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白蕊:攢下勇氣,翻過科學更高的山

2024-02-01 16:10:11施晶晶
南風窗 2024年1期
關鍵詞:科學結構

施晶晶

在文字回復里,白蕊發來了三次“嘿嘿~”,顯得親切快活;到了鏡頭前,她就有些局促,不知道手往哪里放才好;但講起自己的研究,在流利的表達里,她又恢復了自信和從容。

許多時候,你都能在白蕊身上感受到青年給科學增添的朝氣和純真。

最讓人艷羨的是,31歲,她已經在《科學》《細胞》上以第一作者的身份發表了10篇論文。在十年磨一劍的科學領域里,這是驚人的速度。

這些研究是突破性的,它揭開了RNA剪接體的工作機理,為探究生命科學之中心法則的奧秘開出了一條通道,把基因表達的研究推進了一步,白蕊由此成為聯合國授予的“世界最具潛力女科學家”—她是如此年輕又成績斐然。

2023年12月,她把櫻桃小丸子發型燙成了更顯成熟的卷梨花,似乎更匹配她的新角色。現在,她不只是實驗室里的師妹或師姐,還是逐漸獨當一面的老師、西湖大學的副研究員。

在西湖大學的日子,她為擁有充分的自由而歡喜。沒有行政事務纏身,她可以自由地探索,自由地做實驗驗證猜想—她前所未有地舒展著自己。

這不是故事的起點。羽翼豐滿、豁然開朗之前,白蕊也局促過、懷疑過、怯場過。初入清華,師從結構生物學家、中國科學院院士施一公,她沒有“天之驕子”的感受,形容自己“是一個小白”,這并非謙虛之詞。

即將講述的,不是一個“年少成名”的故事,而是一個年輕人破繭而出、舒展自我,在科學道路上,探尋生命本質的歷程。

科學探索,就像進入一個未知的洞穴,那是一條少有人走的路,而科學家,是秉燭而入的探路者。

蹚入生物學的山洞,白蕊是被“誘惑”著、吸進來的。

初高中的生物課,向她展示著生命的神奇。爸爸媽媽的基因為什么可以遺傳到孩子身上?小小的胚胎干細胞怎么神通廣大,可以誘導分化成不同的細胞,在該長出手腳的時間和位置長出來,形成健全的個體?同樣是溫度變化,為什么樹葉只在秋天變黃落下,春天就不會?

為了更進一步探究這些問題,她報考了武漢大學,選了生物學。在這里,她發現,高中之前的生物課,是有多么亂花漸欲迷人眼,“濃縮了生物里面最有意思的部分給大家學了”。本科再往前走,就展開了一個龐大的知識體系,術語也變得更生澀和復雜。

讓她頭疼的是,自己要像背單詞一樣,去記“界門綱目科屬種”,在“考得好不好,全憑背得好不好”的狀態里,她感到疲倦。葉子秋天變黃脫落的現象,詳盡地拆解成了一個長長的記憶段落,但成績排在專業第一的她還是覺得自己似懂非懂。

如果說做學問的第一重境界,是“望盡天涯路”,白蕊感受到的卻是,知識像碎片一樣,孤零零地散落一地,沒有打通。

她幫師兄做“質粒小提”實驗,多的時候,一天要做四五十次。她機械式地重復“培養、純化、提取”的動作,卻不明白它具體做什么用。師兄給她做過解釋,她還是稀里糊涂,那沒有激發她的興趣,只是變成了一個任務。

陷入落差感時,她想起了填報高考志愿時來自高中生物老師的提醒:大學所學的生物更微觀,和高中所學有很大區別,它可能不那么生動有趣,甚至很枯燥。而大學的任課老師開導她:如果你不了解它的全貌,會誤導你的判斷,得出并不準確的結論。

消除意義焦慮需要一個契機,白蕊通向科研的一躍,從一場講座開始。

大三那年,結構生物學家施一公做客武大,那場題為《生命科學、藝術與結構生物學》的演講,給了她看待生物學不一樣的視角。

在施一公的展示和描述里,生命不可或缺的蛋白質,它的晶體結構很漂亮,有時華麗得就像孔雀羽毛。白蕊從沒這么想過。在此之前,這些只是教科書上平平無奇的棍棒模型。施一公又展示,利用X射線在晶體結構上發生衍射(注:波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象)的特性,就能像變魔方一樣重構出新的蛋白質結構。10年后再次回想,白蕊依然覺得“很神奇”。

在施一公的講述里,她感受到的不僅僅是蛋白質結構的美妙和神奇,或者結構對生命的重要意義,她還看到一種將知識融會貫通的狀態,那正是當時的她不具備的能力。

施一公的研究課題,和人類重大疾病相關,疊加他極富激情和感染力的個人魅力,坐在地上聽講的白蕊隱隱約約找到了方向,“這才是我想要做的事情”。

2014年,在拒絕了多所高校和科研院所的offer,經歷了清華夏令營落選、意外獲得推免資格之后,白蕊如愿進入施一公的實驗室,直接攻讀博士的同時,開始接觸真正的科研。

至此,白蕊完成了科研方向的選擇,但那只是起點,因為科學探索圍著問題轉。

生命的奧秘寫在DNA里,決定了一個人的生物特質。但就像電影底片需要放映才能呈現在我們眼前,DNA也像個存儲器,它需要層層傳遞和處理,才能把信息表達出來。

DNA會轉錄生成RNA,把信息提取出來,再接力傳遞給蛋白質來翻譯和解碼,執行生命活動。在多元到極致的生物學里,很少有什么定理或法則,但“遺傳信息的傳遞”是個例外,它太重要了,由此成為分子生物學的“中心法則”。

在“DNA—RNA—蛋白質”構建的關系里:從DNA傳遞到RNA,關鍵物質是RNA聚合酶,從RNA到蛋白質,依賴于核糖體,科學家很早就解析了二者的結構,兩項研究也在2010年之前獲得了諾貝爾獎,但中心法則中的另一重要角色—RNA剪接體,因其復雜不穩定的結構變化,科學家始終沒能解析出來。

RNA剪接體就像遺傳信息的剪輯師,負責把有用的非連續的DNA信息片段剪接在一起—這是一個自然的過程,但是個精細活兒。但凡它剪接出了一絲差錯,都可能誘發癌癥或罕見病,而要想治療這些疾病,就得從源頭找突破口,弄清楚“RNA剪接體”長什么樣子,怎么工作,剪接錯誤具體出現在哪個位置—這也是施一公實驗室研究的一個課題。

2015年,進實驗室差不多1年,聽到自己能加入“RNA剪接體”課題組,白蕊很開心,下一秒又忐忑。要研究的問題這么難,國外又有3個課題組同時緊盯,前有險峰,后有追兵,她覺得自己有點趕鴨子上架。

初生牛犢,怕虎是常態。組會上,施一公的一番話轉變了她暗自畏難的觀念。她轉述道:清華這么好的平臺、資源和環境,國家來培養你們,如果連挑戰難題的勇氣都沒有,那你們來清華要做什么課題呢?有這么好的機會就把它利用好,做一些重要的東西出來。

在施一公的話里,白蕊第一次強烈感受到一種她以往不曾感受到的使命感、敢于挑戰的勇氣。

白蕊說,自己在清華學到的、很重要的一件事,是勇敢:“不管它是什么山,要有勇氣去翻翻,翻不過也就翻不過,要是想辦法翻了過去,你就有更高的山,看見不一樣的景,那是不一樣的。”

科學的世界里有很多山頭,白蕊又想起施一公的另一句激勵:“我們要做就做世界級難題。”

“世界級難題”的標簽下,白蕊覺得,有時人們顛倒了“重要性”和“難度”的順序:“其實第一個還是要看它多重要,再從里面看難度……有時一個課題特別難,但它其實沒有那么重要。”而科學家的勇氣,體現為:在重要問題上,為尋找突破性發現而努力。

你要研究什么問題?這是每一個科研人最現實的選擇,問題的重要性,也決定了一個科學家能走多遠。找科學問題,就像找對象,在重要性和難度之間,往哪一邊傾斜,是做開拓者,還是錦上添花,是當成任務還是真的心動,帶來不一樣的體驗。

研究RNA剪接體的工作機理,既重要,也有難度。但2013年,冷凍電鏡技術的突破,為結構生物學帶來了跨越式的變革。客觀上,技術進展助推了RNA剪接體的研究,而在此之前,團隊對這一課題的堅持和積淀也不能忽視。他們才能比同樣虎視眈眈的另外3個實驗室更早拿出成果,揭開剪接體催化RNA剪接的過程,并捕獲和解析RNA剪接體8個完全組裝狀態的高分辨率結構。

《麻省理工科技評論》指出,在人體細胞中,95%的基因需要被剪接,至少35%的遺傳紊亂和眾多疾病與剪接異常相關,而剪接體的組成成分包含300多個蛋白質,其完成一次RNA剪接至少包含8個完全組裝的工作狀態。對于剪接體結構及RNA剪接分子機理的研究,是生物學最基礎的問題,也是治療相關疾病的重要一步。

科學突破的意義不是孤立和單一的,它可能同時解開多個謎題。

在此之前,結構生物學家也想知道,剪接體的形態復雜多變,它究竟有沒有支撐這些變化的反應中心?這個問題多年來沒有定論,科學家既不知道這個中心長什么樣,有的甚至認為中心可能會變。這個時候,科學的高光時刻就是一錘定音。“我們解析出來的結構直接證明,它只有一個反應活性中心。”白蕊說,“結束爭論,我們的研究告訴大家,這才是真的。”

沉浸在“RNA剪接體”的日子,白蕊一次次感受到生命的神奇:“其實我們只是在嘗試從分子的層面去解釋它為什么這樣做,但是真正看明白的那一刻,我們還是很驚訝,它設計得太精密了,完全超乎想象。”

有了這種奇妙的體驗,白蕊不覺得做科研是苦差事,一頭扎進“RNA剪接體”的世界,逐漸成為課題組成果產出的主力之一,她也是生命精妙設計的見證者、解密人。

她見證著,剪接體完成一次工作,要變換至少8個狀態—聽起來有點像變形金剛?但不同之處在于,剪接體每變換一次形態,都會更換20個蛋白組分“零件”。起初白蕊也不理解,做這么大規模的蛋白變化,不是很耗費能量,還可能增加出錯的概率嗎?如此大費周章是必要的嗎?

直到做進一步解析,白蕊才明白,這些變化恰恰是為了確保剪接體正常工作,換這20個蛋白就像是多重保險,必須全部到位,剪接體才能開始工作。

這8個組裝形態的剪接體,是剪接體已知兩條通路中最主要的一條,而另一條被稱為“次要剪接體”的三維結構,也很快成為白蕊的解析對象,它的含量更少,只有前一條通路的1%,分離的難度更大,相關研究更少。

歷時4個月,2020年8月底,她和師姐萬蕊雪解析成功。回憶出結果的時刻,白蕊依然興奮:“天吶,居然被我搞出來了。”他們又一次領先了。

這一張網撒下去,收獲頗豐,因為次要剪接體一點也不簡單。對比兩條通路,白蕊發現,盡管它們的序列差異很大,形成的三維結構卻很接近,它們以殊途同歸的方式,完成對遺傳片段的剪接。

但如此相似的結構,剪接體會更容易出錯嗎?白蕊目睹著生命設計出了許多糾錯和保障機制,來保證絕大多數時候它們不出錯,除了前面通過更換匹配新的零部件來上保險,在另一個課題里,白蕊注意到剪接體工作的剪接位點有3個,之前,大家不知道3個位點之間有什么關系。

“可是在我們解析出來的結構里面,第一次看到這3個剪接位點有一個相互識別的過程,但凡其中一個突變、故障了,三個位點就對不上,就不能進行剪接。這種嚴密的相互作用對于確保RNA剪接正常發生非常重要。”白蕊說,剪接體只是細胞中極小的部分,尚且設計出許多保障機制,這種相互識別的糾錯機制在生命科學里非常普遍,她驚嘆道:“這工程量多大啊。”

借助冷凍電鏡,在分子水平上研究生命,白蕊拿到的是更高精度的尺子、更強大的顯微鏡,得以去觀察不同物質和構造之間那種“非常直接的聯系”。

捧出10篇CNS論文的日子里,白蕊不再是聽施一公描述生命科學的結構之美,她親身參與其中,去提純、分離、計算,成為第一個看結果的人,她也從那些“棍棒模型”里,近距離感受這份美妙。

“這種美,不是形容一個人長得好看那種表面的美,而是那種恰到好處的感覺,就算我絞盡腦汁,也想不到這樣的方式去設計(它的結構和分子機制)……它有內涵,值得你去好好琢磨這個事情,你不是一看到就知道該怎么分析它,你得充分了解它,通過實驗佐證你的猜想。”她享受這個過程。

科學當然不是為美而存在的,但科學相信:結構決定性質,性質決定功能,而對剪接體的基礎研究,其應用價值與這份精妙美感相伴而生。

掌握了RNA剪接體的結構和工作機理,未來人類可以更明確疾病的病因,而以剪接體為靶點進行藥物研發、治療疾病,就是它和應用轉化最直接的聯系。

即便有了這些突破,剪接體還有許多未知的領域。“我們現在看到的結構都是我們想辦法從細胞里分離出來的,但是它在最原始的細胞里是什么樣子的,和上下游的關聯是什么,我們是不知道的。”白蕊說,那需要更多人一起來探索。

人生需要兩座山,一座用來佇立,一座用來眺望。31歲時,白蕊已經登上“RNA剪接體”的其中一座山峰,但現在,她的目光已經望著另外的地方。生命科學仍有許多重大的問題懸而未決,她相信自己“未來肯定還是要挑戰更重要、更難、更有意思的科學問題”。而她盼著自己的下一座山峰和探究疾病有更直接的聯系,回應她更早時候就埋下的、關于癌癥治療的理想種子。

如今,這個1992年出生的姑娘,擺脫了意義焦慮。她不會僅僅因為實驗失敗而沮喪,會“每次都很認真地對待我的實驗和結果”,專注地解決問題,不設限地探索。好的平臺、更新的實驗設備、領先的團隊、充分的自由和自信、足夠長的科研生命,對白蕊來說,這可能是她最好的狀態。

白蕊過去十余年走過的學術科研路,用王國維的“學問三境界”來描述不算貼切,倒是《桃花源記》更為暗合:“林盡水源,便得一山,山有小口,仿佛若有光。便舍船,從口入。初極狹,才通人。復行數十步,豁然開朗。”

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