馬炯的雙面人生

本刊記者 武光磊

馬炯的雙面人生

本刊記者 武光磊

吾生也有涯。而知也無涯。學海漫漫，很多人窮其一生都難在一個領域里有所建樹，終碌碌無為，草莽而終。而復旦大學信息與工程學院光科學與工程系的青年研究員馬炯用他一半技術、一半生物的雙向科研成就，為我們展示了一個科研工作者如何在兩個領域都有所成就。

初見馬炯，并沒有想象中那么嚴肅。他坦誠、開朗、愛笑，直言不諱，又分寸有佳。他聊星座，說自己能在兩個領域里吃香大概是“托了這個雙子座的?！?；還笑言自己是追星族，并拿出與諾獎得主的照片和記者一同分享。而談及他的科研工作，馬炯并沒有太多地說起科研工作的辛苦，而是更多地分享他的步步歷程。

一半是技術，一半是生物

馬炯1999年進入復旦大學物理系，2008年取得物理系光學專業博士學位。博士階段開始，馬炯就致力于發展光學技術與生物課題相結合的研究工作。期間他曾作為訪問學者前往南非羅德斯大學化學系和挪威奧斯陸大學生理系進行學術交流。

在南非期間，他確認水溶性CdTe量子點的光催滅機理，首次測定其單態氧產量，并開創出一種應用于其實現光動力治療癌癥的方法。2008年赴美從事博士后工作后，他一直致力于發展新型的單分子超分辨熒光顯微鏡，用于細胞核孔復合物的研究工作。在美國，馬炯與Yang教授共同開發了SPEED顯微技術，并在10nm空間精度和400μs時間精度下，研究了各類分子穿越細胞核孔的選擇機制。他首次觀測到細胞核孔內非折疊蛋白的三維結構，并首次獲得生物小分子穿越細胞核孔三維路徑，確定了其間的選擇性機制，并于2010年及2012年在Proceedings of the National Academy of Sciences上發表了兩篇高質量論文。

馬炯還與Walter教授合作，開發應用于超分辨顯微鏡的mRNA熒光標記系統，結合單分子顯微追蹤技術，完成了mRNA穿越核孔的選擇機制的初步研究，確認了mRNA核孔輸出三維路徑，糾正了一維路徑數據所造成的認知誤解，并發表在Nature Communication上。

而談到技術和生物研究，馬炯說他從來沒有糾結兩者之間的取舍，而是始終游走在兩者的平衡之中。曾經在南非和挪威做訪問學者的時候，他感到技術上偏重太多時，就在前去美國的時候有意識地加重了生物研究的選擇。技術是他的“技”，而生物就是他的“巧”。有技方成巧，通過超分辨率光學顯微鏡的技術不斷提高，他在細胞核孔復合物領域的研究也不斷加深；以巧推動技，通過細胞核孔復合物實驗研究的需求，他又不斷革新超分辨光學顯微鏡的技術。雙子的多面性，他展現在了科研領域中，并且大獲成功。

2015年6月，馬炯歸國。他坦言，歸國的一部分原因是因為故鄉的父母，另一部分則是國家現在對于青年學者的重視，能夠讓他在最有精力的時刻投入到科研中去?！澳軌驗閲易鲆稽c事情，國家也重視我做的事情，這當然是再好不過了?！瘪R炯笑言。

超分辨光學顯微鏡下看世界

顯微鏡的發展滿足了人們對觀察微觀世界的需求，讓人們可以看得越來越“小”。但由于衍射極限的存在，幾十年來光學顯微鏡的分辨率停滯在了200nm左右。2014年諾貝爾化學獎頒發給了美國及德國三位科學家Eric Betzig、Stefan W.Hell和William E.Moerner，獲獎理由是“研制出超分辨率熒光顯微鏡”。幾位獲獎者巧妙設計了避開衍射極限的方法，其研究突破性地將光學顯微鏡帶入了納米維度。在納米顯微鏡下，科學家實現了活體細胞中單個分子通路的可視化，能夠觀察到分子是如何在大腦神經細胞之間生成神經突觸；可以追蹤帕金森病、阿爾茲海默癥和亨廷頓癥患者體內相關蛋白的累積情況；還能跟蹤受精卵在分裂形成胚胎時蛋白質的變化過程?，F在已經進入了“光學顯微鏡2.0”的時代，超分辨熒光顯微鏡推動著新一輪生物醫學的飛速發展。

現今，已具有多種不同超分辨成像技術實際應用于生物系統的范例，也已出現了商業化的超分辨顯微鏡系統，但仍然沒有達到完美狀態。在許多生物研究中，各類超分辨系統有著各自的局限性，如對于特殊熒光標記的發光特性依賴，或是高空間精度測量制約了探測時間進一步縮短。因此，研究和發展合適新的原理和方法，研制出適合專項生物課題研究的顯微鏡將是今后發展的一大方向。

談起二維到三維的超分辨退卷積計算開發的時候，馬炯說起了一個有意思的故事：他做出這個開發之后，花了整整一個星期的時間說服他的老師來相信他的成果，因為他的老師根本無法想象有人可以做出從二維分布中獲取系統的三維分布的開發。而當他的老師認可了他的成果，他和他的老師又開始一起說服領域里的其他研究者一起應用這項成果的相關研究人員?！斑@告訴我們，固化思維的可怕?？萍家M步，科研人員要創新研究，首先就要從打破自己的固有傳統認知開始。”馬炯嚴肅地說。

歸國后的馬炯將開始著手建立顯微鏡第二平臺熒光返還探測技術，實現兼具超高的時間和空間分辨率的三維分子熒光追蹤系統。他將把研究中所獲得的信息將與跟蹤RNA輸出細胞核孔的研究互相印證，通過分析RNA在細胞核孔各位置的高時空精度動態過程，進一步研究細胞核孔蛋白調控基因的機理。此外，研究中所發展的原理和方法還將能夠被廣泛用于毫秒量級甚至更快的纖毛內分子運輸、細胞間分子交換及跨膜通道開關等生物問題的研究。

在研究中，馬炯將采用創新技術，促使實驗系統同時具有很高的時間和三維空間分辨率，在不影響平面二維光學分辨精度的前提下，不通過擬合點擴散函數，而在亞毫秒級時間分辨量級和10nm三維空間分辨量級，實現對三維單分子熒光信息的實時探測和分析，滿足高速動態生物學研究的特點和條件。在新型光學系統中，他還將利用凹面鏡返還光程無色差的光學原理，創新設計凹面鏡熒光返還光路系統，能夠將z方向信息轉換成x-y水平方向的信息，從而獲取單分子z方向的位置信息。

馬炯及其合作者在2016年美國生物物理學會年會

與超分辨顯微鏡PALM技術發明人、2014年諾貝爾獲獎者Eric Betzig教授在一起。

細胞核孔復合物探尋

在細胞核孔復合物的研究中，馬炯將利用SPEED顯微鏡技術，完成各類FG屏障與各類主要的傳輸分子間反應區域的三維分布測量。細胞核孔復合物是真核細胞中連接細胞質和細胞核之間的選擇性雙向通道，控制著絕大部分細胞核所需的蛋白輸入，以及核內基因物質的輸出?？梢哉f，核孔是細胞內基因調控中非常重要的一個環節。核孔的缺陷會導致核孔相關的白血病及阿爾茲海默癥等疾病。其本身更是各類病毒侵入細胞的重要關口之一，各類病毒會通過不同的方式通過核孔，最終侵入細胞的基因表達系統導致疾病發生。核孔的結構與功能的研究將為各類基因調控機制的研究提供一環重要的依據，對核孔蛋白缺失相關的白血病、阿爾茲海默癥的致病機制，以及各種類病毒的侵入機制等核孔相關病理機制或基因治療提供關鍵信息。

一個NPC是由30種多不同的核孔蛋白構成，長約200nm、直徑為120nm、中心內徑為50nm的大分子復合物。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，且在自然狀態下呈現出非固定形態，我們稱之為FG-Nups。這些FG-Nups組成了具有選擇性機制的FG屏障。FG屏障選擇性地調控基因相關物質按照被動運輸或者主動介入運輸的方式進出細胞核：只有小于60kDa的分子才能通過被動運輸的方式，自由擴散通過NPC；另一種方式是主動運輸，如含有入核信號或者核孔輸出信號的蛋白或復合物分子，在核孔運輸蛋白幫助下，形成復合物，通過TRs 與FG片段相互作用，從而通過FG屏障。TRs與需要傳輸的蛋白形成的復合物的結合與解離，通過細胞核內外的RanGDP和RanGTP的濃度梯度來調節。通過電子顯微鏡可以觀察到細胞核孔結構蛋白，但卻無法獲得這些高度自由的非折疊蛋白的結構，所以至今在生理狀態下FG屏障及其相關的核孔物質傳輸的機理仍不清楚。

馬炯將利用SPEED顯微鏡技術，完成各類FG屏障與各類主要的傳輸分子間反應區域的三維分布測量。他將確認活細胞內FG-Nup相互反應的存在及相應的水凝膠分布。綜合各反應分布，完成接近完善的FG屏障的完整分布。他還將利用基因敲除，獲取缺失核孔蛋白的分布，理解其對白血病的致病機理及對腺相關病毒（AAV）基因療法的調控機制。從傳輸蛋白間的競爭情況，了解細胞核孔在大通量物質運輸下對應的優先選擇機制。

達成這項研究的基礎，是SPEED顯微技術能在超短的時間內獲得高精度的空間位置信息，調控光學設置的穩定和準確，以及對各不同分子不同擴散速率下，在確保單分子熒光定位精度的同時，優化實驗條件獲取最多的數據量，是實驗成功的關鍵。擁有豐富的超分辨光學經驗，這讓馬炯能夠滿足數據的準確性及穩定地產出量。據此，他將創新領先技術，努力實現分子競爭通過核孔的實驗設計創新。

細胞核孔復合物示意圖。作者A.Goryaynov

馬炯老師和他的課題組

未來故事

回國后的馬炯選擇了他的母校復旦大學作為科研工作的新起點。這里熟悉的環境讓他很快就進入到了工作當中并規劃新的征程。

首先，馬炯將繼續提升SPEED顯微技術的性能及推廣其應用范圍。所有的對稱體系研究中，馬炯的SPEED顯微技術都可以推廣應用。而在快速跟蹤領域中，這項技術也具有明顯優勢。其次，他將繼續完善超快速的實時單分子三維追蹤。再次，馬炯將提高靜態單分子熒光定位下的超分辨圖像精度?，F在的主流超分辨顯微鏡是用了一種光開關蛋白來實現，這將會造成單位時間內的信號光的損失。馬炯換了其他方式，利用分子運動進特定區域時將這個分子可能發出的所有熒光進行收集，從而提高靜態單分子熒光定位下的超分辨圖像精度。

此外，馬炯還將利用單分子熒光圖像獲取除未知外的其他信息。他認為這部分是相當有意思的內容。利用這些單分子圖像可以看到，隨著探測時間的加長，隨著分子運動速度越來越快，這個分子的單分子影像所占區域會越來越大，馬炯可以通過這些分子的大小探測到運動速率的快慢，確定這個區域的黏滯性有多大，從而找到這個分子所在納米位置的環境信息。

最后擴展到生物學的研究領域，比如基因治療方面?，F在病毒如何進入到細胞、感染到細胞并最終復制出來的完整機制還有很多未知之處。如果徹底研究清楚，就能標記這個病毒，知道它什么時候進入到什么位置，如何從細胞吞噬體逃出，并且穿過細胞核孔到達細胞核，把基因嵌入其中。馬炯將通過光學手段解析所有步驟，為治療絕癥提供重要依據。

采訪中，馬炯并沒有過多涉及家庭，卻在言語中流露出對父母、對妻子的柔情。而科研事業于他，更是一種信仰與幸福，讓他收獲前所未有的樂趣。作為2015年歸國的青年研究員，馬炯在國內的事業剛剛起步，也必將乘風破浪，揚帆遠航。