清华学生攻坚构造生物学困难 /编号:DS164iR

　　他们，不仅是中国科学研究的当初，更是中国，乃至世界科学界的将来。

　　“现在对党尚宇他们来说，再做膜蛋白的结构和功能分析，已经没什么恐怖的了，他们已经有充分的自负。在我的心目中他们就是锋芒毕露的青年科学家。”颜宁很观赏这两个小伙子。

　　党尚宇认为，在应用各项实验仪器的时候，仅仅晓得如何去用是不够的，更重要的是要知道为什么要这么做，仪器的原理是什么。惟其如斯，才不仅仅能按照老师教的办法去做实验，也可以改进实验方式，甚至可以在合乎原理的条件下换另外一种实验方法。

清华学生攻坚构造生物学困难

起源：科技日报 2010 *** 10 *** 19

　　“小牛”向前冲??学生就是青年科学家

　　1985年，第一个膜蛋白结构问世，当时共计仅有不到200个生物大分子结构。而时至本日，蛋白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又只有250多个，足见膜蛋白结构生物学研究的难题。

　　2008年3月，仍是一名大三学生的党尚宇，在本科生进实验室进行科研练习的时候，抉择了施一公传授引导的清华大学结构生物学研究中央，并进入了颜宁教授负责的实验室进行科研工作。凭着对科研的酷爱和耐劳研究的精力，党尚宇在不到半年的时间里就控制了基础的实验技能。

　　黄永鉴加入课题研究的第二天，就发现党尚宇和孙林峰在实验操作的时候没有把特定的溶液“洗清洁”，而且溶液的初始温度也偏高，就这两个小小的细节，辅助课题组跨过了第一个阻碍；改良了这一步之后，实验得到的数占有所改良，但是读数还是偏低，老师同窗在一起分析来分析去，最后发现是实验用的一个入口滤膜的实际孔径大于表明的0.22微米，导致呈现了“滴漏”，换了一个牌子的滤膜就解决了这个问题。

　　工夫不负有心人！在最初的一段扫兴之后，晶体衍射的辨别率一点点地提高了。8埃，6埃，4埃（埃是一个长度的单位，在这里埃数越低证实衍射的图像越准确）……进入2009年春天之后，每一次的同步辐射之旅（须要去本地用能量更大的仪器进行同步辐射）都带来了衍射分辩率的提高。

　　在谈到这一状态的时候，颜宁说：“实验的细节往往决议成败，有的学生在做实验的时候小弊病多，有可能做10次然而8次都是错的。这样不仅费时费劲，而且对学生自身的心态也是很大的打击。党尚宇他们看待试验的立场十分谨严，所以做实验的胜利率很高，科研进展也比拟快。”

　　当悄悄的坐在咱们面前解析这次完全的课题研究过程的时候，党尚宇和孙林峰都提到了思考的重要性。

　　坚持就是成功??研究膜蛋白就看谁先放弃

　　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。

　　膜蛋白的结构生物学研究一直以来是结构生物学领域公认的重点及难点。而该论文的前两位作者党尚宇和孙林峰在开始课题研究的时候还都是清华大学的本科生。

　　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。各种养分物质的运输，细胞内有毒物资的排出，以及细胞内外信息的交流都要依附膜蛋白，所以它们的功能在生命体中至关重要。但是因为膜蛋白不溶于水，难以纯化出均一性较好的蛋白质，也就比较难得到高品质的蛋白质晶体，故研究起来艰苦重重。

　　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想，也为转运蛋白之后的研讨供给了一个参照。看着凝集着无数血汗的弯弯绕绕的蛋白结构，他们俩感到心里面一下子豁亮起来。

　　初生牛犊不惧虎??本科生接手结构生物学世界难题

　　单调的实验很轻易磨掉人的耐性，在这样的艰巨时刻，两个年轻人只有凭借刚强的意志力，才可以坚持下去。
　　
　　是否能够废弃？

　　以党尚宇、孙林峰、黄永鉴三位清华学生为主力的课题组，在清华大学医学院教学颜宁的率领下，用了一年半的时间，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，并联合生化手段初步揭示了其工作机理。顶级学术期刊《做作》在10月7日刊发了他们的学术论文《岩藻糖转运蛋白向胞外开放构象的结构》。

　　细节决定成败??解密转运蛋白的生化功能

　　解开转运蛋白的结构的喜悦没有连续多久，研究工作就再度陷入了僵局??初步分析拿到的转运蛋白的功能，结果就是??没有任何功效！按照设计好的实验步骤，两个小伙子反重复复的做了多少遍，都是同样的结果！

　　孙林峰以为，实验的进程一定不要机械性地操作，要一直思考，能力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，更要坚持苏醒的脑筋，不要想当然，回想一下从课题开始的每一个环节，当真剖析其中每个步骤，才干够找到关键所在。（周襄楠 吕露英）　

　　党尚宇这样形容那个简直令人丧气到极点的时候：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胆大妄为地把“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，发现数据情形很不好，再换一颗，还是不好,清华培训班，再换一颗……就这样一直照了一下战书，连一组像样的图像都没有得到。两个年轻人很愁闷，经常是辛劳一终日后心情懊丧地分开实验室，回到宿舍闷头大睡、缓冲一下，第二天一大早振作精神回来接着干，结果依然是日复一日的令人心境惆怅。

　　清华大学结构生物学研究核心在从前一年半接踵报道了3个新型膜蛋白的4个晶体结构，因为其翻新性和重要性，4篇学术论文全体发表于《天然》或《迷信》，为我国的膜蛋白结构生物学研究作出了主要奉献，其结果在国际结构生物学范畴取得了充足关注。而更加惊喜的是，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”已经成为清华大学结构生物学研究的一个特色。

　　■ 消息链接

　　实验取舍大肠杆菌作为培养岩藻糖转运蛋白的性命体。大略的流程如下：

　　2008年8月，当颜宁老师找到党尚宇，与他讨论如何发展科研工作的时候，没有什么科研经验的党尚宇勇敢提出本人是否可以尝试承当一项课题，颜宁老师许可了，并将这个膜蛋白的研究课题交给了他。

　　下一步，要用X射线对晶体进行衍射分析，如果可能得到满足的图像，根本上离得到蛋白的结构就不远了，所以晶体的好坏是是否解析蛋白结构的症结。

　　为什么敢于将这样一个难题交给一名本科生？颜宁说：“那个时候就想，他们年纪很小，一两年内没什么冲破也不什么心理累赘，感觉有点像是我把他们‘骗上船’的。假如做不出来，就算是通过课题培养他们的科学素养、锤炼他们的实验技巧了。”

　　当造就的大肠杆菌细胞到达一定浓度的时候，向培育基中参加引诱剂，接着在适合的前提下培养一段时光，这个诱导剂会让岩藻糖转运蛋白在细胞内大批的“出产”。然后把大肠杆菌“粉碎”，通过离心将细胞膜从中分别出来，再加一点“去污剂”，把岩藻糖转运蛋白从细胞膜上萃掏出来，再通过进一步的纯化手腕除去蛋白杂质到高纯度的蛋白。

　　开头还是荣幸的。在蛋白培养这个环节上，并没有涌现什么令人难以敷衍的状况。看到研究有了良好的开始，也为了应付后续沉重的研究工作，颜宁老师让党尚宇的同班同学孙林峰加入到课题组中，与党尚宇“错误”。两个年轻人尝试着培养出了第一批蛋白的晶体。

　　终于，喜讯在2009年10月份的一天传来：在“捞”了成千盈百次蛋白晶体之后，在课题开端之后的第14个月，大肠杆菌岩藻糖转运蛋白的结构终于在人们的眼前揭开了神秘的面纱：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。而之前发明的同类的转运蛋白只有向细胞内开放跟旁边态的构象。

　　在颜宁的心中，这些学生聪慧过人，“开窍”早，不外颜宁也弥补：愿望学生们不要太“乖”，盼望学生更活泼，要跟老师在学术上争辩，甚至吵得面红耳赤。

　　再用X光对蛋白晶体从不同的角度进行衍射分析，得到一组衍射图像，用软件对这些图形进行分析，再借助一些其余的手段，就可以得出蛋白结构了。
　
　　回忆起当时的研究工作，党尚宇说：“每前进一步都像是进行一场惊险的逾越。”

　　颜宁带领课题组成员一起对实验设计反复揣摩，确认是没有问题的，最后推断：很有可能问题是出在实验某一个环节的操作上。这个时候，颜宁部署在膜蛋白生化研究上绝对有教训的、比他们高两级的研究生黄永鉴加入到课题的研究中。

　　“膜蛋白的研究，某种水平上就是要看谁先放弃！谁先放弃谁就输了，坚持到最后的就赢了。再难的，以前人们认为都是不可能的事件，科学家们都研究出来了，还有什么做不出来的呢？”在这个要害时刻，颜宁激励两个年青人保持下去，并且始终和他们一起讨论实验成果、探讨下一步实验计划。

　　到底是什么处所犯错了呢？经由反复检讨、思考和讨论，党尚宇和孙林峰决定从两个方向入手解决这一问题：一方面持续寻找各种各样的手段去进步蛋白的纯度，二是再变换一些条件去让蛋白更好的结晶。但是好像陷入了一个怪圈，晶体衍射后得到的图像一直是没有多大的改观。他们想尽了各种措施、甚至斟酌过，是不是要从新来过，换掉大肠杆菌，用其它生物体来培养蛋白，比方昆虫细胞？

　　答复是：坚定不！

　　而后就是结晶??把蛋白溶液分辨与含有不同化合物的溶液依照必定比例混杂，在合适的化合物的溶液里面，蛋白就缓缓地有规矩的、整洁的排列、凑集在一起，构成了蛋白晶体。

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