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撰文   柯雨曦

編輯   木東

走進李雪明位于清華大學(xué)生物新館的辦公室，巨大的書柜就映入眼簾，生物、物理等多個學(xué)科的專業(yè)書籍井然有序地排列其中；辦公桌上，幾臺計算機顯示屏占去了不少空間——小小的屋子充滿了忙碌的氣息，這就是這位青年科學(xué)家的科學(xué)領(lǐng)地。他向《賽先生》講述了他和電子顯微學(xué)的故事：關(guān)于技術(shù)的力量，關(guān)于不同學(xué)科間的張力，關(guān)于結(jié)構(gòu)生物學(xué)的未來……

相較于X光衍射技術(shù)等其他解析微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)，電子顯微學(xué)的一大優(yōu)勢就是直觀，它能夠賦予科學(xué)家一雙“細(xì)致入微”的眼，可以用來直接“看清”微觀世界：電子束照射在樣品上，經(jīng)過成像，我們能直接獲取物質(zhì)細(xì)微結(jié)構(gòu)的圖像。清華大學(xué)李雪明課題組的研究，就是要提高電子顯微鏡的分辨率，致力于冷凍電子顯微學(xué)技術(shù)研發(fā)，從生物顯微圖像中更好地重構(gòu)其結(jié)構(gòu)，不斷提高這雙眼的觀察能力，把它煉成“火眼金睛”，讓我們能夠“看”清更微小的結(jié)構(gòu)。

圖1. 冷凍電鏡照片和從中得到的密度圖（density map）。（圖片來源：Xueming Li, etc., Electron counting and beam-induced motion correction enable near atomic resolution single particle cryoEM, Nature Methods, 10, 584-590, 2013.)

李雪明的電鏡之旅始于材料科學(xué)，在這個較為成熟的領(lǐng)域，電子顯微學(xué)的分辨率一般很容易能達到2埃以上。李雪明當(dāng)時的工作就是通過利用電子光學(xué)的原理，結(jié)合圖像處理的手段，把分辨率推得更高，達到1埃以上。

然而，任何學(xué)科的發(fā)展都有其周期性。在學(xué)科的快速發(fā)展期，新技術(shù)層出不迭，重大突破性成果讓人應(yīng)接不暇；而快速發(fā)展期之后，平臺期到來，科學(xué)研究會進入一個瓶頸，突破性成果較難得到——用電子顯微學(xué)的方法研究材料科學(xué)就處于這樣的平臺期階段。李雪明說：“在博士研究后期，我開始思考自己將來的科研發(fā)展方向。我希望能夠做一些更富于挑戰(zhàn)性的研究。”

相比之下，用電子顯微學(xué)研究生命科學(xué)問題是一個較小的分支，遠(yuǎn)較材料科學(xué)稚嫩，卻蘊含著更多的挑戰(zhàn)和機遇。早在上世紀(jì)八九十年代，李雪明的導(dǎo)師、中科院物理所李方華院士就想把電鏡技術(shù)應(yīng)用到生物學(xué)研究，但由于生物學(xué)研究成本較高，當(dāng)時條件不允許，再加上物理所當(dāng)時缺乏研究生物學(xué)問題的科學(xué)氛圍，李方華院士的想法遇到了很大的阻力。盡管如此，李方華為李雪明打開了一扇窗，讓他看到了進入結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究領(lǐng)域的可能。

機緣巧合，加州大學(xué)舊金山分校程亦凡教授的一次學(xué)術(shù)報告，給李雪明的科學(xué)之旅帶來了很大的啟示。他注意到，電子顯微學(xué)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中的分辨率在當(dāng)時最高只能達到5至6埃，但在材料學(xué)中達到2埃的分辨率已經(jīng)是輕而易舉的事情。他很快就意識到電子顯微學(xué)在生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Γ骸吧镫婄R的分辨率還可以進一步提高，這也是當(dāng)時促使我轉(zhuǎn)行的很大的驅(qū)動力?！?/span>

利用電鏡從事材料科學(xué)和生命科學(xué)的研究，最基本的技術(shù)很相似，但實驗手段、分析考慮問題和分析數(shù)據(jù)的方式非常不同。生物樣品有自己的特點，樣品處理的過程中要考慮到輻照損傷、低襯度等問題，這些都限制著分辨率的提高。李雪明逐漸在這個新的領(lǐng)域中找到了節(jié)奏，一系列成果也接踵而至。譬如，他的一項技術(shù)突破曾被列入《自然方法》（Nature Methods）雜志的2013年年度方法（圖2）。

圖2. 李雪明的新技術(shù)被選為《自然方法》年度方法的報道

這項技術(shù)充分驗證和利用了電子計數(shù)探測器捕捉電子束信號的高精度和低噪音，結(jié)合巧妙的圖像處理方法，李雪明和他的同事一起矯正了電子束照射樣品造成的圖像漂移和抖動，實現(xiàn)了相機的“防抖”，大幅改善了圖像分辨率。運用這項技術(shù)，他們成功得到了分子量較小、對稱性更低、也更難解析的蛋白結(jié)構(gòu)，將單顆粒冷凍電鏡的分辨率推向原子分辨率水平。

今年，課題組又有兩篇論文即將發(fā)表。我們怎樣看到這個世界，怎樣嗅到千萬種氣味？視覺和嗅覺信號如何轉(zhuǎn)換為電信號？這離不開我們體內(nèi)一種叫做CNG的離子通道，它的開閉由信號分子cAMP控制。有趣的是，CNG通道的結(jié)構(gòu)與電壓門控的離子通道非常相似，卻不像后者那樣由電壓的變化控制。李雪明與哥倫比亞大學(xué)的楊建教授合作，用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了CNG通道和cAMP配體結(jié)合時的結(jié)構(gòu)，試圖解釋離子通道獨特性質(zhì)背后的基本機制。

在另一篇論文中，李雪明課題組解析了一種細(xì)菌外膜分泌孔道的結(jié)構(gòu)，它能轉(zhuǎn)運細(xì)菌合成的大分子毒素。李雪明說：“我們想由這個分子建立研究體系，支持后續(xù)的技術(shù)研發(fā)?！爆F(xiàn)有的技術(shù)需要將膜蛋白從原來的生物膜環(huán)境上剝離下來，才能看清它們的廬山真面目，但這樣粗暴的手段會破壞較大的復(fù)合體，還可能會改變蛋白的構(gòu)象。如果能跳過這個步驟，直接采集天然生物膜環(huán)境下的蛋白質(zhì)復(fù)合體結(jié)構(gòu)信息，我們對大分子結(jié)構(gòu)的理解勢必會得到很大的推進。李雪明說：“我們希望從分泌孔道系統(tǒng)入手，讓電鏡煉就一雙火眼金睛，有朝一日無需提純蛋白，就可以看清細(xì)胞膜上的蛋白結(jié)構(gòu)。最新要發(fā)表的工作就是萬里長征的第一步?！?/span>

生命世界紛繁而廣闊，需要解析的生物大分子結(jié)構(gòu)數(shù)不勝數(shù)。不僅如此，就像我們可以從一個簡單的單詞擴展出若干復(fù)雜詞匯一樣，一個結(jié)構(gòu)也會延伸出若干個相關(guān)的結(jié)構(gòu)，同時還會涉及和其他分子之間的種種相互作用，從而引起相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化，花樣翻新，這些都對結(jié)構(gòu)解析能力提出了更高的要求。以一個人一年能解析兩個生物大分子結(jié)構(gòu)估計，如果完全靠人力解析，時間周期將過長，因此我們需要用自動化技術(shù)應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

李雪明說，一方面，自動化能夠完全把人解放出來，自主地運行并完成結(jié)構(gòu)解析任務(wù)；另一方面，也能利用大規(guī)模的集群運算，快速而高效地解析結(jié)構(gòu)。最重要的是，自動化能夠讓生物學(xué)家無需為學(xué)習(xí)電鏡使用、樣品制備、圖像處理而分散精力，把更多的精力集中到解決真正的生物問題上。

圖3. 電子顯微鏡

那么，如何把之前只有人才能完成的任務(wù)交給機器？在實驗操作過程中，人相較機器有哪些優(yōu)勢？復(fù)雜的生物研究材料總會存在一定差異，需要用人憑借經(jīng)驗來判斷這些差異，修正實驗操作。即使按照同樣的實驗方案（protocol）操作，有時也難以保證每次生化實驗都能成功，譬如有的實驗室提純蛋白質(zhì)的能力很強，別的實驗室用同樣的實驗方案卻依然難以復(fù)制前者的成功經(jīng)歷。李雪明說，我們面臨的挑戰(zhàn)就是將人的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為機器的量化語言。首先，要有精確的測量手段，為下一步的判斷提供可靠的數(shù)據(jù)；第二，要有量化的評估指標(biāo)，可以不依賴人，而由機器來決定下一步選擇怎樣的實驗方案。人工智能的一些技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)，或許可以幫助機器進行決策。

李雪明對電鏡自動化技術(shù)的發(fā)展比較樂觀，他說：“現(xiàn)在，具體的模塊的技術(shù)已經(jīng)相對成熟了，幾年之內(nèi)應(yīng)當(dāng)能實現(xiàn)較高程度的自動化?！彼J(rèn)為，隨著樣品制備、數(shù)據(jù)采集等技術(shù)的進步，結(jié)構(gòu)解析的效率也會進一步提高。在不遠(yuǎn)的將來，一臺電鏡一天也許就可以解好幾個生物大分子結(jié)構(gòu)，而一所學(xué)校一年可以解成百上千的結(jié)構(gòu)。各個學(xué)校共同合作，會使結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域有突飛猛進的進步。

用電子顯微學(xué)解析生物大分子結(jié)構(gòu)，需要很高的采購和維護成本，這勢必涉及學(xué)術(shù)界內(nèi)外多方面的合作。清華結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心是一個很好的平臺，它的成立，有包括北京市政府乃至國家層面的支持?！斑@樣一件事在清華發(fā)生，是非常難得，也非常鼓舞人心的?！崩钛┟鞲吲d地說。

不過，李雪明也從一名科學(xué)家的角度提出了建議與展望。他認(rèn)為，國家的支持重點需要從單純提供經(jīng)費向支持人才的發(fā)展轉(zhuǎn)變，同時，技術(shù)研究的體量和投入其實不應(yīng)小于應(yīng)用研究。技術(shù)的覆蓋面很廣，它可以是軟件、硬件或是一種想法，是基礎(chǔ)性的工具，并支持應(yīng)用研究的進行。李雪明認(rèn)為，國內(nèi)對技術(shù)創(chuàng)新的重視程度和支持力度還很不夠，經(jīng)費經(jīng)常十分緊張，一定程度上造成尖端技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。

技術(shù)性研究的一大特點就是“慢”。李雪明說，研發(fā)一個新方法可能需要五年、十年，而且還很難發(fā)表在高影響因子的期刊上，在當(dāng)前以高影響因子論文發(fā)表為導(dǎo)向的考核制度下，技術(shù)型研究的生存較為困難，而巨大的考核壓力又會進一步導(dǎo)致人才流失。不僅如此，周邊科研技術(shù)環(huán)境的配套與否也是一大限制因素。交叉學(xué)科的研究需要企業(yè)的技術(shù)支持，在美國硅谷附近做研究時，他能夠較為便捷地買到需要的產(chǎn)品和技術(shù)，譬如特殊的相機；而國內(nèi)的公司規(guī)模普遍較小，水平也有所欠缺，客觀上還存在一定差距。

李雪明談到了生物學(xué)研究的兩種視角：一部分科學(xué)家關(guān)注最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；另一部分則從更大的尺度、更系統(tǒng)的角度看問題，不是很關(guān)心具體的結(jié)構(gòu)。然而，“兩派”很長時間里都有些互相看不起對方。有人認(rèn)為結(jié)構(gòu)生物學(xué)是“馬后炮”，只是在前人已經(jīng)把功能研究清楚了之后錦上添花，卻罕有在闡明功能之前得到結(jié)構(gòu)、再由結(jié)構(gòu)解釋功能的。李雪明說：“我相信，我們對生命的理解最終還是需要到達最根本的層次，即原子結(jié)構(gòu)，因為是原子結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)或復(fù)合物的功能。尤其是與藥物、與疾病相關(guān)的研究，我們需要精準(zhǔn)地知道生命體中發(fā)生了什么，這種‘精準(zhǔn)’也是未來的趨勢。”具體的相互作用細(xì)節(jié)需要運用系統(tǒng)的視角將它們串在一起，而與此同時，為了研究更大的體系，我們需要了解其中所涉及的每一步具體是如何發(fā)生的，如此循環(huán)往復(fù)。只有通過兩個節(jié)點間的不斷反饋，通過不同研究視角間的對話，生命科學(xué)才能求得進步。

不僅在生命科學(xué)內(nèi)部，生命科學(xué)也需要和其他學(xué)科之間的對話。許多生物學(xué)研究員都不是生物學(xué)出身，而是由物理、計算機等方向“半路出家”，李雪明認(rèn)為這是一個很正常的現(xiàn)象：任何一個學(xué)科都應(yīng)吸納一部分其他背景的學(xué)者，這樣才能產(chǎn)生新的思路。與生物學(xué)家有了很多接觸，真正了解做生物研究需要什么之后，他們能利用自己擅長的領(lǐng)域的技術(shù)解決問題。由物理轉(zhuǎn)戰(zhàn)生物，李雪明發(fā)現(xiàn)自己能做許多別人做不了的事，如編程、理解實驗設(shè)備和物理過程，這是他的優(yōu)勢，對他個人來說也是很大的鼓勵。

雖然不同學(xué)科的科學(xué)研究，從某種意義上來說是相通的，但來自不同背景的科研工作者在思維方式上存在一些差別。李雪明談到一個有趣的細(xì)節(jié)：去聽報告時，生物專業(yè)的學(xué)生喜歡記筆記，而物理專業(yè)的學(xué)生經(jīng)?？罩志腿チ?。這也許是因為生命科學(xué)研究的很多重大突破往往需要科學(xué)家對細(xì)節(jié)的關(guān)注和把握，而物理這門學(xué)科較少依賴具體的實驗方案，而更依賴對研究對象的理解和“想象”。不過在他看來，這種區(qū)別是階段性的，“到了更高的層面，無論是生物學(xué)家還是物理學(xué)家，對研究應(yīng)怎樣進行的判斷和把握沒有太大的差別，二者的思維方式得到了某種統(tǒng)一?！?/span>