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冷冻电镜在新科研领域的拓荒人

来源:  发布时间:2023-04-11

——记南方科技大学生命科学学院讲席教授廖茂富

谭 凯

 

 

如果说人体是一台精密的仪器,那么疾病就是出现的故障。人类追求健康,却摆脱不了疾病的存在。

以前,古人认为人以天地之气生,四时之法成,人体失序,叫作疾病。气是健康的本质和基础,人体内阴阳二气和谐,就是健康的状态。

随着科技的迅猛发展,科学家如何更深层次地了解人类疾病的发生机理及过程?对此,《科学中国人》采访了南方科技大学生命科学学院讲席教授、博士生导师廖茂富。

“以现在人们关注的新冠病毒为例,病毒的整个侵染过程是这样的:病毒表面的一个蛋白结合到人细胞表面的一个受体蛋白。这种特异性的结合导致侵染过程非常有效。”廖茂富介绍,如今,科学家们可以从分子水平去理解疾病。人、动物、植物甚至微生物,主要有几种大分子:蛋白质、核酸、脂类还有糖类。分子通过不同的方式组合在一起,产生各种生命功能。

那么如何才能看到这么微小的东西呢?一个非常简单的想法,就是用放大镜。放大镜的倍数越高,看到的就越详细。冷冻电镜就是一种倍数非常大的放大镜,通过它就能直接看到分子甚至原子水平的细节。基于此,人们不但能理解疾病发生的过程,而且可以想办法阻断这个过程。

廖茂富的研究工作就集中在发展冷冻电镜应用方法学,以及结合生物电镜和其他方法来深入研究与人类健康和疾病相关的生物大分子的结构与功能上。他在一系列科研领域取得了突破性进展,作为通讯作者在《自然》《科学》《细胞》等国际著名期刊上发表了多篇重量级文章。

 

对蛋白研究的兴趣不减

 

廖茂富本科时是在清华大学生物科学与技术系学习,在大学四年级开始正式接触生物科研。当年他在陈应华教授课题组的毕业设计课题,是研究人类免疫缺陷病毒(HIV)侵染细胞所使用的蛋白及其构象变化,以及如何用免疫的方法来阻断这个过程。

“当时做的研究不是特别多,但是却培养了我对蛋白研究的兴趣。”廖茂富说,正是这一兴趣驱使他继续攀爬象牙塔,但因为当时国内的生物实验室并不多,他决定出国深造。1999年本科毕业后,廖茂富申请进入美国纽约爱因斯坦医学院,师从玛格丽特·基利安(Margaret Kielian)教授,研究甲型病毒的侵染机制。

爱因斯坦医学院的实验室研究的重点也是蛋白的构象及其机制。“主要的工作思路是使用生化的方法来研究病毒表面的膜蛋白,想要搞明白它怎么通过改变构象来侵入目标细胞。”廖茂富说,这正是他感兴趣的研究方向,因而沉下心来一直在那里学习。几年下来,不论是在生物化学研究还是在病毒学研究方面,廖茂富都得到了良好的训练,并于2006年获得博士学位。

博士毕业后的廖茂富还是对蛋白的结构构象和它的功能很感兴趣,不同的是,此时的他想尝试用另外一种方法——解析结构来研究这些问题。他觉得结构的方法是研究这些问题的终极方案,因为用这种方法能看到最精细的机制。而令廖茂富犯难的是,该学习哪种技术来研究蛋白的结构。

结构生物学有三大支撑技术,即X射线晶体学、核磁共振和冷冻电镜。在当时已解析的1000多种膜蛋白结构当中,90%以上都来自X射线晶体学,核磁共振在小分子量的蛋白结构解析中也发挥了重要的作用。传统上,冷冻电镜因其分辨率难以提升,一直是这三大技术中最弱的一个。

这种情况下,那时摆在廖茂富眼前的有两条路:一条比较明确,就是学习当时最普及的技术,即用晶体学的方法来做高分辨结构;另一条路不太明确,就是用冷冻电镜技术。“当时的冷冻电镜技术在解决蛋白问题方面,其实还存在很大的不足。”廖茂富说,但是和X射线晶体学相比,冷冻电镜所需的样品量极少,也无需生成晶体,特别是在研究动态的蛋白方面有它潜在的优越性,只是分辨率非常低。

不确定性往往也意味着更大的发展空间。“最后还是冷冻电镜技术的可能性吸引了我。”廖茂富最终选择学习冷冻电镜技术,此后,他的所有研究都与这项技术相关。

 

解析重要生物大分子引发震动

 

认准一个方向就一直深入研究下去,许多成功的科学家都具备这种锲而不舍的精神。廖茂富也是如此。为了用冷冻电镜技术研究蛋白,他经过一番考察后选择了美国加州大学旧金山分校程亦凡教授的实验室进行博士后研究,因为这里的研究重点正好与他的兴趣点相吻合。

“前几年,基本上都是在练习使用冷冻电镜和测试不同的图像处理方法来解析各种蛋白的电镜结构。目标是高分辨,可结果一直与高分辨有相当的距离。然而,正是这段不断失败的日子,给了我很多的时间去打磨各种工具和思路。”廖茂富说,直到第5年的时候,电镜方法迎来了革命性的发展,他的研究也因此取得了重大突破。

那是2013年,程亦凡团队和其他课题组合作,用电子直接探测相机提高了冷冻电镜的分辨率。这在当时还是没有引起很多人的重视,尤其是做晶体学研究的人,因为在他们看来,核糖体可以结晶,蛋白酶体也可以结晶,但是膜蛋白,比如TRP通道整个蛋白家族,还没有任何蛋白的晶体结构得到解析。十几年来,世界上很多晶体学实验室都在这个上面花费了大量的精力和科研经费,却没有结果。恰在此时,新一代的电子直接探测相机在加州大学旧金山分校进行研发和测试,而廖茂富正好有一个合适的研究项目,因此成为这个设备最早的使用者之一。2013年年底,廖茂富与合作者应用新的电子探测技术,以近原子分辨率(3.4埃)确定了在疼痛和热知觉中起中心作用的一种膜蛋白——TRPV1的结构,证实冷冻电镜技术能够解析重要大分子的结构。文章发表在《自然》杂志上,立即引发震动。

TRPV1单颗粒电镜结构的获得给结构生物学带来了很大的冲击:用X光晶体衍射法无法得到的晶体结构,冷冻电镜不需要结晶却做出来了。廖茂富他们的成功,让全世界的研究人员开始重新审视冷冻电镜技术在结构生物学研究中的重要作用。不仅如此,除了一大批生物学家开始利用冷冻电镜研究分子生物学问题外,数学、计算机领域的科学家也着手研究冷冻电镜的图像处理和自动化问题,化学家则着重研究新的样品制备技术,物理学家又开始了新的征程,研究更深层次的电子成像方法和技术。

多年后,程亦凡还这样评价廖茂富:面对困难,他从来没有放弃过。在长期艰苦的工作中,他积累了很多经验。也正是因为这些长期积累,等到时机成熟,才能一下子水到渠成。

 

解析脂多糖助力药物研发

 

2014年,廖茂富加入美国哈佛医学院细胞生物学系任助理教授,2018年任副教授。在这里,他组建了自己的实验室。截至目前,他已发表论文47篇;且作为通讯作者发表论文18篇,其中11篇发表在《自然》、《科学》及《细胞》等期刊上;更值得一提的是,课题组内已产生7名独立科研助理教授(PI),他们的足迹涉及美国、中国和新加坡。

“一方面是我在博士后期间所接受的电镜训练,另一方面是我在博士期间所接受的生物化学方面的训练,这两个结合起来使得我有很多独特的想法可以在自己的实验室去实现。”廖茂富说,生物科研基本上是一个实验性的科学,科研思路在很大程度上取决于科学家能使用(或者习惯使用的)的实验方法。因此,他的研究还是集中在自己感兴趣的方面——用冷冻电镜研究蛋白的结构和机理。长时间的科研训练让廖茂富厚积薄发,每隔几年总能发表一些重要文章。

“冷冻电镜有了革命性发展之后,我看到了它的潜力。我觉得它可以用来研究蛋白和脂分子之间的作用,这在过去是非常难的。”此时廖茂富读博士时期生物化学方面的训练让他产生了独特的想法,他注意到了革兰氏阴性细菌表面的脂多糖。

革兰氏阴性细菌是最难对付的耐药性病原体之一。在过去的50年里,没有一种新型的抗生素可以用于临床治疗革兰氏阴性细菌。消灭革兰氏阴性细菌的难点,是这些细菌具有双重脂膜:在常规的细胞质膜(内膜)之外,它还有一个特殊的外膜。外膜的外侧含有大量紧密排列的脂多糖。脂多糖的存在使得外膜成为一道严密的屏障,将绝大部分对细菌有害的物质(包括各种抗生素)拒之门外。但是没有任何已有的结构可以解析出脂多糖。因此,脂多糖是怎么合成的、如何运转、该怎么阻断它的合成,这些问题一直是领域内研究的热点和难点。

20179月和20193月,廖茂富及其团队在《自然》杂志上发表两篇长文,解析了大肠杆菌转运脂多糖的两个关键膜蛋白复合体(MsbALpt)的一系列冷冻电镜结构,阐释了完整的内膜复合物是如何准确识别脂多糖,以及如何产生特定的构象变化来将ATP水解和脂多糖转运耦合在一起。这是脂多糖的精细结构在被转运的过程中,第一次以近原子分辨率被观测到,展示了转运蛋白精确识别和高效运输脂多糖的出人意料的工作机制。

有人预测,廖茂富的研究揭示了脂多糖的合成和转运机制,接下来就可以指导开发出新型的抗生素来直接攻击革兰氏阴性细菌外膜的合成,对外膜的破坏将会显著提高各种抗生素的有效性。202110月,廖茂富及其团队又利用单颗粒冷冻电镜和功能测定,揭示第一代MsbA小分子抑制剂(TBT1G化合物)的不同作用机制。这一重要成果发表在《科学》杂志上,引起了不小的震动。考虑到这两类小分子抑制剂目前的临床应用仍存在严重缺陷,而且TBT1仅对鲍曼不动杆菌的MsbA起作用,他们这项开创性的工作,为进一步开发靶向MsbA的新型抗菌药物指明了方向,也为这个蛋白所在的ABC转运蛋白家族的药理学提供了重要见解。

 

做中国自己的前瞻性研究

 

20227月,廖茂富全职回国加入南方科技大学生命科学学院。从国外到国内,看上去只是工作地方的转换,但对廖茂富来说,他其实是在寻找冷冻电镜的下一个突破口。

“在科研上,如果用旧工具研究新问题,往往会有很大的空间。但是如果要用新工具来研究很多人都还想不到的问题,这个就很难。”廖茂富坦言,他选择回国的一个重要原因,就是想寻找推动生物电镜技术进一步发展的科研空间。冷冻电镜这个科研设备比较昂贵,一台好的冷冻电镜价格超过700万美元,每天的运行成本也需要数千美元。而这样的电镜在南方科技大学却有多台。“这种规模的配置在世界上都是罕见的,它的潜力巨大,能做成许多其他小电镜平台做不成的事情。”

冷冻电镜作为一种昂贵的结构生物学工具,传统上会更多地关注一些早已被验证其重要性、结构被长期关注和期待的科研问题。廖茂富觉得,中国的电镜科研要往前发展,走出自己的路子,需要敢于面对出现时间不长的(或者还没有完全显现的)前沿问题做前瞻性的研究。这些往往是大多数人基于旧方法而认为不可能的研究。因此,一加入南方科技大学,廖茂富就开始“招兵买马”,组建自己的实验室,以期尽快投入“新问题”的研究中。

一切似乎又回到了当初在哈佛组建实验室时的状态,只不过这次廖茂富有了清晰而凝练的3个努力方向:发展生物电镜方法学以开拓新的科研领域,揭示生物大分子运作的精细机制,使用生物的结构和机制信息来革新医疗手段。他希望基础科研、工业界和医疗领域的专业人士都以更开放的心态来考量电镜的巨大潜在价值和深远的学科影响。放眼未来,廖茂富尤其期待看到高分辨生物电镜与创新药开发管线更深度的融合,以及电镜技术与生物、非生物各领域沟通碰撞产生更多新思路的火花!

(责编:关弋)


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