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天津日报整版聚焦:天大两篇生物合成论文发表在《科学》杂志背后 无名小子怎样写出学术名篇

2017-03-20 点击数:      

  

  《天津日报》(2017年3月18日06版)

本报记者 赵晖

   

  

  北京时间3月10日凌晨三点出版的国际顶级学术刊物《科学》,以封面文章的形式同时刊发了中国科学家的4篇研究论文。四篇文章齐上《科学》封面,这在中国科学界是件“史无前例”的喜事。

  在这四篇文章中,天津大学表现不俗,不仅每篇文章的作者中都有天津大学学者的名字,而且有两篇第一作者都是天大在读博士生,这两篇文章的唯一通讯作者也都是天大教授。这样牛的“《科学》成绩”在全国科研单位中也是“前所未有”。

  成功的背后离不开科学工作者们的努力与付出。天津大学这两篇《科学》论文的第一作者是两名博士生,他们耐得住寂寞与清苦,十年一剑,这是他们自本科至今发表的第一篇研究论文。这两篇《科学》论文的通讯作者都是天津大学化工学院教授元英进,他是Sc2.0计划的国际化推动者及中国最早参与者,在本科阶段就开设了构建人工基因组课程,储备人才。天津大学作为孕育科研成果培养科研人才的大苗圃,土壤宽松,交流广泛,营造了一个良好的科学氛围。

  《科学》文章背后,是一个天大科研人砥砺前行,静待花开的故事,是惊喜也是必然。

  前奏

  长生不老的梦想

  《科学》封面文章刊登的是人类科学领域最前沿最重要的科学成果,这一次呈现的是科学家们在人工合成生命方面的进展。以生物基因组设计合成为代表的合成生物技术被誉为第三次生物技术革命。之所以瞩目,因为生物基因组设计合成的目标是编写人类基因组。之所以瞩目,是因为随着生物基因组编写合成的不断深入,青春永驻、器官再造、超级警察这样的科学幻想也许真能梦想成真。

  科学家们已经完成了原核细胞的合成,开始向真核生物的合成进军。美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国研究机构参与、协作的酿酒酵母基因组合成计划(Sc2.0计划)是这项研究的标志性国际合作项目。本期《科学》封面文章刊登的就是这项计划的重要进展,中国科学家们完成了真核生物酿酒酵母4条染色体的从头设计与化学合成,打破了非生命物质与生命的界限,开启了“设计生命、再造生命和重塑生命”的进程。要知道,真核生物DNA既丰富又复杂,即使相对简单的酿酒酵母每条染色体也要包含几十万碱基对信息,此前国际同行奋斗多年才合成了1条。

  在该国际合作计划中,天津大学表现不俗,完成了2条酿酒酵母染色体的设计与化学合成,并以第一作者和通讯作者单位发表论文两篇。在合成染色体的过程中,他们还突破了生物合成方面的多项关键核心技术:突破合成型基因组导致细胞失活的难题,设计构建染色体成环疾病模型,开发长染色体分级组装策略,证明人工设计合成的基因组具有可增加、可删减的灵活性……

  Sc2.0计划取得的瞩目进展奏响了人类基因组编写的序曲。

  合作

  人造生命一大步

  在这次美国、中国、英国、法国等多国研究机构共同参与的国际科研合作中,科学家们共完成了酿酒酵母5条染色体的化学合成,其中中国科学家完成了4条,占总完成数量的66.7%,把Sc2.0计划向前推进了一大步。如果能够合成整个酵母基因组,这将是科学界首次人工合成一种真核生物的基因组,是人造生命体研究向前迈出的一大步。

  对于项目推进,Sc2.0计划项目带头人杰夫·伯克特别提到,天津大学元英进教授的加入推动了这个项目的国际化:“与中国天津大学元英进一起发起了国际化的酵母基因组合项目,元(英进)致力于推进Sc2.0的国际化。”

  在2010年前后,作为天津大学化工学院教授的元英进,一直密切关注着人工合成生物学的动向。当他在2010年有机会拜访杰夫·伯克教授的实验室时,他立即就被“酵母”这个在人造生命研究中的价值所吸引。当时杰夫正在进行3号、6号和9号染色体的合成,但每一条染色体都需要大量时间、资金和人力的投入,这导致杰夫的工作进展缓慢。元英进在与杰夫沟通的过程中提出合作推动这个项目的发展。2011年11月,霍普金斯大学代表团一行与天津大学签署了两校《人工合成酵母基因组研究与教育合作协议》。双方约定联手打造具有国际竞争力的创新型合成生物技术研究团队,并在人工酿酒酵母基因组的构建方面实现生物技术发展史上的突破。正是元教授的推动Sc2.0计划成为一个国际项目。

  “Sc2.0计划在国际化过程中建立了一个共享的合作范式,后来陆续又有世界各国的科学家加入进来,但大家都遵循这个范式,这大大推动了项目的研究进程。”在元英进看来,这样的合作模式为今后重大研究课题的国际化合作提供了可借鉴的成功范本。这个过程被元英进形容为“抱团取暖”。

  故事

  差点不能毕业的第一作者

  3月10日凌晨三点,牵头合成十号染色体的天津大学博士生吴毅守在计算机旁,等待这期《科学》正式出刊。虽然早就得到了录用通知,但正式出刊的这一刻他还是不想错过。从本科到博士,这名优秀的博士生还没发过一篇论文,如果这篇论文发不出来,他就不能如期毕业了。天道酬勤,成功的果实如期而至,以他为第一作者的研究论文“化学合成十号染色体缺陷靶点定位与生长表征”妥妥地登上了《科学》封面,吴毅暗暗地松了口气。

  “要是延期两年还没毕业就会被劝退的。我整个博士生涯都在做这一个课题。论文是毕业的硬指标,要说没有压力那是不可能的。”支撑他做下去,并且乐此不疲并享受其中的是他对科研的热爱与导师的支持。

  “在确定研究方向时导师就坦言,越是创新的方向,科研风险就越大,很可能潜心多年也一无所获。但我的出发点是能力的提升而不以成果为目的地去做科研。所以我虽然有压力但并不焦虑,也不纠结。刚开始每天工作的重复性比较大,特别容易产生挫败感。这个时候元老师会告诉我,我做的东西有多么重要。遇到困难和瓶颈不要畏缩,创新很多时候就是在这个时候逼出来的。”吴毅说。

  从本科开始就跟着元英进教授下实验室的博士生谢泽雄,是另一篇《科学》文章《完美设计合成V号染色体及其环化表型研究》的第一作者。与吴毅相比,谢泽雄从大三开始就知道在实验室做工作很苦、很累,“当时我跟元老师说,我可能脑瓜不快,但我能吃苦,我能坚持。”谢泽雄这么说也是这么做的,熬夜实验是家常便饭,最长的一次,三天没有离开实验室,没有睡觉就为了一个实验数据。“从本科开始,导师就推荐我们看名人传记,看他们是如何战胜困难与坎坷,可谓用心良苦。”谢泽雄笑着说。“其实老师们工作也很拼,看他们回邮件的时间也经常是半夜2点,凌晨4点。”

  虽然与论文挂钩的所有奖学金都与吴毅和谢泽雄无缘,但天大并没有薄待这些潜心科研的科学青年,给平台、给机会,给科研基金和足够的宽容。吴毅研究生二年级获得硕博连读资格继续攻读博士学位,博士一年级和二年级获得国家公派留学资格,赴美国纽约大学JefBoeke院士课题组访问交流。多次在国际学术会议上作学术报告。谢泽雄也是如此,多次出国交流访问,是很多国际学术会议的常客。只要是科研需要,资金到位充足及时。“有一次我急需开展基因组重排,需要一些昂贵的进口化学试剂和一种特殊的酶,我求助的电子邮件刚刚发出,元教授‘秒回’批准,并抄送负责科研设备、材料采买的工作人员,要求一定要按时将实验试剂采买到位。”

  “虽然实验室工作很辛苦,但我们有很多与学术大咖交流的机会,导师的视野很宽,指导并且给了我们很多机会接触学术前沿。在与很多同行接触、交流时不会露怯,有时还是主导,那种学术自豪与满足感十分美妙。”研究生刘悦很享受天大的科研氛围。

  教育

  本科生也能加入科学顶级俱乐部

  2016年12月,在武汉工作的瞿蓝梦接到了师兄谢泽雄的电话,请他确认自己的科研内容并向《科学》提交他作为论文作者的个人资料。“太兴奋了,没想到我大三时合成的酵母菌片段,还有这么大用处。我也是发过《Science》的人了。”瞿蓝梦的惊喜溢于言表。

  3月10日,2篇《科学》的论文发表后,人们发现众多的作者在参与该项目时还是研究生或本科生。

  在《化学合成十号染色体缺陷靶点定位与生长表征》一文中有46位作者,其中三分之二的作者参与该项目时是年轻的本硕博学生;在《完美设计合成V号染色体及其环化表型研究》一文中的93位作者中,这个比例则更高,而且许多人参与该项目时都是大二、大三的本科生。

  “我想,如果把两篇文章的作者在做这个项目时的年龄平均一下的话,应该都到不了二十七八岁。”元英进笑笑说,这也是他最在意也最得意之处。通过这个项目的研究,在天津大学化工、制药、生命相关领域的学科中成功实现了一种全新的本硕博学生教育方法。

  像造房子或者造汽车那样,先烧制出砖头或者零件,然后再按照规则组装起来最终形成产品,运用工程学的一些方法来研究生物学,这是元英进在十几年前就一直在考虑的问题。2006年,元英进得知在美国麻省理工学院有一个国际遗传工程机器大赛,就是基于合成生物学这样一个学科,通过比赛让学生们做成一些标准化的元器件,然后用元器件再实现一些生物上的功能。这引起了元英进极大的兴趣,他发现这个参赛过程的两个要素:头脑风暴式的讨论式学习、学生之间的不断交流。这正是他想要的一种教学过程。于是,从2007年起,他开始派出学生团队正式参加比赛,多次获得大赛金奖,10年来为天津大学合成生物学领域培养了大批青年人。

  此外,元英进还在本科阶段开设了“BAG(构建人工基因组)课程”。这个课程的特点,好比盖房子:先做很多很多砖,然后再用砖烧制成预制板,最后再用这些预制板盖成房子。但这个看起来就像制作“砖头”的课程能够在培育学生发现和解决问题才能的同时,引导他们熟悉合成生物学领域的诸多前沿科学问题。参加课程的学生们在为人工合成染色体“添砖加瓦”的过程中,也培养了科学精神、科研能力。

  “大四毕业我没过暑假而是提前加入BAG课程。向师兄师姐学习实验技术,或者与同级的同学PK一番,在其乐融融的实验室氛围中,自己对酵母的分子生物学操作逐渐纯熟。我担任一个小组组长而且完成了最多的DNA材料的组装,这个小小的成绩也让我体会到了科研的乐趣和收获感。研究生正式开学之后,我们参与到了国际合作的酿酒酵母基因组计划(Sc2.0)中来,这个国际化的平台给予了我很多对科研的全新认知:科研不是那么‘老套’,科研也不是‘闭门造车’。Sc2.0计划让我一个刚刚毕业的本科生直接上了合成生物学前沿研究的快车。”吴毅回忆说。以吴毅与谢泽雄为代表的一批科学青年都是这种人才培养机制的受益人。

  2016年7月,第五届Sc2.0和合成基因组会议在英国爱丁堡举行,吴毅和谢泽雄介绍了天津大学化学全合成酿酒酵母染色体的最新研究进展。同时,天津大学合成生物学团队4名成员积极参与2016年5月举行的基因组合成闭门会议,加入了“世界合成生物学顶级俱乐部”。

  科普小知识 

  Sc2.0计划

  酿酒酵母基因组合成计划(Sc2.0计划)是合成基因组学研究的标志性国际合作项目。该项目由美国科学院院士杰夫·伯克发起,有美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国研究机构参与并分工协作,致力于设计和化学再造完整的酿酒酵母基因组。元英进是该计划的国际化推动者及中国最早参与者。2014年Sc2.0已创建了一个单一的人工酵母染色体,这次科学家们共完成了5条染色体的化学合成。元英进带领的天津大学团队完成了5号、10号染色体的化学合成,并开发了高效的染色体缺陷靶点定位技术和染色体点突变修复技术;戴俊彪研究员带领清华大学团队完成了当前已合成染色体中最长的12号染色体的全合成;深圳华大基因研究院团队联合英国爱丁堡大学团队完成了2号染色体的合成及深度基因型-表型关联分析。

  第一作者

  第一作者与共同第一作者:第一作者通常指的是署名排在最前面的那个人,对文章贡献最大;由于科学研究的复杂性、合作性,有的文章署名也有两个或多个第一作者,称为并列第一作者。这在国外权威期刊很常见。

  通讯作者

  通讯作者:往往指课题的总负责人,承担课题的经费、设计、文章的书写和把关,常由论文所属领域最有权威者充当,要负责与编辑部的一切通信联系和接受读者的咨询等。

  

   年轻人会做得更好 

  ——访天大化工学院元英进教授 

  

  从2016年6月美国科学家通过《科学》杂志宣布启动人类基因组编写计划到2017年第一个真核生物细胞染色体合成的“Sc2.0计划”取得重大进展,合成生物学的国际竞争正在加剧。

  在过去的十年时间里,合成生物学的发展对工业生物技术、医学生物技术和农业生物技术都产生了巨大的影响,也引起了各国的重视。根据公开的报道,目前美国和欧盟都已建立了相应的合成生物学中心,我国近年来在该领域也在逐渐加大基础和应用研究投入,如国家科技部在2012年立项了重大863项目“合成生物技术”,至今国家科技部已立项了10个合成生物学的“973项目”。元英进团队此次的成果,同样得到了国家科技部、基金委、化学化工国家协同创新中心、系统生物工程教育部重点实验室等提供的支持。

  对此,元英进教授介绍,2000年以来,世界各国在合成生物学研究方面都进行了科研布局。比如,美国认为他们需要成立若干个研究中心,像哈佛大学就有研究中心专门做合成生物学。还有一些大学也设立了一些单独的研究中心。英国近年来大约成立了6到7个相关的合成生物学研究中心。我国在合成生物学方面的研究起步并不算早的。但从目前的情况来看,我国对合成生物学领域的研究也是相当重视,国家科技部门也给合成生物学的研究工作和研究者提供了持续的帮助。如果将研究过程用跟跑、并跑、领跑来划分的话,我国做的很多合成生物学的研究工作目前是处于并跑的状态。

  在元英进看来,从并跑到领跑,尽管超越的过程非常艰难,但并不是没有可能。在他看来,实现领跑,需要我们国家能够尽快地成立相关的合成生物学重点实验研究室和合成生物学相关的研究中心,推动我国在合成生物学的人才培养、科研、技术推动等方面的持续发展。

  “这次在《科学》上发表论文,有天津大学,也有清华大学的学生。从这个角度看,我们青年一代学生的研究水平是可以的,但是如何能让青年人潜心地进行研究,可能需要我们做更多。”元英进坦言,科研的国际化竞争会加剧人才的竞争,我们的年轻人会做得更好。

  

  偶然性中的必然性 

  ——访本期《科学》文章天大第一作者  

  感觉你们脸上时刻都挂着微笑,但你讲起科研历程却有很多艰辛。对于那些即将从事科学研究的同学们,你们有什么建议?

  《化学合成十号染色体缺陷靶点定位与生长表征》第一作者吴毅:年轻人是科技创新的排头兵。一线的科研人员绝大多数是像我们一样的研究生,最新鲜的实验数据是我们得出的,实验遇到的困难瓶颈也是我们会首先遇到,所以我认为最前沿的科学和技术不是在顶级期刊上的,而是在像我们一样的年轻人手上。但因为我们年轻缺乏经验,对学科发展和立项只有浅显认知,基础知识的广度和深度还远远不够,所以我们的科技创新是在导师的大框架大方向下的创新,也是在导师的指导和帮助下逐步清晰和成熟起来的。绝大多数的科技创新是偶然发生的,但要做到创新有一些必备要素:首先,要有严谨规范的实验操作,可靠的实验数据;其次不要轻易放弃负的实验结果,遇到困难和瓶颈不要畏缩,创新很多时候就是在这个时候“逼”出来的;最后,要保持开放的心态,一是自身不要过早的局限在某种确定的认知,二是要多与他人交流探讨,多参考文献。

  《完美设计合成V号染色体及其环化表型研究》第一作者谢泽雄:谈到建议,我觉得有三点。第一点是要耐得住寂寞,科研的过程是非常非常寂寞的,这个寂寞不是简单地一个人去战斗,更大的寂寞是和你的同龄人相比的落差,他们走向社会,生活非常丰富多彩,而你面对的可能是实验室里一次又一次的挫败。这是很考验一个人心性的过程。第二点,就是不要轻易地说放弃。历史上,很多本来很有希望拿到诺贝尔奖的科学家,他们的研究已经很接近最后的结果,但却放弃了。就这么把诺贝尔奖拱手让人了。最后,就是一定要多和老师交流,可能在这个过程中,老师的要求会比较严格或者是和个人的想法不太一致,但是一定要多多沟通,这非常关键。积极合作、听取别人的意见非常重要。

  以上两文共同第一作者国家优青基金获得者天津大学副教授李炳志:个人认为,作为青年老师,在团队中参加大项目,能够得到更多的锻炼,有更多的机会接触科研难题,对科研能力的提升和科研方向的凝练非常关键。在大项目中提升自己的视野后再选择具体细致的科学问题就会少,就能少走弯路。有志科学研究的人应多申请参加大型的国际合作项目,紧盯国际学术前沿,能对学科发现方向做出一些预判,这为科研能力的全面提升提供了难得的机会。科研就是一种探索,简简单单就能完成的科研非常少,想有所突破,就必须有耐心,有恒心,还要有坚持不懈的好奇心。虽然科研工作很累很苦,但总有远大目标的吸引让人继续砥砺前行。

  天津日报:http://epaper.tianjinwe.com/tjrb/html/2017-03/18/content_6_5.htm

  (编辑 赵习钧 姚超)