破解葡萄糖轉(zhuǎn)運子的神奇奧秘
——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際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》以研究長文(Research Article)的形式發(fā)表題為《葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白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，報道了人的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白GLUT1-4在大腸桿菌中的同源蛋白XylE的晶體結(jié)構(gòu)，并且運用生化手段對其工作機理進(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。這些工作對于人類理解葡萄糖轉(zhuǎn)運子的工作機制，理解人類疾病的發(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》專門為此篇論文配發(fā)了新聞評論(News & Views)。
從本科階段就開始涉及研究工作，到跟隨師哥師姐承擔(dān)研究課題，再到獨當(dāng)一面成為高水平學(xué)術(shù)論文的第一作者，孫林峰走過了怎么樣的一條科學(xué)研究之路？筆者采訪了孫林峰，回顧了他成長的點點滴滴。
萬丈高樓平地起——扎實的基礎(chǔ)是成功的前提
從低等的微生物到高等生物如人類，葡萄糖轉(zhuǎn)運子在細(xì)胞葡萄糖代謝過程中都起著至關(guān)重要的作用。在人的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白成員中，GLUT1-4是研究最為深入的，且與多種人類疾病發(fā)生相關(guān)。但是目前對于這類膜蛋白的結(jié)構(gòu)信息我們?nèi)匀恢跎佟?/p>
圖為孫林峰在實驗室。記者 范麗 攝
關(guān)于糖轉(zhuǎn)運蛋白機理的研究已經(jīng)有好幾年，但一直沒有得到好的結(jié)果。孫林峰在一年半左右的時間內(nèi)就把這個課題攻克下來，在外人眼里是了不起的成績。而當(dāng)孫林峰自己談到這個結(jié)果時，他說自己是幸運的。
但是僅僅是幸運嗎？
其實，早在孫林峰還是本科生的時候，他就進(jìn)入施一公、顏寧教授的團(tuán)隊，承擔(dān)了關(guān)于大腸桿菌巖藻糖（L-fucose）轉(zhuǎn)運蛋白（FucP）的結(jié)構(gòu)機理的課題研究任務(wù)，并最終以第二作者在《自然》發(fā)表過“Structure of a fucose transporter in an outward-open conformation”（巖藻糖轉(zhuǎn)運蛋白向胞外開放構(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，實驗室的一切對于孫林峰而言是新奇的，也是充滿挑戰(zhàn)的。他在觀察中積累經(jīng)驗，在實驗中總結(jié)方法。當(dāng)時跟著師兄師姐們做實驗，他總是看得非常仔細(xì)，將實驗的小細(xì)節(jié)學(xué)得非常認(rèn)真。
孫林峰有著扎實的基礎(chǔ)，也就是“手快”，這讓他動手操作實驗時節(jié)省了大量的時間，“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，這讓我在實驗進(jìn)展中占了很大的優(yōu)勢。”這種“功夫”是怎樣練成的？熟能生巧！孫林峰在平時做實驗時就注重思考，把操作的方法掌握之后不停歇地練習(xí)，才有了后來“機械手”般的速度。
不同的課題需要不同的實驗，但在一個課題組中這些實驗有著一定的相通性。所以實驗經(jīng)歷讓他積累了許多實驗方法和思路，這為他日后自己作課題相對獨立承擔(dān)研究任務(wù)打下了堅實的基礎(chǔ)。
站在前人的肩膀上——總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)才能不走彎路
剛接手這個糖轉(zhuǎn)運蛋白新課題時，孫林峰也有過兩三個月的迷茫期。沒有了師兄師姐的帶領(lǐng)，他害怕出現(xiàn)問題之后不知道如何解決。更令他有壓力的是，這個課題在他前面已經(jīng)至少有兩撥人做過，卻并沒有拿到高分辨率的晶體，那他能做出成功的研究成果來嗎？所以剛開始時，他就是抱著試試看的心態(tài)去做。
本著認(rèn)真踏實的態(tài)度，他首先整理了前人做過的工作，包括一些實驗結(jié)果和結(jié)論。比如在選用去垢劑問題上，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)被試過的，再根據(jù)其他實驗的經(jīng)驗優(yōu)先選擇，很大程度上加快了實驗的進(jìn)程。
正如被問到自己能做出這個課題的優(yōu)勢時，孫林峰謙虛地說到：吸取了前人的經(jīng)驗。剛開始嘗試讓蛋白結(jié)晶時，孫林峰也一直無法獲得滿意的蛋白晶體，當(dāng)時他就聯(lián)想到實驗室別的課題做類似實驗時加底物小分子就可以穩(wěn)定蛋白狀態(tài)，于是他也把這一實驗方法借用過來嘗試。沒想到一試證明結(jié)果確實比較好，并且過不了多久就拿到了令人滿意的晶體，真正走出了本課題的關(guān)鍵一步。
就這樣真正開始著手做課題的時候，孫林峰感覺到了內(nèi)心的踏實。更讓他感覺很好的是：用自己的想法去解決問題，這樣一步一步做下去，內(nèi)心很滿足。
“我想這一次課題研究的最大的變化和收獲就是獨立自主。”過去的孫林峰可能對如何去做實驗想得不多，只是以完成任務(wù)的態(tài)度去做，但現(xiàn)在他會經(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題，因為“這是我的課題”，更因為一種對科研的責(zé)任心。
量變帶來的質(zhì)變——重復(fù)性實驗是膜蛋白研究的基石
對于葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白機理研究，首先是培養(yǎng)好的晶體，這需要通過大量的篩選性實驗來完成；接著是分析氨基酸功能，而一個晶體結(jié)構(gòu)中有400多個氨基酸，即使是只選擇蛋白穿膜通道周圍的氨基酸也有三十個左右，這就注定課題的研究必須有大量的實驗作為基礎(chǔ)。
在課題前期，孫林峰主要的時間還是花在了培養(yǎng)晶體上，每天都在對著槍頭盒加蛋白和緩沖溶液。這是一項龐大的工程，因為每次提取蛋白之后“點晶體”就需要點8板，一板有24種條件，每個條件上又有4種蛋白，就有96個地方需要點，只有按順序點，才能做到不混淆，點一次就需要將近一天的時間。“這樣嘗試了四五個月，點過了有幾百板，終于長出了比較好的晶體。”同時晶體的觀察也是一項體力活，因為晶體很小，需要在放大四五十倍的顯微鏡下才能觀察到。而那時孫林峰就需要每天在顯微鏡下不停觀察，一直看半個小時一個小時都是常事。
接著就是用X射線解析出好的晶體結(jié)構(gòu)之后研究每個氨基酸的功能。針對穿膜通道附近的氨基酸，孫林峰做了大概五六十個突變來研究它們的性能。主要的方法是通過基因水平把要研究的一個氨基酸突變掉，轉(zhuǎn)換成別的氨基酸，然后將新蛋白置于實驗中，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。這樣的實驗主要有兩方面的目的，不僅從功能上驗證結(jié)構(gòu)的正確性，還能用這個結(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間，接著要根據(jù)結(jié)果來決定下面的工作，實驗戰(zhàn)線拉得比較長。”這種功能性探究實驗分析也花費了孫林峰近半年的時間。
就這樣孫林峰有一年的時間在做實驗，而每天的實驗也都是一些枯燥的工作，重復(fù)的動作。“但如果得到好的結(jié)果時真的很興奮，感覺前面的勞累、酸痛都沒什么了。”就是在日復(fù)一日付出的積累下，才讓他最終收獲到了滿意的實驗結(jié)果，攻克了這個難題。
整個課題的研究面臨過許多困難，但每次面對困難時，孫林峰都是通過與人交流，自主思考，一步一步嘗試下去克服。他提到一件小事，剛開始發(fā)現(xiàn)晶體時結(jié)果并不好，長得很小，不仔細(xì)看容易忽視，但當(dāng)時沒有放棄，而是在原來的基礎(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)堅定目標(biāo)時，就要堅持不懈地走下去，嘗試每一種可能。
“做實驗最大的秘訣就是：在沒有確切證據(jù)說你的實驗已經(jīng)堵死之前，不輕言放棄，要嘗試各類方法。”
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際領(lǐng)先水平，實驗室所設(shè)定的研究方向一般都是國際上比較前沿的課題，都是一些需要克服的熱點難點。孫林峰提到，“導(dǎo)師對于我而言，就是精神上的力量。”“只要我們實驗上有什么好的結(jié)果，比如有好的晶體，我們馬上和顏寧老師他們匯報討論。”“導(dǎo)師還會對我們講一些人生哲理，交流思想，幫助我們理清思路。”
“在每個暑假，施一公和顏寧老師都會有一個針對新入實驗室的研究生的培訓(xùn)，大約7天時間，主要講述一些實驗操作，基礎(chǔ)知識以及前人成功或者失敗的經(jīng)驗，這些對我?guī)椭艽蟆?rdquo;就是這樣的前期培養(yǎng)指導(dǎo)，讓孫林峰進(jìn)入實驗室很快進(jìn)入了科研的狀態(tài)。
孫林峰還講述了實驗室非常重視國際上同領(lǐng)域科研水平動向，每周的組會上都會選出相關(guān)領(lǐng)域兩篇國際高水平論文進(jìn)行討論分析，施一公教授、顏寧教授等都會提出自己的見解，他們鼓勵學(xué)生在實驗室出去開會時，要多于國際專家提問交流。孫林峰平時也會定期閱讀國際同領(lǐng)域雜志，跟蹤相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，以此開拓國際視野。
筆者認(rèn)為，一個良好的科研氛圍可以培養(yǎng)出一批優(yōu)秀的科學(xué)人員。孫林峰所在的實驗室是一個50人左右的大集體，他們中不乏有過國際高水平論文的學(xué)生，所以可供傳承和分享的經(jīng)驗很豐富。孫林峰也提到平時他們經(jīng)常會在實驗室里聊聊天，說說課題中的一些問題，在討論中尋找靈感。過節(jié)生日時他們也會有聚會，也經(jīng)常組織體育鍛煉，排解下實驗的枯燥。
“我很習(xí)慣實驗室的生活，感覺簡單又舒服。”孫林峰安靜沉穩(wěn)的性格讓他在實驗室找到了興趣和未來的方向。
人生就是大膽地冒險——迎接挑戰(zhàn)性課題
對于自己做過的課題，孫林峰積累了許多“秘訣”：善于觀察——對于平時看實驗時認(rèn)真細(xì)致，聽他人將細(xì)節(jié)時用心記錄；勤于思考——實驗前規(guī)劃好實驗流程，算好數(shù)據(jù)，理清步驟；熟練操作——每一步實驗都是很重要，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)，主要針對膜蛋白結(jié)構(gòu)功能的分析。這項研究可以運用于制藥領(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。所以這是一個具有重要意義的研究方向。
孫林峰希望接下來能做一些更有挑戰(zhàn)性的課題，學(xué)習(xí)探索更多實驗技能，提升自已的能力。
筆者認(rèn)為：這就是清華園內(nèi)一個“小牛”成長的過程，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，更有來源于自身那勤勉而頑強地鉆研。
編輯：襄樺
