冷凍電鏡在新科研領(lǐng)域的拓荒人
——記南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院講席教授廖茂富

譚 凱

廖茂富

如果說(shuō)人體是一臺(tái)精密的儀器，那么疾病就是出現(xiàn)的故障。人類追求健康，卻擺脫不了疾病的存在。

以前，古人認(rèn)為人以天地之氣生，四時(shí)之法成，人體失序，叫作疾病。氣是健康的本質(zhì)和基礎(chǔ)，人體內(nèi)陰陽(yáng)二氣和諧，就是健康的狀態(tài)。

隨著科技的迅猛發(fā)展，科學(xué)家如何更深層次地了解人類疾病的發(fā)生機(jī)理及過(guò)程？對(duì)此，《科學(xué)中國(guó)人》采訪了南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院講席教授、博士生導(dǎo)師廖茂富。

“以現(xiàn)在人們關(guān)注的新冠病毒為例，病毒的整個(gè)侵染過(guò)程是這樣的：病毒表面的一個(gè)蛋白結(jié)合到人細(xì)胞表面的一個(gè)受體蛋白。這種特異性的結(jié)合導(dǎo)致侵染過(guò)程非常有效。”廖茂富介紹，如今，科學(xué)家們可以從分子水平去理解疾病。人、動(dòng)物、植物甚至微生物，主要有幾種大分子：蛋白質(zhì)、核酸、脂類還有糖類。分子通過(guò)不同的方式組合在一起，產(chǎn)生各種生命功能。

那么如何才能看到這么微小的東西呢？一個(gè)非常簡(jiǎn)單的想法，就是用放大鏡。放大鏡的倍數(shù)越高，看到的就越詳細(xì)。冷凍電鏡就是一種倍數(shù)非常大的放大鏡，通過(guò)它就能直接看到分子甚至原子水平的細(xì)節(jié)。基于此，人們不但能理解疾病發(fā)生的過(guò)程，而且可以想辦法阻斷這個(gè)過(guò)程。

廖茂富的研究工作就集中在發(fā)展冷凍電鏡應(yīng)用方法學(xué)，以及結(jié)合生物電鏡和其他方法來(lái)深入研究與人類健康和疾病相關(guān)的生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能上。他在一系列科研領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，作為通訊作者在《自然》《科學(xué)》《細(xì)胞》等國(guó)際著名期刊上發(fā)表了多篇重量級(jí)文章。

對(duì)蛋白研究的興趣不減

廖茂富本科時(shí)是在清華大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)系學(xué)習(xí)，在大學(xué)四年級(jí)開始正式接觸生物科研。當(dāng)年他在陳應(yīng)華教授課題組的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，是研究人類免疫缺陷病毒（HIV）侵染細(xì)胞所使用的蛋白及其構(gòu)象變化，以及如何用免疫的方法來(lái)阻斷這個(gè)過(guò)程。

愛因斯坦醫(yī)學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室研究的重點(diǎn)也是蛋白的構(gòu)象及其機(jī)制。“主要的工作思路是使用生化的方法來(lái)研究病毒表面的膜蛋白，想要搞明白它怎么通過(guò)改變構(gòu)象來(lái)侵入目標(biāo)細(xì)胞。”廖茂富說(shuō)，這正是他感興趣的研究方向，因而沉下心來(lái)一直在那里學(xué)習(xí)。幾年下來(lái)，不論是在生物化學(xué)研究還是在病毒學(xué)研究方面，廖茂富都得到了良好的訓(xùn)練，并于2006年獲得博士學(xué)位。

博士畢業(yè)后的廖茂富還是對(duì)蛋白的結(jié)構(gòu)構(gòu)象和它的功能很感興趣，不同的是，此時(shí)的他想嘗試用另外一種方法——解析結(jié)構(gòu)來(lái)研究這些問(wèn)題。他覺得結(jié)構(gòu)的方法是研究這些問(wèn)題的終極方案，因?yàn)橛眠@種方法能看到最精細(xì)的機(jī)制。而令廖茂富犯難的是，該學(xué)習(xí)哪種技術(shù)來(lái)研究蛋白的結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)生物學(xué)有三大支撐技術(shù)，即X 射線晶體學(xué)、核磁共振和冷凍電鏡。在當(dāng)時(shí)已解析的1000多種膜蛋白結(jié)構(gòu)當(dāng)中，90%以上都來(lái)自X射線晶體學(xué)，核磁共振在小分子量的蛋白結(jié)構(gòu)解析中也發(fā)揮了重要的作用。傳統(tǒng)上，冷凍電鏡因其分辨率難以提升，一直是這三大技術(shù)中最弱的一個(gè)。

這種情況下，那時(shí)擺在廖茂富眼前的有兩條路：一條比較明確，就是學(xué)習(xí)當(dāng)時(shí)最普及的技術(shù)，即用晶體學(xué)的方法來(lái)做高分辨結(jié)構(gòu)；另一條路不太明確，就是用冷凍電鏡技術(shù)。“當(dāng)時(shí)的冷凍電鏡技術(shù)在解決蛋白問(wèn)題方面，其實(shí)還存在很大的不足。”廖茂富說(shuō)，但是和X射線晶體學(xué)相比，冷凍電鏡所需的樣品量極少，也無(wú)需生成晶體，特別是在研究動(dòng)態(tài)的蛋白方面有它潛在的優(yōu)越性，只是分辨率非常低。

不確定性往往也意味著更大的發(fā)展空間。“最后還是冷凍電鏡技術(shù)的可能性吸引了我。”廖茂富最終選擇學(xué)習(xí)冷凍電鏡技術(shù)，此后，他的所有研究都與這項(xiàng)技術(shù)相關(guān)。

解析重要生物大分子引發(fā)震動(dòng)

認(rèn)準(zhǔn)一個(gè)方向就一直深入研究下去，許多成功的科學(xué)家都具備這種鍥而不舍的精神。廖茂富也是如此。為了用冷凍電鏡技術(shù)研究蛋白，他經(jīng)過(guò)一番考察后選擇了美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校程亦凡教授的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行博士后研究，因?yàn)檫@里的研究重點(diǎn)正好與他的興趣點(diǎn)相吻合。

“前幾年，基本上都是在練習(xí)使用冷凍電鏡和測(cè)試不同的圖像處理方法來(lái)解析各種蛋白的電鏡結(jié)構(gòu)。目標(biāo)是高分辨，可結(jié)果一直與高分辨有相當(dāng)?shù)木嚯x。然而，正是這段不斷失敗的日子，給了我很多的時(shí)間去打磨各種工具和思路。”廖茂富說(shuō)，直到第5年的時(shí)候，電鏡方法迎來(lái)了革命性的發(fā)展，他的研究也因此取得了重大突破。

那是2013年，程亦凡團(tuán)隊(duì)和其他課題組合作，用電子直接探測(cè)相機(jī)提高了冷凍電鏡的分辨率。這在當(dāng)時(shí)還是沒有引起很多人的重視，尤其是做晶體學(xué)研究的人，因?yàn)樵谒麄兛磥?lái)，核糖體可以結(jié)晶，蛋白酶體也可以結(jié)晶，但是膜蛋白，比如TRP通道整個(gè)蛋白家族，還沒有任何蛋白的晶體結(jié)構(gòu)得到解析。十幾年來(lái)，世界上很多晶體學(xué)實(shí)驗(yàn)室都在這個(gè)上面花費(fèi)了大量的精力和科研經(jīng)費(fèi)，卻沒有結(jié)果。恰在此時(shí)，新一代的電子直接探測(cè)相機(jī)在加州大學(xué)舊金山分校進(jìn)行研發(fā)和測(cè)試，而廖茂富正好有一個(gè)合適的研究項(xiàng)目，因此成為這個(gè)設(shè)備最早的使用者之一。2013年年底，廖茂富與合作者應(yīng)用新的電子探測(cè)技術(shù)，以近原子分辨率（3.4埃）確定了在疼痛和熱知覺中起中心作用的一種膜蛋白——T R P V1的結(jié)構(gòu)，證實(shí)冷凍電鏡技術(shù)能夠解析重要大分子的結(jié)構(gòu)。文章發(fā)表在《自然》雜志上，立即引發(fā)震動(dòng)。

重視實(shí)驗(yàn)考查，突出學(xué)科特色。生物是一門實(shí)驗(yàn)性學(xué)科，考生需具備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)及得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的能力。29題、32題均明顯考查了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2013年，程亦凡（右一）和朱利葉斯（左一）研究組用冷凍電鏡首次得到了膜蛋白TRPV1接近原子級(jí)別高分辨率（3.4埃）三維結(jié)構(gòu)。論文另兩位作者為操二虎（左二）、廖茂富（右二）

TRPV1單顆粒電鏡結(jié)構(gòu)的獲得給結(jié)構(gòu)生物學(xué)帶來(lái)了很大的沖擊：用X光晶體衍射法無(wú)法得到的晶體結(jié)構(gòu)，冷凍電鏡不需要結(jié)晶卻做出來(lái)了。廖茂富他們的成功，讓全世界的研究人員開始重新審視冷凍電鏡技術(shù)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中的重要作用。不僅如此，除了一大批生物學(xué)家開始利用冷凍電鏡研究分子生物學(xué)問(wèn)題外，數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的科學(xué)家也著手研究冷凍電鏡的圖像處理和自動(dòng)化問(wèn)題，化學(xué)家則著重研究新的樣品制備技術(shù)，物理學(xué)家又開始了新的征程，研究更深層次的電子成像方法和技術(shù)。

多年后，程亦凡還這樣評(píng)價(jià)廖茂富：面對(duì)困難，他從來(lái)沒有放棄過(guò)。在長(zhǎng)期艱苦的工作中，他積累了很多經(jīng)驗(yàn)。也正是因?yàn)檫@些長(zhǎng)期積累，等到時(shí)機(jī)成熟，才能一下子水到渠成。

解析脂多糖助力藥物研發(fā)

2014年，廖茂富加入美國(guó)哈佛醫(yī)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)系任助理教授，2018年任副教授。在這里，他組建了自己的實(shí)驗(yàn)室。截至目前，他已發(fā)表論文47篇；且作為通訊作者發(fā)表論文18篇，其中11篇發(fā)表在《自然》、《科學(xué)》及《細(xì)胞》等期刊上；更值得一提的是，課題組內(nèi)已產(chǎn)生7名獨(dú)立科研助理教授（PI），他們的足跡涉及美國(guó)、中國(guó)和新加坡。

“一方面是我在博士后期間所接受的電鏡訓(xùn)練，另一方面是我在博士期間所接受的生物化學(xué)方面的訓(xùn)練，這兩個(gè)結(jié)合起來(lái)使得我有很多獨(dú)特的想法可以在自己的實(shí)驗(yàn)室去實(shí)現(xiàn)。”廖茂富說(shuō)，生物科研基本上是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的科學(xué)，科研思路在很大程度上取決于科學(xué)家能使用（或者習(xí)慣使用的）的實(shí)驗(yàn)方法。因此，他的研究還是集中在自己感興趣的方面——用冷凍電鏡研究蛋白的結(jié)構(gòu)和機(jī)理。長(zhǎng)時(shí)間的科研訓(xùn)練讓廖茂富厚積薄發(fā)，每隔幾年總能發(fā)表一些重要文章。

“冷凍電鏡有了革命性發(fā)展之后，我看到了它的潛力。我覺得它可以用來(lái)研究蛋白和脂分子之間的作用，這在過(guò)去是非常難的。”此時(shí)廖茂富讀博士時(shí)期生物化學(xué)方面的訓(xùn)練讓他產(chǎn)生了獨(dú)特的想法，他注意到了革蘭氏陰性細(xì)菌表面的脂多糖。

革蘭氏陰性細(xì)菌是最難對(duì)付的耐藥性病原體之一。在過(guò)去的50年里，沒有一種新型的抗生素可以用于臨床治療革蘭氏陰性細(xì)菌。消滅革蘭氏陰性細(xì)菌的難點(diǎn)，是這些細(xì)菌具有雙重脂膜：在常規(guī)的細(xì)胞質(zhì)膜（內(nèi)膜）之外，它還有一個(gè)特殊的外膜。外膜的外側(cè)含有大量緊密排列的脂多糖。脂多糖的存在使得外膜成為一道嚴(yán)密的屏障，將絕大部分對(duì)細(xì)菌有害的物質(zhì)（包括各種抗生素）拒之門外。但是沒有任何已有的結(jié)構(gòu)可以解析出脂多糖。因此，脂多糖是怎么合成的、如何運(yùn)轉(zhuǎn)、該怎么阻斷它的合成，這些問(wèn)題一直是領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

南方科技大學(xué)高端冷凍電鏡“南山”的內(nèi)部圖

2017年9月和2019年3月，廖茂富及其團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表兩篇長(zhǎng)文，解析了大腸桿菌轉(zhuǎn)運(yùn)脂多糖的兩個(gè)關(guān)鍵膜蛋白復(fù)合體（MsbA和Lpt）的一系列冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，闡釋了完整的內(nèi)膜復(fù)合物是如何準(zhǔn)確識(shí)別脂多糖，以及如何產(chǎn)生特定的構(gòu)象變化來(lái)將ATP水解和脂多糖轉(zhuǎn)運(yùn)耦合在一起。這是脂多糖的精細(xì)結(jié)構(gòu)在被轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程中，第一次以近原子分辨率被觀測(cè)到，展示了轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白精確識(shí)別和高效運(yùn)輸脂多糖的出人意料的工作機(jī)制。

有人預(yù)測(cè)，廖茂富的研究揭示了脂多糖的合成和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，接下來(lái)就可以指導(dǎo)開發(fā)出新型的抗生素來(lái)直接攻擊革蘭氏陰性細(xì)菌外膜的合成，對(duì)外膜的破壞將會(huì)顯著提高各種抗生素的有效性。2021年10月，廖茂富及其團(tuán)隊(duì)又利用單顆粒冷凍電鏡和功能測(cè)定，揭示第一代MsbA小分子抑制劑（T B T1和G化合物）的不同作用機(jī)制。這一重要成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，引起了不小的震動(dòng)。考慮到這兩類小分子抑制劑目前的臨床應(yīng)用仍存在嚴(yán)重缺陷，而且T BT1僅對(duì)鮑曼不動(dòng)桿菌的MsbA起作用，他們這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作，為進(jìn)一步開發(fā)靶向MsbA的新型抗菌藥物指明了方向，也為這個(gè)蛋白所在的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族的藥理學(xué)提供了重要見解。

做中國(guó)自己的前瞻性研究

2022年7月，廖茂富全職回國(guó)加入南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院。從國(guó)外到國(guó)內(nèi)，看上去只是工作地方的轉(zhuǎn)換，但對(duì)廖茂富來(lái)說(shuō)，他其實(shí)是在尋找冷凍電鏡的下一個(gè)突破口。

“在科研上，如果用舊工具研究新問(wèn)題，往往會(huì)有很大的空間。但是如果要用新工具來(lái)研究很多人都還想不到的問(wèn)題，這個(gè)就很難。”廖茂富坦言，他選擇回國(guó)的一個(gè)重要原因，就是想尋找推動(dòng)生物電鏡技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的科研空間。冷凍電鏡這個(gè)科研設(shè)備比較昂貴，一臺(tái)好的冷凍電鏡價(jià)格超過(guò)700萬(wàn)美元，每天的運(yùn)行成本也需要數(shù)千美元。而這樣的電鏡在南方科技大學(xué)卻有多臺(tái)。“這種規(guī)模的配置在世界上都是罕見的，它的潛力巨大，能做成許多其他小電鏡平臺(tái)做不成的事情。”

冷凍電鏡作為一種昂貴的結(jié)構(gòu)生物學(xué)工具，傳統(tǒng)上會(huì)更多地關(guān)注一些早已被驗(yàn)證其重要性、結(jié)構(gòu)被長(zhǎng)期關(guān)注和期待的科研問(wèn)題。廖茂富覺得，中國(guó)的電鏡科研要往前發(fā)展，走出自己的路子，需要敢于面對(duì)出現(xiàn)時(shí)間不長(zhǎng)的（或者還沒有完全顯現(xiàn)的）前沿問(wèn)題做前瞻性的研究。這些往往是大多數(shù)人基于舊方法而認(rèn)為不可能的研究。因此，一加入南方科技大學(xué)，廖茂富就開始“招兵買馬”，組建自己的實(shí)驗(yàn)室，以期盡快投入“新問(wèn)題”的研究中。

一切似乎又回到了當(dāng)初在哈佛組建實(shí)驗(yàn)室時(shí)的狀態(tài)，只不過(guò)這次廖茂富有了清晰而凝練的3個(gè)努力方向：發(fā)展生物電鏡方法學(xué)以開拓新的科研領(lǐng)域，揭示生物大分子運(yùn)作的精細(xì)機(jī)制，使用生物的結(jié)構(gòu)和機(jī)制信息來(lái)革新醫(yī)療手段。他希望基礎(chǔ)科研、工業(yè)界和醫(yī)療領(lǐng)域的專業(yè)人士都以更開放的心態(tài)來(lái)考量電鏡的巨大潛在價(jià)值和深遠(yuǎn)的學(xué)科影響。放眼未來(lái)，廖茂富尤其期待看到高分辨生物電鏡與創(chuàng)新藥開發(fā)管線更深度的融合，以及電鏡技術(shù)與生物、非生物各領(lǐng)域溝通碰撞產(chǎn)生更多新思路的火花！