在交叉學科前沿領(lǐng)域探索有成的兩星友
——訪2018級星友，上海交通大學宰建陶副教授、陶飛研究員

在今天這樣一個鼓勵創(chuàng)新的時代，很多人都會覺得走交叉學科之路勢在必行。以成員眾多、學科齊全、創(chuàng)新活力旺盛為特征的上海科技啟明星群體能否提供一些交叉學科的成功案例？一提起這個話題，筆者馬上就想到宰建陶和陶飛兩位星友。他們同為2018級星友，分別就職于上海交通大學化學與化工學院和生命科學學院。在2018年市科委組織的當年入選星友的頒證交流會上，兩位交大人相知相識。正是在那次交流會上，彼此聊到了各自的科研方向和希望得到的幫助。彼時陶飛正在為尋覓一種納米材料而傷神，而這種材料在宰建陶所在實驗室里卻是平常之物。兩人由此聊到各自的研究志趣，大有相見恨晚之感。會后兩人走動頻繁，交流熱絡(luò)，短短三年間已形成了三項合作成果，第四項也在籌劃推進。

筆者在之前的啟明星通訊上曾報道過宰建陶、陶飛兩位星友開始交叉學科探索的信息。2020年在籌辦第四次“雙碳”主題的啟明星論壇時，宰、陶兩星友聯(lián)袂發(fā)來“電驅(qū)動微生物固碳”的主題報告，這是他們合作推進的第二項交叉合作的內(nèi)容。此話馬上勾起筆者對兩人做這次啟明星聯(lián)合采訪的沖動。這次采訪從中午一直談到傍晚六點，足足6個小時，采訪筆記整整17頁。這在啟明星采訪史上是破紀錄的。兩位星友各有怎樣的經(jīng)歷？是什么因素讓他們能在交叉互補的路上走得比較順？對基礎(chǔ)研究，對如何走通交叉學科之路又有何獨到的心得？

宰建陶篇

生活習慣能自律，從小到大當班長

宰建陶是河南安陽人，爸媽都是農(nóng)民，爸爸當過兵。建陶媽媽是村里少有的重視孩子讀書的家長，在兒子上學前就借來小學課本教他識字拼讀。也因為有基礎(chǔ)，建陶小學成績一直是班里第一。建陶就讀的初中是新建學校，到學校得走兩三公里的土路，雨天基本上泥濘一片，沒法騎車，中午無法回家吃飯，只能帶方便面。宰建陶通常早上5點就要出門，冬天這個點天還很黑，路上不安全，學校為此安排了一個大通鋪。高中他第一次月考得到了20多名的成績，到后來學習成績一直保持前幾名。高中班主任李清順老師灌輸給學生的就是要學會一個“拼”字。在這種氛圍下，大家都是這樣要求自己的：多一分鐘也要擠出來學習?；剡^頭來看，建陶說他們都對這位班主任很感念，建陶也慶幸自己初高中都遇到了好老師。

高考那年碰上“非典”，數(shù)學考試還碰上了少有的啟用備用卷，非常難，但因為建陶班主任平時很注意學生的心理素質(zhì)教育，學生整體承受能力強，最終他們班是全年級考得最好的。最終，建陶的數(shù)學考了124分，語文94分，英語是個人有史以來最好的125分。這樣建陶考取了自己心儀的大學——上海交大。

建陶平時生活十分自律，且從小到大都當班長。高中班主任對他的評價是：他最大的優(yōu)點不是成績好，而是能處理好與同學老師的關(guān)系，與所有搭檔都相處很融洽。所以班主任認為建陶同學更適合從事行政管理。這個評價對建陶是有影響的，也導致了他大學一二年級在社會活動上花了不少時間，熱心于當時的素質(zhì)拓展活動，而學習的努力程度不及高中。

思政老師一番話，促其清醒歸科研

本科階段建陶他們五個班都沒有班主任，班級學生一些學業(yè)、情緒方面的問題，班長都要和負責年級思政的林潔老師對接，也因此班長和林老師的關(guān)系都很好。入學一年半后的建陶對自己以后要干什么有點迷茫，他感覺在科研上沒有百分百投入，做社團也不得心應手。也是帶著這個困惑，他找林老師聊了一天。林老師的話讓他冷靜下來：你做行政管理時確實十分得心應手嗎？如果不是那就還是去做科研吧。想明白后，建陶從大三起就把更多的精力放在科研上，并且申請進了錢雪峰教授的納米材料課題組。那一年，他基本上就是實驗室、教室和寢室三點一線。全身心投入不久就有產(chǎn)出，大三下學期，他已經(jīng)有第三作者和第五作者的兩篇文章刊登在領(lǐng)域內(nèi)知名雜志上。大四的時候，建陶獲得了在錢教授實驗室直博的機會。

學科交叉“種基因”，賓大求學讀原著

宰建陶讀博那年正值納米材料研究方向從原來的材料形態(tài)控制為主轉(zhuǎn)向各種應用，這需要相應設(shè)備、測試條件的支持。讀博時建陶的課題調(diào)整了4次，涉及納米合成、光催化、電池、氣敏幾個方向，他最終選擇了錫基氧族化合物，理論上它能用于光催化，還能做電池和氣敏。彼時課題組經(jīng)費有限，購買設(shè)備也都要再三斟酌。為了完成博士論文，建陶前后花了5年時間。與此同時他也在諸如量子點、石墨烯等方向進行了嘗試。建陶說他是組內(nèi)第一個涉及多領(lǐng)域研究的，“其實這種多學科背景對我還是很有幫助的”。建陶說出了一個關(guān)鍵點，“擅學科交叉者其實多少內(nèi)含某種學科交叉種子基因”?；蛟S也因為有這種多學科知識儲備，博三起建陶就協(xié)助錢老師寫一些基金的申請書，并得到錢老師認可。畢業(yè)后錢老師希望他留下來，但當時學校規(guī)定留校要有海外留學經(jīng)歷，于是錢老師就介紹他去美國賓州州立大學納米能源實驗室做博士后研究。

宰建陶的研究背景主要是光催化，賓州大的合作導師希望他能繼續(xù)在光催化產(chǎn)氫方面開展工作。一到實驗室他就與一位師兄聊起了各自的研究方向，興起了將師兄已有的儲能材料做光催化產(chǎn)氫的想法。由于需要購置實驗所需的色譜等設(shè)備，在最初的兩三個月他有較多的空余時間。時值2012年冬天，歐美人這段時間正準備過圣誕新年，建陶就利用這段時間認真讀了英文版的《半導體物理學》，包括基礎(chǔ)理論、經(jīng)典案例等內(nèi)容，比如講到半導體物理基本概念時是從量化計算慢慢推導出來，與化學晶體結(jié)構(gòu)互有印證。這段差不多兩個月的研讀經(jīng)典的經(jīng)歷彌補了他博士期間很少有時間讀原著的遺憾，也是他在賓州大一年多時間最有收獲的地方。建陶說他現(xiàn)在也要求學生讀一些基本教材，不能光讀文獻，文獻只涉及一些點，真正要深入研究問題還是要看經(jīng)典原著教材。兩個月后設(shè)備到了，建陶每天十多個小時地運轉(zhuǎn)，兩個禮拜后就有了數(shù)據(jù)，幾個月后他的文章發(fā)在《自然-通訊》（Nature Communication）上。

入職交大管課題，服務需求凝真題

在賓州大待了一年后，錢老師的工作有變化，希望他回交大負責照管課題組，他正式向?qū)W校提出申請。這樣宰建陶2014年1月入職上海交大化學與化工學院，受聘為助理研究員。一晃7年，建陶說他入職以來主要做的幾件事是申請課題找經(jīng)費、做課題寫論文以及為本科生上課（一年有100多個課時）。科研方面探索了不少方向，做過太陽能電池、儲能，如用合成化學方法破解企業(yè)在儲能應用中碰到的問題。談起與企業(yè)的合作，建陶認為幫企業(yè)解決問題不僅能得到一定的科研經(jīng)費，也能從中提煉一些基本的科學問題。以鋰電池為例，國內(nèi)外文獻一般都強調(diào)其循環(huán)穩(wěn)定性，但企業(yè)更關(guān)心首次效率（首次充電后充放電的比例），當時首次效率只能做到70%左右，一般要達到80%以上才有商用價值。為提高效率，建陶團隊利用豐富的納米材料幾何形態(tài)和復合結(jié)構(gòu)控制經(jīng)驗，設(shè)計了一些有利于抑制副反應的、特殊的硅碳復合結(jié)構(gòu)來同時提高首效和循環(huán)穩(wěn)定性。目前首次效率已近90%，這種復合結(jié)構(gòu)材料也已經(jīng)做到公斤級水平。“和企業(yè)合作的另外一個方向是電催化有機合成，核心是鹵素的催化轉(zhuǎn)化。這類氧化還原媒介通常會用于太陽能電池、液流電池，最近我們嘗試用到電催化的有機合成中。我和陶老師的合作課題中就是用了這一技術(shù)來降低能耗。”

星友聚會始相識，志趣相投促合作

說起與陶飛的合作，建陶稱真是機緣巧合。在2018年啟明星頒證交流會中，他倆住一個房間，晚上就聊開了。陶飛說起他的實驗急需一種能滿足功能的半導體材料，建陶一聽樂了：“這種材料我有啊！”建陶覺得自己不僅能提供陶飛所需要的這種半導體材料，而且還能參與陶飛的工作，同時陶飛正在做的課題與自己的互補。于是雙方進一步聊了合作的細節(jié)。啟明星交流會后不久，陶飛就申報并獲得了一個半導體和蛋白相互作用的課題，兩位志趣相投的星友也由此開始了他們的首次交叉合作課題?！耙婚_始這個投入不大，都是各自擅長的領(lǐng)域。首先是簡單的A+B測試，看其是否有效果，驗證可行性。進一步做下去，就需要把A+B為什么能達到效果的原因機理說清楚，這需要進一步的經(jīng)費支持?！苯ㄌ找运麄兊暮献黜椖康鞍?納米復合材料為例介紹，“這兩種物質(zhì)結(jié)合傳感效果特別好，甚至能打破傳統(tǒng)的檢測極限。我們首次合作課題所用的傳感器檢測效果極為靈敏，但要搞清楚為什么能有如此高的探測靈敏性。這個機理一旦破解可以服務新冠病毒檢測等需求上——只要對某個公共場所進行檢測，就可以實時監(jiān)測該空間是否存在新冠病毒；只要有新冠病毒就能第一時間檢測到。這一技術(shù)是基于分子對分子的識別，特異性很好，只針對某種檢測對象?！?/p>

宰建陶給學生上設(shè)計性試驗討論課

兩課題組進行討論

再度合作促雙碳，交叉課題需滋養(yǎng)

知道本次采訪的重點之一是了解交叉學科互補合作的事，建陶又說了他和陶飛的第二個合作課題：電驅(qū)動微生物固定碳。陶飛課題組培養(yǎng)的一種菌可以“吃”二價鐵，“吐”出三價鐵?！疤绽蠋焼栁矣袥]有可能使三價鐵還原成二價鐵，這樣的話就可以為細菌供能，實現(xiàn)持續(xù)的繁殖和生長?！边@種菌從空氣中吸收二氧化碳來合成自身所需的代謝生物質(zhì)。通常需要不斷地投入化學能量（硫酸亞鐵）來維持細菌的繁殖和生長。“現(xiàn)在我們使用電化學方法可將細菌吐出來的三價鐵還原為二價鐵，就可以通過電驅(qū)動，使這種菌不間斷地繁殖生長，實現(xiàn)碳固定、碳捕集，并將其轉(zhuǎn)化為高級的生物質(zhì)?！彪婒?qū)動細菌固碳的意義在于可以利用光伏和風電產(chǎn)生的綠電驅(qū)動微生物細胞直接去固定空氣中的二氧化碳，與基因和代謝工程配合可以進一步生產(chǎn)一些有用的化合物。這個合作工作兩人在2019—2020年就完成了，當時他們并沒有申請經(jīng)費，而是利用雙方已有的課題資源和科研積累，歷時兩年不斷磨合完成。論文投到《自然-可持續(xù)發(fā)展》雜志，但審稿人說無法判斷先進性，難以找到相應的審稿人。后來這篇論文被美國化學會主辦的《可持續(xù)化學與工程》雜志接受了。“反過來說，我倆的這個工作如果能有穩(wěn)定的支持，穩(wěn)定做下去相信會有更好的結(jié)果?！苯ㄌ照f他這些年來從事交叉學科研究的一個深切感悟是：一個新的交叉方向要從小到大成長起來是需要滋養(yǎng)的，包括時間、精力、資金上的投入。他們的這一課題從生物、化學、物理原理上為碳的固定捕獲提供了科學可行性的支撐?！艾F(xiàn)在講雙碳，如果沒有類似創(chuàng)新的技術(shù)與途徑是很難做到的，甚至是不可能的?！?/p>

陶飛篇

喜好觀察好動手，7歲能“修”拖拉機

陶飛1983年生于安徽宿州。父母均務農(nóng)，父親還祖?zhèn)髁暤靡婚T木匠手藝?！案氐睦缭谀窘郴钪惺枪J的高難度手藝活，只有我爸能做，他做的犁用來耕地省力，甚至周邊幾個縣都有人慕名而來?！北M管這一絕活隨著拖拉機時代到來慢慢失傳，但說起父親的木匠活，陶飛印象深刻：“從小我就是父親的幫手，幫他拉鋸，鉆孔時拉鉆，耳濡目染。我自己也能干一點小木匠活，比如三四年級時就用木頭做成了一個可以打開的儲蓄罐。當時我也是偷偷學偷偷干，父親不支持我，要我多讀書。但父親看到我做的小儲蓄罐蠻像樣的，也很欣慰。這些兒時習得的能力與后來自己動手做實驗裝置很有關(guān)系。”說起兒時生活和能力的培養(yǎng)，陶飛說自己小時候特別喜歡觀察?！靶r候沒有見識過拖拉機、汽車，一聽到拖拉機進村就會追著拖拉機跑，只要拖拉機一停下來就會圍著看，看它的輪子、馬達，有機會就爬上去坐一坐?！碧诊w大約7歲時，家里買了拖拉機，這可把他樂壞了，看了一遍又一遍，幾乎把它的結(jié)構(gòu)都記了下來。有一次家里的拖拉機出了故障，請了師傅來修，但修了半天還是不能開，師傅也找不出原因。師傅走后，陶飛跑過去對爸爸說可能是離合器裝反了，上次看到的不是這樣的。陶爸死馬當活馬醫(yī)，父子倆拆下來一試，果然裝反了。“這也是我的觀察能力幫了忙，如果沒有這種能力，科研中很多事就會做不好?！?/p>

瀕死體驗促頓悟，偏科少年成學霸

但是這種可貴的觀察能力、動手能力沒給剛上學的陶飛帶來好處，相反，因為花了太多時間玩，不喜歡做作業(yè)，他上學后的成績一直不好，最差的時候是在班里倒數(shù)第三名，老是挨老師批評，家人都認為他不是讀書的料。但是，不愿意循規(guī)蹈矩學習的陶飛卻喜歡擺弄各種機械，喜歡玩自行車，拉煤的平板車都會成為他喜歡玩的對象。兩個姐姐的物理課本他看后覺得好玩，課本上講到電動機怎么運轉(zhuǎn)馬上吸引了他，他就想手工去做電動機——按照書本的講解把電器上的銅絲拆下來繞線圈做電動機。而當時家里人對他熱衷動手都是反對的，在不少人眼里，陶飛就是一個不好好學習的學渣，甚至當時所有的老師同學都認為這個孩子日后難以在學習上有什么出息。這種狀態(tài)一直維持到初一。

初二時，學校開了陶飛喜歡的物理課。這些物理課本上的內(nèi)容陶飛都看過，一考試就感覺這些題目都會做，他的物理成績居然是全班一二名。班主任像是發(fā)現(xiàn)了人才。但是班主任對他說只是物理好，其他科目這么差是不行的。后來發(fā)生的一件事深深觸動了陶飛，他痛下決心，決定學好其他課。初二的暑假，有一次陶飛在村里的池塘里玩水，池塘底部有很多取土留下的深坑，陶飛腳一滑就陷到坑里，周圍也沒有可以攀援的東西，腳不著地，感覺身子在下沉，拼命想呼救但一緊張已經(jīng)叫不出聲，只是手還在拼命動，也就幾秒鐘水就沒過他的頭。這是瀕臨死亡的一瞬，那種無助絕望的感覺令他至今歷歷在目。幸好當時不遠處有一位成年人發(fā)現(xiàn)了他，并把他救了上來?！斑@幾秒鐘里于我像是跨越了陰陽兩個世界?！边@次“死而復生”的經(jīng)歷讓陶飛突生一種頓悟——死亡離一個人并不遠。他想起了爺爺和老師的話，要么做木匠，要么下決心好好學習。他從那天起內(nèi)心突然生出了一種悲壯的情緒——人活在世上，時間非常有限，要做有意義的事?！耙惨驗樵谒劳鲞吘壣隙毫暨^，我便生出了一種不怕死和敢拼的勁頭，愿意不計代價、不考慮回報地去付出努力。”從那以后陶飛就像換了一個人，他用自學的方式把初一、初二的語文課本都重新學了一遍，初一到初二的英語課本也都重新背過，而這兩門課是他當時最差的。“那段時間經(jīng)常學到凌晨兩點，然后早上七點起床上學。除了刻苦努力，方法上也有一些改進，如每天寫日記、與同桌進行背書比賽等?！被苏荒陼r間，陶飛把前面兩年的課惡補回來，原來一年用不完一支筆芯，最后一年用了幾十支，成效非常明顯，初中的畢業(yè)考試考了全鄉(xiāng)第一名，上了縣城的省級示范中學。這種不松懈的狀態(tài)一直維持到高中，高中也一直保持著班級前幾名。

高考時，陶飛身體狀況不好，考完試當晚就發(fā)高燒到42度。盡管最后分數(shù)超過了重點線，但是離陶飛理想中的中國科技大學還有距離，考慮到家庭經(jīng)濟等原因，他最后選擇了山東大學，被生命科學學院制藥工程專業(yè)錄取。

老師校車一番話，改變陶飛人生路

陶飛與宰建陶合作做實驗

陶飛在山東大學讀了9年，從本科到博士畢業(yè)。本科的專業(yè)偏藥學，大三時他進了許平老師的實驗室。之前有一次在校車上，有一位女老師與陶飛聊天時提醒他現(xiàn)在起就要考慮今后要做什么，不能只是埋頭讀書。陶飛至今很感激這位老師的點撥，這也是他大三就進實驗室的原因。初進實驗室的陶飛，滿眼看到的都是神奇的東西，眼界大開。許平老師讓他跟著學做燃油生物脫硫的實驗，這也成了他博士階段的研究課題。大四畢業(yè)時，陶飛就取得了創(chuàng)新的階段性成果，博二時在領(lǐng)域內(nèi)主流雜志發(fā)了文章，拿了獎學金。陶飛說許平老師很開明，給了非常大的自由度，他嘗試做了很多基因組操作相關(guān)的挑戰(zhàn)性課題。盡管這些探索大都沒有結(jié)果，但卻從中積累了不少方法，也了解了學科前沿。陶飛是幸運的，他讀博的那幾年正是合成生物學處在孕育突破的前夜。陶飛那些天馬行空的探索性工作也為他以后進入這個領(lǐng)域打下了基礎(chǔ)。2007年，許平老師作為微生物領(lǐng)域的知名科學家被上海交大引進，需要在交大建立新的學科方向，陶飛作為許平團隊主要成員，在博士畢業(yè)后，也就是2010年，跟著許老師入職上海交大。

智能代謝重編程，關(guān)鍵時刻獲“星”助

來交大后，許老師就以陶飛為助手建立了工業(yè)微生物-合成生物學方向。陶飛2011年拿到了國家自然基金委的青年項目，這也是基金委支持的第一批合成生物學的方向。陶飛當時的方向就是改造微生物用于生產(chǎn)各種化合物，也就是現(xiàn)在說的“細胞工廠”。其中改造光合藍細菌以光能和二氧化碳生產(chǎn)各種有用化合物的內(nèi)容就是現(xiàn)在比較熱門的“光驅(qū)動細胞工廠”方向。要設(shè)計細胞使其合成化合物最大的障礙就是細胞的代謝網(wǎng)絡(luò)過于復雜，其復雜程度不亞于人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但是現(xiàn)有的認識十分有限，想要理性干預細胞代謝網(wǎng)絡(luò)幾乎無從下手，且工作量非常大。在沒有方法上的突破前，只能不斷通過試錯來慢慢摸索。做了幾年，到2014年，陶飛團隊就提出能否換一種思路，找出代謝網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵“敏感點”，通過敏感點的干預和智能的設(shè)計來操縱代謝網(wǎng)絡(luò)。這樣就提出了一種智能代謝重編程的概念，團隊以此做嘗試，并完成了一些比較成功的工作。2017年末，為了繼續(xù)推進智能代謝重編程方向，陶飛申請了啟明星課題，并于2018年獲得了資助，支持他在這個方向繼續(xù)探索。“這個40萬的啟明星項目對我們這些高校年輕教師而言特別可貴，它能讓我定下心來，也逼著我去把好的想法一步一步做下去。正是有了啟明星計劃的牽引，我才能在這個方向上繼續(xù)做系統(tǒng)的工作。后面以這個方向的研究為基礎(chǔ)，2019年我又申請到國家重點研發(fā)計劃青年科學家項目，2020年申請到青年長江學者獎勵計劃。”陶飛告知，解析細胞代謝網(wǎng)絡(luò)的工作仍在推進中，并且已開始和人工智能合在一起。代謝網(wǎng)絡(luò)可以看成一個超級復雜的黑箱，解決黑箱問題正是人工智能所擅長的工作。有了人工智能的加持，也許可以在不詳細了解代謝網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部機制的情況下，預測和判斷給定條件下代謝網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，比如產(chǎn)物濃度、生產(chǎn)效率等。盡管現(xiàn)在還在過程中，但陶飛認為已經(jīng)離破解細胞代謝網(wǎng)絡(luò)之謎不遠了。

MIT受訓得啟示，學科交叉奠基礎(chǔ)

在交大工作的過程中，陶飛在2013年曾去麻省理工媒體實驗室比特原子中心做了一年訪問學者，參與了蛋白質(zhì)工程和提高蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的膜蛋白工作。MIT的媒體實驗室是世界知名的交叉學科研究先驅(qū)，計算機、互聯(lián)網(wǎng)、機器人、生物、藝術(shù)等學科在這里都可以做大跨度的融合。實驗室的開放式設(shè)計及獨居匠心生活區(qū)布置非常方便研究人員交流探討。也是在那里陶飛的學科交叉的思想被進一步訓練激發(fā)出來。2014年回到交大后，他就想做一些跨學科的探索但一直找不到合作機會。2018年國外有學者提到過半導體合成生物學的概念，陶飛馬上意識到做生物傳感——特別是氣味傳感——是切入半導體合成生物學的契機，恰好當時在啟明星頒證交流會上遇到做納米技術(shù)研究的宰建陶星友，就開啟了合成生物學與納米學科交叉的研究歷程。

陶飛在MIT

采訪至此，兩位星友的成長經(jīng)歷各有曲折而至柳暗花明的精彩章節(jié)，并殊途同歸形成共識：欲在原有基礎(chǔ)上破瓶頸須走學科交叉之路。正所謂：兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)疑無路，星友聚會賜機緣；學術(shù)探究重重障，曲徑探幽賴交叉。既已破題，本次采訪由此進入兩位星友的交叉合作篇。