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马炯的双面人生

来源:  发布时间:2016-06-02

本刊记者 武光磊

  
  
  吾生也有涯。而知也无涯。学海漫漫,很多人穷其一生都难在一个领域里有所建树,终碌碌无为,草莽而终。而复旦大学信息与工程学院光科学与工程系的青年研究员马炯用他一半技术、一半生物的双向科研成就,为我们展示了一个科研工作者如何在两个领域都有所成就。
  初见马炯,并没有想象中那么严肃。他坦诚、开朗、爱笑,直言不讳,又分寸有佳。他聊星座,说自己能在两个领域里吃香大概是“托了这个双子座的福”;还笑言自己是追星族,并拿出与诺奖得主的照片和记者一同分享。而谈及他的科研工作,马炯并没有太多地说起科研工作的辛苦,而是更多地分享他的步步历程。
  
一半是技术,一半是生物
  
  马炯1999年进入复旦大学物理系,2008年取得物理系光学专业博士学位。博士阶段开始,马炯就致力于发展光学技术与生物课题相结合的研究工作。期间他曾作为访问学者前往南非罗德斯大学化学系和挪威奥斯陆大学生理系进行学术交流。
  在南非期间,他确认水溶性CdTe量子点的光催灭机理,首次测定其单态氧产量,并开创出一种应用于其实现光动力治疗癌症的方法。2008年赴美从事博士后工作后,他一直致力于发展新型的单分子超分辨荧光显微镜,用于细胞核孔复合物的研究工作。在美国,马炯与Yang教授共同开发了SPEED显微技术,并在10nm空间精度和400μs时间精度下,研究了各类分子穿越细胞核孔的选择机制。他首次观测到细胞核孔内非折叠蛋白的三维结构,并首次获得生物小分子穿越细胞核孔三维路径,确定了其间的选择性机制,并于2010年及2012年在Proceedings of the National Academy of Sciences上发表了两篇高质量论文。
  马炯还与Walter教授合作,开发应用于超分辨显微镜的mRNA荧光标记系统,结合单分子显微追踪技术,完成了mRNA穿越核孔的选择机制的初步研究,确认了mRNA核孔输出三维路径,纠正了一维路径数据所造成的认知误解,并发表在Nature Communication上。
  而谈到技术和生物研究,马炯说他从来没有纠结两者之间的取舍,而是始终游走在两者的平衡之中。曾经在南非和挪威做访问学者的时候,他感到技术上偏重太多时,就在前去美国的时候有意识地加重了生物研究的选择。技术是他的“技”,而生物就是他的“巧”。有技方成巧,通过超分辨率光学显微镜的技术不断提高,他在细胞核孔复合物领域的研究也不断加深;以巧推动技,通过细胞核孔复合物实验研究的需求,他又不断革新超分辨光学显微镜的技术。双子的多面性,他展现在了科研领域中,并且大获成功。
  2015年6月,马炯归国。他坦言,归国的一部分原因是因为故乡的父母,另一部分则是国家现在对于青年学者的重视,能够让他在最有精力的时刻投入到科研中去。“能够为国家做一点事情,国家也重视我做的事情,这当然是再好不过了。”马炯笑言。
  
超分辨光学显微镜下看世界
  
  显微镜的发展满足了人们对观察微观世界的需求,让人们可以看得越来越“小”。但由于衍射极限的存在,几十年来光学显微镜的分辨率停滞在了200nm左右。2014年诺贝尔化学奖颁发给了美国及德国三位科学家Eric Betzig、Stefan W. Hell和William E. Moerner,获奖理由是“研制出超分辨率荧光显微镜”。几位获奖者巧妙设计了避开衍射极限的方法,其研究突破性地将光学显微镜带入了纳米维度。在纳米显微镜下,科学家实现了活体细胞中单个分子通路的可视化,能够观察到分子是如何在大脑神经细胞之间生成神经突触;可以追踪帕金森病、阿尔兹海默症和亨廷顿症患者体内相关蛋白的累积情况;还能跟踪受精卵在分裂形成胚胎时蛋白质的变化过程。现在已经进入了“光学显微镜2.0”的时代,超分辨荧光显微镜推动着新一轮生物医学的飞速发展。
  现今,已具有多种不同超分辨成像技术实际应用于生物系统的范例,也已出现了商业化的超分辨显微镜系统,但仍然没有达到完美状态。在许多生物研究中,各类超分辨系统有着各自的局限性,如对于特殊荧光标记的发光特性依赖,或是高空间精度测量制约了探测时间进一步缩短。因此,研究和发展合适新的原理和方法,研制出适合专项生物课题研究的显微镜将是今后发展的一大方向。
  谈起二维到三维的超分辨退卷积计算开发的时候,马炯说起了一个有意思的故事:他做出这个开发之后,花了整整一个星期的时间说服他的老师来相信他的成果,因为他的老师根本无法想象有人可以做出从二维分布中获取系统的三维分布的开发。而当他的老师认可了他的成果,他和他的老师又开始一起说服领域里的其他研究者一起应用这项成果的相关研究人员。“这告诉我们,固化思维的可怕。科技要进步,科研人员要创新研究,首先就要从打破自己的固有传统认知开始。”马炯严肃地说。
  归国后的马炯将开始着手建立显微镜第二平台荧光返还探测技术,实现兼具超高的时间和空间分辨率的三维分子荧光追踪系统。他将把研究中所获得的信息将与跟踪RNA输出细胞核孔的研究互相印证,通过分析RNA在细胞核孔各位置的高时空精度动态过程,进一步研究细胞核孔蛋白调控基因的机理。此外,研究中所发展的原理和方法还将能够被广泛用于毫秒量级甚至更快的纤毛内分子运输、细胞间分子交换及跨膜通道开关等生物问题的研究。
  在研究中,马炯将采用创新技术,促使实验系统同时具有很高的时间和三维空间分辨率,在不影响平面二维光学分辨精度的前提下,不通过拟合点扩散函数,而在亚毫秒级时间分辨量级和10nm三维空间分辨量级,实现对三维单分子荧光信息的实时探测和分析,满足高速动态生物学研究的特点和条件。在新型光学系统中,他还将利用凹面镜返还光程无色差的光学原理,创新设计凹面镜荧光返还光路系统,能够将z方向信息转换成x-y水平方向的信息,从而获取单分子z方向的位置信息。
  
细胞核孔复合物探寻
  
  在细胞核孔复合物的研究中,马炯将利用SPEED显微镜技术,完成各类FG屏障与各类主要的传输分子间反应区域的三维分布测量。细胞核孔复合物是真核细胞中连接细胞质和细胞核之间的选择性双向通道,控制着绝大部分细胞核所需的蛋白输入,以及核内基因物质的输出。可以说,核孔是细胞内基因调控中非常重要的一个环节。核孔的缺陷会导致核孔相关的白血病及阿尔兹海默症等疾病。其本身更是各类病毒侵入细胞的重要关口之一,各类病毒会通过不同的方式通过核孔,最终侵入细胞的基因表达系统导致疾病发生。核孔的结构与功能的研究将为各类基因调控机制的研究提供一环重要的依据,对核孔蛋白缺失相关的白血病、阿尔兹海默症的致病机制,以及各种类病毒的侵入机制等核孔相关病理机制或基因治疗提供关键信息。
  一个NPC是由30种多不同的核孔蛋白构成,长约200nm、直径为120nm、中心内径为50nm的大分子复合物。其中有三分之一的核孔蛋白富含苯丙氨酸-甘氨酸(FG)氨基酸片段,且在自然状态下呈现出非固定形态,我们称之为FG-Nups。这些FG-Nups组成了具有选择性机制的FG屏障。FG屏障选择性地调控基因相关物质按照被动运输或者主动介入运输的方式进出细胞核:只有小于60kDa的分子才能通过被动运输的方式,自由扩散通过NPC;另一种方式是主动运输,如含有入核信号或者核孔输出信号的蛋白或复合物分子,在核孔运输蛋白帮助下,形成复合物,通过TRs与FG片段相互作用,从而通过FG屏障。TRs与需要传输的蛋白形成的复合物的结合与解离,通过细胞核内外的RanGDP和RanGTP的浓度梯度来调节。通过电子显微镜可以观察到细胞核孔结构蛋白,但却无法获得这些高度自由的非折叠蛋白的结构,所以至今在生理状态下FG屏障及其相关的核孔物质传输的机理仍不清楚。
  马炯将利用SPEED显微镜技术,完成各类FG屏障与各类主要的传输分子间反应区域的三维分布测量。他将确认活细胞内FG-Nup相互反应的存在及相应的水凝胶分布。综合各反应分布,完成接近完善的FG屏障的完整分布。他还将利用基因敲除,获取缺失核孔蛋白的分布,理解其对白血病的致病机理及对腺相关病毒(AAV)基因疗法的调控机制。从传输蛋白间的竞争情况,了解细胞核孔在大通量物质运输下对应的优先选择机制。
  达成这项研究的基础,是SPEED显微技术能在超短的时间内获得高精度的空间位置信息,调控光学设置的稳定和准确,以及对各不同分子不同扩散速率下,在确保单分子荧光定位精度的同时,优化实验条件获取最多的数据量,是实验成功的关键。拥有丰富的超分辨光学经验,这让马炯能够满足数据的准确性及稳定地产出量。据此,他将创新领先技术,努力实现分子竞争通过核孔的实验设计创新。
  
未来故事
  
  回国后的马炯选择了他的母校复旦大学作为科研工作的新起点。这里熟悉的环境让他很快就进入到了工作当中并规划新的征程。
  首先,马炯将继续提升SPEED显微技术的性能及推广其应用范围。所有的对称体系研究中,马炯的SPEED显微技术都可以推广应用。而在快速跟踪领域中,这项技术也具有明显优势。其次,他将继续完善超快速的实时单分子三维追踪。再次,马炯将提高静态单分子荧光定位下的超分辨图像精度。现在的主流超分辨显微镜是用了一种光开关蛋白来实现,这将会造成单位时间内的信号光的损失。马炯换了其他方式,利用分子运动进特定区域时将这个分子可能发出的所有荧光进行收集,从而提高静态单分子荧光定位下的超分辨图像精度。
  此外,马炯还将利用单分子荧光图像获取除未知外的其他信息。他认为这部分是相当有意思的内容。利用这些单分子图像可以看到,随着探测时间的加长,随着分子运动速度越来越快,这个分子的单分子影像所占区域会越来越大,马炯可以通过这些分子的大小探测到运动速率的快慢,确定这个区域的黏滞性有多大,从而找到这个分子所在纳米位置的环境信息。
  最后扩展到生物学的研究领域,比如基因治疗方面。现在病毒如何进入到细胞、感染到细胞并最终复制出来的完整机制还有很多未知之处。如果彻底研究清楚,就能标记这个病毒,知道它什么时候进入到什么位置,如何从细胞吞噬体逃出,并且穿过细胞核孔到达细胞核,把基因嵌入其中。马炯将通过光学手段解析所有步骤,为治疗绝症提供重要依据。
  采访中,马炯并没有过多涉及家庭,却在言语中流露出对父母、对妻子的柔情。而科研事业于他,更是一种信仰与幸福,让他收获前所未有的乐趣。作为2015年归国的青年研究员,马炯在国内的事业刚刚起步,也必将乘风破浪,扬帆远航。
  

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2024年5月

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