你是我的眼——清華大學李雪明與電鏡的不解之緣

從本科四年級開始，李雪明就投身於電子顯微學研究，從此一發不可收拾。從基礎材料和功能材料，再到如今的生物大分子，他十多年來一直致力於用更先進的技術，讓我們看清微觀世界的精妙結構，那裡曾是人類認知世界中可望而不可及的模糊地帶。

撰文柯雨曦

編輯木東

走進李雪明位於清華大學生物新館的辦公室，巨大的書櫃就映入眼帘，生物、物理等多個學科的專業書籍井然有序地排列其中；辦公桌上，幾台計算機顯示屏佔去了不少空間——小小的屋子充滿了忙碌的氣息，這就是這位青年科學家的科學領地。他向《賽先生》講述了他和電子顯微學的故事：關於技術的力量，關於不同學科間的張力，關於結構生物學的未來……

選擇電子顯微學：你是我的眼

相較於X光衍射技術等其他解析微觀物質結構的技術，電子顯微學的一大優勢就是直觀，它能夠賦予科學家一雙「細緻入微」的眼，可以用來直接「看清」微觀世界：電子束照射在樣品上，經過成像，我們能直接獲取物質細微結構的圖像。清華大學李雪明課題組的研究，就是要提高電子顯微鏡的解析度，致力於冷凍電子顯微學技術研發，從生物顯微圖像中更好地重構其結構，不斷提高這雙眼的觀察能力，把它煉成「火眼金睛」，讓我們能夠「看」清更微小的結構。

圖1.冷凍電鏡照片和從中得到的密度圖（density map）。（圖片來源：Xueming Li, etc., Electron counting and beam-induced motion correction enable near atomic resolution single particle cryoEM, Nature Methods, 10, 584-590, 2013.)

李雪明的電鏡之旅始於材料科學，在這個較為成熟的領域，電子顯微學的解析度一般很容易能達到2埃以上。李雪明當時的工作就是通過利用電子光學的原理，結合圖像處理的手段，把解析度推得更高，達到1埃以上。

然而，任何學科的發展都有其周期性。在學科的快速發展期，新技術層出不迭，重大突破性成果讓人應接不暇；而快速發展期之後，平台期到來，科學研究會進入一個瓶頸，突破性成果較難得到——用電子顯微學的方法研究材料科學就處於這樣的平台期階段。李雪明說：「在博士研究後期，我開始思考自己將來的科研發展方向。我希望能夠做一些更富於挑戰性的研究。」

相比之下，用電子顯微學研究生命科學問題是一個較小的分支，遠較材料科學稚嫩，卻蘊含著更多的挑戰和機遇。早在上世紀八九十年代，李雪明的導師、中科院物理所李方華院士就想把電鏡技術應用到生物學研究，但由於生物學研究成本較高，當時條件不允許，再加上物理所當時缺乏研究生物學問題的科學氛圍，李方華院士的想法遇到了很大的阻力。儘管如此，李方華為李雪明打開了一扇窗，讓他看到了進入結構生物學研究領域的可能。

機緣巧合，加州大學舊金山分校程亦凡教授的一次學術報告，給李雪明的科學之旅帶來了很大的啟示。他注意到，電子顯微學在結構生物學中的解析度在當時最高只能達到5至6埃，但在材料學中達到2埃的解析度已經是輕而易舉的事情。他很快就意識到電子顯微學在生物學領域的發展潛力：「生物電鏡的解析度還可以進一步提高，這也是當時促使我轉行的很大的驅動力。」

利用電鏡從事材料科學和生命科學的研究，最基本的技術很相似，但實驗手段、分析考慮問題和分析數據的方式非常不同。生物樣品有自己的特點，樣品處理的過程中要考慮到輻照損傷、低襯度等問題，這些都限制著解析度的提高。李雪明逐漸在這個新的領域中找到了節奏，一系列成果也接踵而至。譬如，他的一項技術突破曾被列入《自然方法》（Nature Methods）雜誌的2013年年度方法（圖2）。

圖2. 李雪明的新技術被選為《自然方法》年度方法的報道

這項技術充分驗證和利用了電子計數探測器捕捉電子束信號的高精度和低噪音，結合巧妙的圖像處理方法，李雪明和他的同事一起矯正了電子束照射樣品造成的圖像漂移和抖動，實現了相機的「防抖」，大幅改善了圖像解析度。運用這項技術，他們成功得到了分子量較小、對稱性更低、也更難解析的蛋白結構，將單顆粒冷凍電鏡的解析度推向原子解析度水平。

今年，課題組又有兩篇論文即將發表。我們怎樣看到這個世界，怎樣嗅到千萬種氣味？視覺和嗅覺信號如何轉換為電信號？這離不開我們體內一種叫做CNG的離子通道，它的開閉由信號分子cAMP控制。有趣的是，CNG通道的結構與電壓門控的離子通道非常相似，卻不像後者那樣由電壓的變化控制。李雪明與哥倫比亞大學的楊建教授合作，用單顆粒冷凍電鏡技術解析了CNG通道和cAMP配體結合時的結構，試圖解釋離子通道獨特性質背後的基本機制。

在另一篇論文中，李雪明課題組解析了一種細菌外膜分泌孔道的結構，它能轉運細菌合成的大分子毒素。李雪明說：「我們想由這個分子建立研究體系，支持後續的技術研發。」現有的技術需要將膜蛋白從原來的生物膜環境上剝離下來，才能看清它們的廬山真面目，但這樣粗暴的手段會破壞較大的複合體，還可能會改變蛋白的構象。如果能跳過這個步驟，直接採集天然生物膜環境下的蛋白質複合體結構信息，我們對大分子結構的理解勢必會得到很大的推進。李雪明說：「我們希望從分泌孔道系統入手，讓電鏡煉就一雙火眼金睛，有朝一日無需提純蛋白，就可以看清細胞膜上的蛋白結構。最新要發表的工作就是萬里長征的第一步。」

電鏡自動化技術：解放結構生物學家的雙手

生命世界紛繁而廣闊，需要解析的生物大分子結構數不勝數。不僅如此，就像我們可以從一個簡單的單詞擴展出若干複雜辭彙一樣，一個結構也會延伸出若干個相關的結構，同時還會涉及和其他分子之間的種種相互作用，從而引起相應的結構變化，花樣翻新，這些都對結構解析能力提出了更高的要求。以一個人一年能解析兩個生物大分子結構估計，如果完全靠人力解析，時間周期將過長，因此我們需要用自動化技術應對這些挑戰。

李雪明說，一方面，自動化能夠完全把人解放出來，自主地運行並完成結構解析任務；另一方面，也能利用大規模的集群運算，快速而高效地解析結構。最重要的是，自動化能夠讓生物學家無需為學習電鏡使用、樣品製備、圖像處理而分散精力，把更多的精力集中到解決真正的生物問題上。

圖3. 電子顯微鏡

那麼，如何把之前只有人才能完成的任務交給機器？在實驗操作過程中，人相較機器有哪些優勢？複雜的生物研究材料總會存在一定差異，需要用人憑藉經驗來判斷這些差異，修正實驗操作。即使按照同樣的實驗方案（protocol）操作，有時也難以保證每次生化實驗都能成功，譬如有的實驗室提純蛋白質的能力很強，別的實驗室用同樣的實驗方案卻依然難以複製前者的成功經歷。李雪明說，我們面臨的挑戰就是將人的經驗轉化為機器的量化語言。首先，要有精確的測量手段，為下一步的判斷提供可靠的數據；第二，要有量化的評估指標，可以不依賴人，而由機器來決定下一步選擇怎樣的實驗方案。人工智慧的一些技術，如深度學習，或許可以幫助機器進行決策。

李雪明對電鏡自動化技術的發展比較樂觀，他說：「現在，具體的模塊的技術已經相對成熟了，幾年之內應當能實現較高程度的自動化。」他認為，隨著樣品製備、數據採集等技術的進步，結構解析的效率也會進一步提高。在不遠的將來，一台電鏡一天也許就可以解好幾個生物大分子結構，而一所學校一年可以解成百上千的結構。各個學校共同合作，會使結構生物學領域有突飛猛進的進步。

技術性研究需要更多支持

用電子顯微學解析生物大分子結構，需要很高的採購和維護成本，這勢必涉及學術界內外多方面的合作。清華結構生物學高精尖中心是一個很好的平台，它的成立，有包括北京市政府乃至國家層面的支持。「這樣一件事在清華髮生，是非常難得，也非常鼓舞人心的。」李雪明高興地說。

不過，李雪明也從一名科學家的角度提出了建議與展望。他認為，國家的支持重點需要從單純提供經費向支持人才的發展轉變，同時，技術研究的體量和投入其實不應小於應用研究。技術的覆蓋面很廣，它可以是軟體、硬體或是一種想法，是基礎性的工具，並支持應用研究的進行。李雪明認為，國內對技術創新的重視程度和支持力度還很不夠，經費經常十分緊張，一定程度上造成尖端技術的發展較為緩慢。

技術性研究的一大特點就是「慢」。李雪明說，研發一個新方法可能需要五年、十年，而且還很難發表在高影響因子的期刊上，在當前以高影響因子論文發表為導向的考核制度下，技術型研究的生存較為困難，而巨大的考核壓力又會進一步導致人才流失。不僅如此，周邊科研技術環境的配套與否也是一大限制因素。交叉學科的研究需要企業的技術支持，在美國矽谷附近做研究時，他能夠較為便捷地買到需要的產品和技術，譬如特殊的相機；而國內的公司規模普遍較小，水平也有所欠缺，客觀上還存在一定差距。

科學需要不同領域的對話與融合

李雪明談到了生物學研究的兩種視角：一部分科學家關注最基礎的結構細節；另一部分則從更大的尺度、更系統的角度看問題，不是很關心具體的結構。然而，「兩派」很長時間裡都有些互相看不起對方。有人認為結構生物學是「馬後炮」，只是在前人已經把功能研究清楚了之後錦上添花，卻罕有在闡明功能之前得到結構、再由結構解釋功能的。李雪明說：「我相信，我們對生命的理解最終還是需要到達最根本的層次，即原子結構，因為是原子結構決定了蛋白質或複合物的功能。尤其是與藥物、與疾病相關的研究，我們需要精準地知道生命體中發生了什麼，這種『精準』也是未來的趨勢。」具體的相互作用細節需要運用系統的視角將它們串在一起，而與此同時，為了研究更大的體系，我們需要了解其中所涉及的每一步具體是如何發生的，如此循環往複。只有通過兩個節點間的不斷反饋，通過不同研究視角間的對話，生命科學才能求得進步。

不僅在生命科學內部，生命科學也需要和其他學科之間的對話。許多生物學研究員都不是生物學出身，而是由物理、計算機等方向「半路出家」，李雪明認為這是一個很正常的現象：任何一個學科都應吸納一部分其他背景的學者，這樣才能產生新的思路。與生物學家有了很多接觸，真正了解做生物研究需要什麼之後，他們能利用自己擅長的領域的技術解決問題。由物理轉戰生物，李雪明發現自己能做許多別人做不了的事，如編程、理解實驗設備和物理過程，這是他的優勢，對他個人來說也是很大的鼓勵。

雖然不同學科的科學研究，從某種意義上來說是相通的，但來自不同背景的科研工作者在思維方式上存在一些差別。李雪明談到一個有趣的細節：去聽報告時，生物專業的學生喜歡記筆記，而物理專業的學生經常空著手就去了。這也許是因為生命科學研究的很多重大突破往往需要科學家對細節的關注和把握，而物理這門學科較少依賴具體的實驗方案，而更依賴對研究對象的理解和「想像」。不過在他看來，這種區別是階段性的，「到了更高的層面，無論是生物學家還是物理學家，對研究應怎樣進行的判斷和把握沒有太大的差別，二者的思維方式得到了某種統一。」