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科海拾贝大四时被“忽悠”进组,27岁小伙发首篇Nature论文

发布时间:2023年03月30日

文 | 《中国科学报》记者 李晨阳 见习记者 孟凌霄

  5年前的夏天,中科院生物物理所园区回荡着悠长的蝉鸣。刘昊走进柳振峰研究员的办公室,当时他22岁,正在读大四,想要到柳老师的实验室里实习。

  柳振峰在电脑上打开一张PPT,这是植物光合作用的分子机制图。在植物细胞中,叶绿体像一个个迷你“生产车间”正在繁忙工作。然而这些“生产车间”自己内部培养的“工人”——蛋白质很少,90%以上的蛋白质要从外部引进。这些蛋白质要进入叶绿体发挥作用,这就需要经历一段复杂的运输过程。

  “你知道叶绿体膜上这个帮助蛋白质‘进门’的结构是什么吗?”柳振峰试探地问,这个知识点有些冷僻,他没指望刘昊能答上来。

  没想到,眼前这个年轻人回答得头头是道——这正是他感兴趣的研究方向!就这样,师生初次见面的短短几个小时里,刘昊就赢得了柳振峰课题组的入场券,并确定了未来5年的博士研究方向。

  近日,27岁的刘昊以第一作者身份在国际顶级学术期刊Nature上发表了相关论文,解析了叶绿体蛋白质传送器的组装原理。这时柳振峰才笑着承认,当初他有意“忽悠”了一下这个小伙子:“我没告诉他这个课题到底有多难。”

被“忽悠”来的Nature一作

  光合作用就是植物通过叶绿体,把光能转化为化学能的过程。这可以说是地球上最重要的化学反应。没有光合作用,就没有我们眼前多姿多彩的生命世界。历史上,光合作用的机制研究曾多次斩获诺贝尔奖。

  “在光合作用中,植物如何做到高效地吸能、传能、转能,是科学研究的核心问题之一。”柳振峰对《中国科学报》解释。而叶绿体中有着复杂空间结构的叶绿素蛋白复合体,正是至关重要的能量“传送器”和“转换器”。

  叶绿体中的蛋白质,可以大致分为两种来源:不到10%的蛋白质是由叶绿体自身内部的基因编码的;90%以上的叶绿体蛋白质就像其他大多数蛋白质一样,是由细胞核中基因编码的。后者要进入叶绿体开展工作,需要连续穿越叶绿体特殊的内、外双层膜结构。为它们开辟道路的,是名为TOC-TIC的蛋白质转运复合体。位于叶绿体外膜上的转运体被称为TOC,位于内膜上的转运体则被称为TIC。

  在过去30年间,组成TOC和TIC的不同蛋白亚基已被陆续发现,而二者构成的TOC-TIC超复合体如何组装,如何跨越叶绿体内外膜,又如何组成前体蛋白的运输路径,这一系列的关键科学问题的答案都还未能研究清楚。

  “在真核生物体中,叶绿体和线粒体是具有双层膜结构的细胞器,像叶绿体TOC-TIC这样能够跨越双层膜的蛋白质转运复合体比较罕见,并且具有非常重要的生物学功能。它本身的组成和结构非常复杂,而且在细胞内的含量很低,因此研究难度还是很大的,可能做很久都做不出来。”柳振峰说。

  然而看着眼前这个“初生牛犊”般的科研苗子,柳振峰怕把他“吓跑了”,有意在表述上“打了个折”。

  “这个课题很有趣,不过可能要做4-5年,不一定有结果,你愿意来吗?”

  22岁的刘昊接受了挑战:“当时找到柳老师,就是出于对植物膜蛋白的兴趣,所以不管5年还是更久,只要能做出来就行。”

科研攻关,从“洗菜”开始

  对冷冻电镜研究来说,样品的质量极为关键。“巧妇难为无米之炊”——很多时候,同样拥有冷冻电镜的研究单位,之所以有的能快速做出高质量的结果,有的迟迟难以突破,主要瓶颈和问题往往就出在样品的收集和制备环节上。

  在植物和藻类中,叶绿体TOC和TIC蛋白的天然丰度比较低。如何从叶绿体中获得又多又好的TOC-TIC超复合体拿来做实验,成了研究初期最大的难题。

  植物叶绿体的优质来源是菠菜。于是去菜市场拎5斤菠菜,再回实验室把一大盆菠菜清洗、分离、提纯,这一系列操作,成为刘昊做研究的常态。

  久而久之,这个小伙子成了洗菠菜的“熟练工”:要想洗得干净,就得用蒸馏水反复冲刷,每一片绿叶都清洗6遍;同时,还不能使用超声波等技术清洗,只能轻柔手洗,以保护TOC-TIC超复合体的完整形态。


由于常洗菠菜,白大褂都洗绿了,刘昊就穿着它做实验 (课题组供图,下同)

  刘昊自嘲地说,洗菠菜已经成了他的“职业病”,即使回家洗菜、择菜,也保持着实验室的手法和速度。

  但藻类叶绿体样品的收集,就没这么容易了。

  柳振峰团队曾经向国际衣藻资源中心(Chlamydomonas Resource Center)订购实验所需的莱茵衣藻。然而,这株漂洋过海的藻种经过长途运输,经历了被喷酒精和消毒等重重波折后,到达生物物理所时,几乎“没剩几个活细胞”,险些被扔进垃圾箱。

  抱着“死马当活马医”的态度,刘昊还是把藻种放进安装了光源的恒温摇床中摇着。“我没事就去看看它,一直都长得很缓慢,但突然有一天,它变绿了。”

  另一株来之不易的藻种,则多亏了一位“好心的瑞士老先生”。他是瑞士日内瓦大学的Jean-David Rochaix教授。2018年召开的第二次世界生命科学大会上,Jean-David得知柳振峰课题组正在开展这方面的工作后,便主动提出共享自己实验室的带有特殊亲和标签的藻株。用这个藻株做实验,意味着将大大简化提取步骤,加快实验进程。

  但由于种种原因,在长达2年的时间里,他们一直没能拿到这个藻株。在Jean-David的不懈坚持和争取下,藻株终于先辗转寄到中科院植物研究所杨文强课题组,之后再转交给柳振峰课题组。

  获得足够的实验样品后,他们很快使用冷冻电镜技术,对TOC-TIC复合物中的孔道特征进行了细致观察和分析,并揭示了叶绿体蛋白质传送器的组装原理。经过半年多的反复审稿修改,这项研究终于在Nature见刊。

  在柳振峰看来,这次研究结果的发表离不开国际交流和合作。“与一流科学家开放地交流和合作,能促成很多出色的成果,这株跨越大洋的藻种也证明了这一点。”他说,“我们也毫不犹豫地把论文初稿发给Rochaix教授,并在征得他的同意后,把他的名字写在了论文的共同作者中。”

这篇Nature只有4个署名

  这篇Nature论文只有4位署名作者:博士生刘昊、李安节分别为论文的第一和第二作者,负责整个技术路线和相关实验的实施;瑞士日内瓦大学Jean-David Rochaix教授为共同作者,参与该项课题技术路线的设计和结果分析讨论;柳振峰则为通讯作者,负责统筹研究的整体设计和协调研究过程。

  在Nature网站2021年6月发表的一篇文章中指出,对PubMed-MEDLINE数据库列出的3000万篇论文的一项分析发现,作者的平均人数从1975年之前的1.9人上升到2015-2019年间的5.9人。一篇顶刊论文,署名十几人甚至几十人的情况早已屡见不鲜。

  柳振峰表示,自己课题组产出的论文作者人数偏少,与科研的不同组织模式有关。他们的这种“小团队作战”,有限的参与者每个人都必须承担“大量的工作”。相应的,也往往有“高密度”的收获。


柳振峰团队(上排左四为柳振峰)

  对此,刘昊和李安节深有体会。

  在本科生阶段就确定研究方向的刘昊,在之后4年间几乎只做了这一个选题。大到设计实验、调整方向,小到跑菜市场买菠菜、连续十几个小时扎在实验台前提纯蛋白,他事无巨细地挑起了这个课题的大部分工作。

  “在我们课题组,柳老师对我们的要求是,每个人都要完整掌握实验的全套流程。”李安节说,“这样会很辛苦,但对我们的成长非常有益。”

  实验后期,李安节主要负责分子动力学模拟,但这一体系不同于传统结构解析,还需要有扎实的计算机科学、生物化学和生物物理学等学科背景。李安节花了两周时间,一头扎进新领域的文献海洋,“程序跑通的那一刻,真感觉挺厉害的!”

  在这个课题组,发论文的效率也许不是最高的,但人才培养的效率却并不低。

不要只摘“低垂的果实”

  在柳振峰看来,从结构生物学的传统优势出发,阐明光合作用的微观机理,是一项“值得投入几代人”的研究。

  过去200余年间,国际上与光合作用相关的研究成果已经十余次问鼎诺贝尔奖,被诺贝尔奖评委会评价为地球上最重要的化学反应。其中,光合膜蛋白的三维结构研究一直是国际公认的高难课题,它也被认为是一个国家结构生物学研究水平的重要标志。主持完成了我国第一个膜蛋白的晶体结构测定的科学家,正是柳振峰的导师——中国科学院院士常文瑞。

  1998年,柳振峰来到生物物理所常文瑞课题组,选择了一个“看似不可能”的课题——菠菜捕光复合物的结晶和结构解析。在延期毕业近一年后,柳振峰终于在Nature上发表得到国际同行高度认可的论文。

  2018年,柳振峰在实验室第一次见到刘昊时,也抛出了一个“看似不可能”的课题。如今,时隔近20年的两篇Nature论文,串起了3代结构生物学者的科研人生。

  随着冷冻电镜和深度学习技术的快速发展,过去解析一个分子结构需要几年的时间,如今发展为仅需几个星期,甚至几天。那么,结构生物学研究背后的真正问题又是什么?

  刘昊记得,柳老师总挂在嘴边的一句话是,不要只摘“低垂的果实”。因此,柳振峰招收学生时,从不关注对方发过几篇论文,只关注对方“愿不愿动脑筋、会不会提问题”;在他的课题组,从没有论文发表的数量要求,只关注一项研究是否把科学知识的边界往前推动了一大步。

  对刘昊来说,结构生物学研究最令他激动的一刻,不是得知文章被Nature接收的一刻,而是解出TOC-TIC超复合体电镜密度的一刻:“我也能解出这么难的问题?”与探索未知的收获相比,在顶刊发表论文就显得“平淡多了”。

  正如柳振峰所说:“解析结构并不是我们的目的,更重要的是发现结构背后的规律性原理。结构生物学的真正核心在于提供开创性的框架,为后来研究者带来新的启发、新的起点。”


柳振峰课题组开展户外活动

  相关论文:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05744-y

(本文来源于公众号:科学网)

(记者 李晨阳 见习记者 孟凌霄)

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