　　他們，不僅是中國科學研究的當初，更是中國，乃至世界科學界的將來。

　　“現在對黨尚宇他們來說，再做膜蛋白的結構和功能分析，已經沒什么恐怖的了，他們已經有充分的自負。在我的心目中他們就是鋒芒畢露的青年科學家�！鳖亴幒苡^賞這兩個小伙子。

　　黨尚宇認為，在應用各項實驗儀器的時候，僅僅曉得如何去用是不夠的，更重要的是要知道為什么要這么做，儀器的原理是什么。惟其如斯，才不僅僅能按照老師教的辦法去做實驗，也可以改進實驗方式，甚至可以在合乎原理的條件下換另外一種實驗方法。

清華學生攻堅構造生物學困難

起源：科技日報 2010 *** 10 *** 19

　　“小�！毕蚯皼_??學生就是青年科學家

　　1985年，第一個膜蛋白結構問世，當時共計僅有不到200個生物大分子結構。而時至本日，蛋白結構數據庫收錄的近7萬個生物大分子結構中，膜蛋白結構僅不到700個，其中新型的膜蛋白結構又只有250多個，足見膜蛋白結構生物學研究的難題。

　　2008年3月，仍是一名大三學生的黨尚宇，在本科生進實驗室進行科研練習的時候，抉擇了施一公傳授引導的清華大學結構生物學研究中央，并進入了顏寧教授負責的實驗室進行科研工作。憑著對科研的酷愛和耐勞研究的精力，黨尚宇在不到半年的時間里就控制了基礎的實驗技能。

　　黃永鑒加入課題研究的第二天，就發現黨尚宇和孫林峰在實驗操作的時候沒有把特定的溶液“洗清潔”，而且溶液的初始溫度也偏高，就這兩個小小的細節，輔助課題組跨過了第一個阻礙；改良了這一步之后，實驗得到的數占有所改良，但是讀數還是偏低，老師同窗在一起分析來分析去，最后發現是實驗用的一個入口濾膜的實際孔徑大于表明的0.22微米，導致呈現了“滴漏”，換了一個牌子的濾膜就解決了這個問題。

　　工夫不負有心人！在最初的一段掃興之后，晶體衍射的辨別率一點點地提高了。8埃，6埃，4埃（埃是一個長度的單位，在這里埃數越低證實衍射的圖像越準確）……進入2009年春天之后，每一次的同步輻射之旅（須要去本地用能量更大的儀器進行同步輻射）都帶來了衍射分辯率的提高。

　　在談到這一狀態的時候，顏寧說：“實驗的細節往往決議成敗，有的學生在做實驗的時候小弊病多，有可能做10次然而8次都是錯的。這樣不僅費時費勁，而且對學生自身的心態也是很大的打擊。黨尚宇他們看待試驗的立場十分謹嚴，所以做實驗的勝利率很高，科研進展也比擬快�！�

　　當悄悄的坐在咱們面前解析這次完全的課題研究過程的時候，黨尚宇和孫林峰都提到了思考的重要性。

　　堅持就是成功??研究膜蛋白就看誰先放棄

　　然而，要做好膜蛋白的研究工作，不是單單憑借勇氣就可以的。

　　膜蛋白的結構生物學研究一直以來是結構生物學領域公認的重點及難點。而該論文的前兩位作者黨尚宇和孫林峰在開始課題研究的時候還都是清華大學的本科生。

　　膜蛋白存在于細胞的細胞膜上，它們是溝通細胞或細胞器內外的橋梁。各種養分物質的運輸，細胞內有毒物資的排出，以及細胞內外信息的交流都要依附膜蛋白，所以它們的功能在生命體中至關重要。但是因為膜蛋白不溶于水，難以純化出均一性較好的蛋白質，也就比較難得到高品質的蛋白質晶體，故研究起來艱苦重重。

　　這個新發現從結構上驗證了人們對轉運蛋白轉運機理的猜想，也為轉運蛋白之后的研討供給了一個參照�？粗鵁o數血汗的彎彎繞繞的蛋白結構，他們倆感到心里面一下子豁亮起來。

　　初生牛犢不懼虎??本科生接手結構生物學世界難題

　　單調的實驗很輕易磨掉人的耐性，在這樣的艱巨時刻，兩個年輕人只有憑借剛強的意志力，才可以堅持下去。
　　
　　是否能夠廢棄？

　　以黨尚宇、孫林峰、黃永鑒三位清華學生為主力的課題組，在清華大學醫學院教學顏寧的率領下，用了一年半的時間，在世界上首次解析了膜蛋白??大腸桿菌巖藻糖轉運蛋白的結構，并聯合生化手段初步揭示了其工作機理。頂級學術期刊《做作》在10月7日刊發了他們的學術論文《巖藻糖轉運蛋白向胞外開放構象的結構》。

　　細節決定成敗??解密轉運蛋白的生化功能

　　解開轉運蛋白的結構的喜悅沒有連續多久，研究工作就再度陷入了僵局??初步分析拿到的轉運蛋白的功能，結果就是??沒有任何功效！按照設計好的實驗步驟，兩個小伙子反重復復的做了多少遍，都是同樣的結果！

　　孫林峰以為，實驗的進程一定不要機械性地操作，要一直思考，能力夠找到最為合適的實驗手段。尤其是在感覺做不下去的時候，更要堅持蘇醒的腦筋，不要想當然，回想一下從課題開始的每一個環節，當真剖析其中每個步驟，才干夠找到關鍵所在。（周襄楠呂露英）　

　　黨尚宇這樣形容那個簡直令人喪氣到極點的時候：每顆晶體直徑連0.1毫米都不到，用一個肉眼幾乎不可見的金屬圈膽大妄為地把“晶體”從一個半粒小米大小的液滴中“撈”出來，放到儀器上去衍射，照了幾分鐘，發現數據情形很不好，再換一顆，還是不好,清華培訓班，再換一顆……就這樣一直照了一下戰書，連一組像樣的圖像都沒有得到。兩個年輕人很愁悶，經常是辛勞一終日后心情懊喪地分開實驗室，回到宿舍悶頭大睡、緩沖一下，第二天一大早振作精神回來接著干，結果依然是日復一日的令人心境惆悵。

　　清華大學結構生物學研究核心在從前一年半接踵報道了3個新型膜蛋白的4個晶體結構，因為其翻新性和重要性，4篇學術論文全體發表于《天然》或《迷信》，為我國的膜蛋白結構生物學研究作出了主要奉獻，其結果在國際結構生物學范疇取得了充足關注。而更加驚喜的是，在這些課題研究的主力軍中，都有高年級本科生和低年級研究生的身影??“低齡化”已經成為清華大學結構生物學研究的一個特色。

　　■ 消息鏈接

　　實驗取舍大腸桿菌作為培養巖藻糖轉運蛋白的性命體。大略的流程如下：

　　2008年8月，當顏寧老師找到黨尚宇，與他討論如何發展科研工作的時候，沒有什么科研經驗的黨尚宇勇敢提出本人是否可以嘗試承當一項課題，顏寧老師許可了，并將這個膜蛋白的研究課題交給了他。

　　下一步，要用X射線對晶體進行衍射分析，如果可能得到滿足的圖像，根本上離得到蛋白的結構就不遠了，所以晶體的好壞是是否解析蛋白結構的癥結。

　　為什么敢于將這樣一個難題交給一名本科生？顏寧說：“那個時候就想，他們年紀很小，一兩年內沒什么沖破也不什么心理累贅，感覺有點像是我把他們‘騙上船’的。假如做不出來，就算是通過課題培養他們的科學素養、錘煉他們的實驗技巧了�！�

　　當造就的大腸桿菌細胞到達一定濃度的時候，向培育基中參加引誘劑，接著在適合的前提下培養一段時光，這個誘導劑會讓巖藻糖轉運蛋白在細胞內大批的“出產”。然后把大腸桿菌“粉碎”，通過離心將細胞膜從中分別出來，再加一點“去污劑”，把巖藻糖轉運蛋白從細胞膜上萃掏出來，再通過進一步的純化手腕除去蛋白雜質到高純度的蛋白。

　　開頭還是榮幸的。在蛋白培養這個環節上，并沒有涌現什么令人難以敷衍的狀況。看到研究有了良好的開始，也為了應付后續沉重的研究工作，顏寧老師讓黨尚宇的同班同學孫林峰加入到課題組中，與黨尚宇“錯誤”。兩個年輕人嘗試著培養出了第一批蛋白的晶體。

　　終于，喜訊在2009年10月份的一天傳來：在“撈”了成千盈百次蛋白晶體之后，在課題開端之后的第14個月，大腸桿菌巖藻糖轉運蛋白的結構終于在人們的眼前揭開了神秘的面紗：他們得到的巖藻糖轉運蛋白的結構是一個新的向細胞外開放的構象。而之前發明的同類的轉運蛋白只有向細胞內開放跟旁邊態的構象。

　　在顏寧的心中，這些學生聰慧過人，“開竅”早，不外顏寧也彌補：愿望學生們不要太“乖”，盼望學生更活潑，要跟老師在學術上爭辯，甚至吵得面紅耳赤。

　　再用X光對蛋白晶體從不同的角度進行衍射分析，得到一組衍射圖像，用軟件對這些圖形進行分析，再借助一些其余的手段，就可以得出蛋白結構了。
　
　　回憶起當時的研究工作，黨尚宇說：“每前進一步都像是進行一場驚險的逾越�！�

　　顏寧帶領課題組成員一起對實驗設計反復揣摩，確認是沒有問題的，最后推斷：很有可能問題是出在實驗某一個環節的操作上。這個時候，顏寧部署在膜蛋白生化研究上絕對有教訓的、比他們高兩級的研究生黃永鑒加入到課題的研究中。

　　“膜蛋白的研究，某種水平上就是要看誰先放棄！誰先放棄誰就輸了，堅持到最后的就贏了。再難的，以前人們認為都是不可能的事件，科學家們都研究出來了，還有什么做不出來的呢？”在這個要害時刻，顏寧激勵兩個年青人保持下去，并且始終和他們一起討論實驗成果、探討下一步實驗計劃。

　　到底是什么處所犯錯了呢？經由反復檢討、思考和討論，黨尚宇和孫林峰決定從兩個方向入手解決這一問題：一方面持續尋找各種各樣的手段去進步蛋白的純度，二是再變換一些條件去讓蛋白更好的結晶。但是好像陷入了一個怪圈，晶體衍射后得到的圖像一直是沒有多大的改觀。他們想盡了各種措施、甚至斟酌過，是不是要從新來過，換掉大腸桿菌，用其它生物體來培養蛋白，比方昆蟲細胞？

　　答復是：堅定不！

　　而后就是結晶??把蛋白溶液分辨與含有不同化合物的溶液依照必定比例混雜，在合適的化合物的溶液里面，蛋白就緩緩地有規矩的、整潔的排列、湊集在一起，構成了蛋白晶體。

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