站在科学研究的前沿

在科学前沿，在重大课题的研究中，能看到本科生和研究生的身影。学术队伍“低龄化”，昭示着中国科学研究的现在和未来。

2010年10月7日，国际顶级学术期刊《自然》刊发了以清华大学研究生党尚宇、孙林峰、黄永鉴为主要作者的学术论文，题目是《岩藻糖转运蛋白向胞外开放构象的结构》。以他们为主力的课题组仅用了一年半时间，在世界上首次解析了膜蛋白——大肠杆菌岩藻糖转运蛋白的结构，并结合生化手段初步揭示了其工作机理。他们所进行的膜蛋白的结构生物学研究，一直是结构生物学领域公认的重点及难点。尤其难得的是，该论文的前两位作者党尚宇和孙林峰在着手进行课题研究时，还只是本科生。

本科生接手结构生物学世界难题

2008年3月，大三学生党尚宇在进实验室作科研训练时，选择了施一公教授领导的清华大学结构生物学研究中心，进人颜宁教授负责的实验室进行科研工作。凭着对科研的热爱和刻苦钻研的精神，党尚宇在不到半年的时间里就掌握了基本的实验技能。

2个月后，几乎没有什么科研经验的党尚宇大胆地向老师提出，自己是否可以尝试承担一项课题？老师不仅答应了，还把这个分量不轻的膜蛋白研究课题交给了他。

膜蛋白存在于细胞的细胞膜上，它们是沟通细胞或细胞器内外的桥梁，其功能在生命体中至关重要。但是由于膜蛋白不溶于水，难以纯化出均一性较好的蛋白质，也就比较难得到高质量的蛋白质晶体，所以研究起来困难重重。从1982年第一个膜蛋白结构问世至今，PDB（蛋白质结构数据库）收录的近7万个生物大分子结构中，膜蛋白结构仅不到700个，其中新型的膜蛋白结构只有220多个，足见膜蛋白结构生物学研究的困难。

为什么敢于将这样一个难题交给一名本科生？颜宁教授说：“学生有勇气进行这样的挑战，我觉得是件好事。当时考虑到他们年龄很小，一两年内做不出来、没有结果也不会产生太大的心理负担。而且不管结果如何，都可以通过课题研究培养他们的科学素养、锻炼他们的实验技能。不过后来他们的进展给了我一个巨大的惊喜。”

用勇气和韧劲揭开神秘面纱

然而，要做好膜蛋白的研究工作，不是单单凭借勇气就可以的。

回想起当时的研究工作，党尚宇说：“每前进一步都像是进行一场惊险的跨越。”

一开始还是幸运的。在利用大肠杆菌培养出大量的岩藻糖转运蛋白这个环节上，并没有出现什么难以应付的状况。看到课题有了一个良好的开端，也为了保证有足够的力量进行后续繁重的研究工作，颜宁安排党尚宇的同班同学孙林峰加人到课题组中，成为他的研究搭档。两个年轻人变换各种条件，尝试着培养出了第一批蛋白的晶体。

下一步，要用X射线对晶体进行衍射分析，如果能够得到满意的图像，再用电脑对数据进行分析，基本上离得到蛋白的结构就不远了，所以晶体的好坏是能否解析蛋白结构的关键。

党尚宇这样形容那段几乎令人沮丧到极点的日子：每颗晶体直径连0.1毫米都不到，用一个肉眼几乎不可见的金属圈小心翼翼把“晶体”从一个半粒小米大小的液滴中“捞”出来，放到仪器上去衍射，照了几分钟，发现数据情况很不好，再换一颗，还是不好，再换一颗……就这样一直照了一下午，连一组像样的图像都没有得到。两个年轻人感觉很郁闷，常常是辛苦一整天后心情沮丧地离开实验室，回到宿舍闷头大睡、缓冲一下，第二天一大早抖擞精神回来接着干，结果仍然是日复一日的挫折。

到底是什么地方出了错呢？经过反复思考、实验环节检查以及与老师和实验室其他同学的讨论，党尚宇和孙林峰决定从两个方向人手解决这一问题：一方面继续寻找各种手段去纯化蛋白，另一方面再变换一些条件去让蛋白结晶。两人商量好了分工，再讨论确定方案，然后再分工。但是晶体衍射后得到的图像一直没有多大的改观。他们想尽了各种办法、甚至考虑过是不是要重新来过，换掉大肠杆菌，用其它生物体来培养蛋白，比如昆虫细胞？

枯燥的实验很容易消磨人的耐性，在这样的艰难时刻，两个年轻人只有凭借坚强的意志力，才可以坚持下去。

是否可以放弃？

回答是：坚决不！

“膜蛋白的研究，某种程度上就是看谁最后放弃！谁先放弃谁就输了，坚持到最后才能赢得胜利。一些更难的、以前人们认为是不可能的事情，科学家们都研究出来了，我们有什么理由放弃呢？”在这个关键时刻，颜宁鼓励两个年轻人坚持下去，并且一直和他们一起分析实验结果、讨论后续的实验方案。

功夫不负有心人。熬过了最初的艰难时光，晶体衍射的分辨率开始一点点提高了。8埃，6埃，4埃（埃是长度单位，在这里埃数越低证明衍射的图像越精确）……步人2009年春天之后，每一次“同步辐射之旅”（需要去外地用能量更大的仪器进行同步辐射以得到理想的图像）都带来了衍射分辨率的提高。终于，喜讯在2009年10月的一天传来——“捞”了成百上千次蛋白晶体，在课题开始后的第14个月，他们终于揭开了大肠杆菌岩藻糖转运蛋白的“神秘面纱”：他们得到的岩藻糖转运蛋白的结构是一个新的向细胞外开放的构象，而之前发现的同类转运蛋白只有向细胞内开放和中间态的构象。这个新发现从结构上验证了人们对转运蛋白转运机理的猜测，也为转运蛋白之后的研究提供了一个参照。

看着凝聚着他们无数心血的弯弯绕绕的蛋白结构，党尚宇和孙林峰的心里面一下子豁亮了起来。

“解密”转运蛋白的生化功能

拿到膜蛋白的结构，是揭开转运蛋白生物化学功能的第一步，更为艰巨的任务——分析它的生物化学功能还在后面。

解开转运蛋白的结构的喜悦没有持续多久，研究工作就再度陷人了僵局：初步分析拿到的转运蛋白的功能，结果竟是——没有任何功能！两个小伙子反反复复做了好几遍，都是同样的结果。

难道自己辛辛苦苦解析出来的结构，竟然是没有用的？还是设计的实验程序出了问题？

两个年轻人一时不知该怎么办才好。

课题组成员一起对实验设计进行反复分析，确认了没有问题。最后推断，问题很有可能是出在某一个实验环节的操作上。这时，颜宁老师安排在膜蛋白生化研究上相对较有经验、比他们高两级的研究生黄永鉴加人到课题的研究中。

黄永鉴加人课题研究的第二天，就发现党尚宇和孙林峰在实验操作时没有把特定的溶液“洗干净”，而且溶液的初始温度也偏高，就是这两处小小的细节改进，帮助课题组跨过了第一个障碍。改进后，实验得到的数据有所改善，但是转运读数还是偏低，老师同学们一起反复分析，最后发现实验用的一个进口滤膜的实际孔径大于标明的0.22微米，导致做实验的时候出现了滴漏现象。换了一个牌子的滤膜后，问题就解决了。

讲起这段经历，颜宁流露出对学生的肯定和赞许：“实验的细节往往决定成败，每一个环节都要慎之又慎。党尚宇他们对待实验的态度非常严谨，所以做实验的成功率很高，科研进展也比较快。”

青年科学家崭露头角

一个膜蛋白的研究，通常都会花上三五年时间，即便是实验经验老到的科研工作者，也没有把握在一年半时间内解析出一个膜蛋白的结构并初步分析其生化功能。那么，是什么原因使这些年轻的学生在这么短的时间内就取得高水平的研究成果呢？

除了他们本人热爱科研、严谨认真、勤于思考、心无旁骛的精神，良好的外部环境也为他们的成功助力不少：结构生物学研究中心为新引进教授负责的课题组提供前三年稳定的全方位支持，使各位年轻的教授可以把时间和精力全部放在实验室里，与学生们一起“攻坚”；完善的实验硬件条件，为最大限度实现研究者的设想提供了保障；实验室融洽的气氛、大家“抱团”进行研究的作风，使集体的力量得到充分发挥。

通过这次完整的课题研究过程，党尚宇和孙林峰也收获了自己在科研道路上的宝贵经验。

党尚宇说，在操作各项实验仪器时，仅仅知道如何去用是不够的，更重要的是要知道为什么这么做，仪器的原理是什么。只有做到了“知其所以然”，才不仅能按照老师教的方法去做实验，还可以自己改进实验方法，甚至可以在符合原理的情况下更换另外一种实验方法。

孙林峰也认为，在实验过程中不要机械性地操作，而要不断思考，才能够找到最为合适的实验手段。尤其是在感觉做不下去的时候，更要保持清醒的头脑，不能“想当然”。通过回顾课题开始至今的每一个环节，认真分析其中每个步骤，问题的症结就能逐渐清晰地浮现出来。

谈起这两位优秀的学生，颜宁很是欣慰：“现在对于党尚宇他们来说，再做膜蛋白的结构和功能分析，已经没什么可怕的了，他们已经有了充分的自信。在我的心目中，他们就是崭露头角的青年科学家。”

清华大学结构生物学研究中心在过去一年半时间里，相继报道了3个新型膜蛋白的4个晶体结构，由于其创新性和重要性，4篇学术论文全部发表于《自然》或《科学》等国际顶级刊物，其成果在国际结构生物学领域获得了充分关注，为我国的膜蛋白结构生物学研究作出了重要贡献。更令人惊喜的是，在这些课题研究的主力军中，都有高年级本科生和低年级研究生的身影——“低龄化”已经成为我校结构生物学研究的一个特点。

他们，不仅是中国科学研究的现在，更是中国、乃至世界科学界的未来。

（清华大学　周襄楠　吕露英）