破解葡萄糖轉運子的神奇奧秘

破解葡萄糖轉運子的神奇奧秘

——記在《自然》發表高水平論文的清華生命學院2009級博士生孫林峰

研通社記者  陳陸淼

圖為孫林峰近照。記者 範麗 攝

　　10月18日，清華大學醫學院顏寧教授研究組在國際頂級學術期刊《自然》以研究長文(Research Article)的形式發表題為《葡萄糖轉運蛋白GLUT1-4細菌同源體的晶體結構解析》(Crystal structure of a bacterial homologue of glucose transporters GLUT1-4)文章，報導了人的葡萄糖轉運蛋白GLUT1-4在大腸桿菌中的同源蛋白XylE的晶體結構，並且運用生化手段對其工作機理進行了研究。清華大學生命學院博士研究生孫林峰和曾昕共同為文章第一作者。這些工作對於人類理解葡萄糖轉運子的工作機制，理解人類疾病的發生提供了重要依據。

　　值得一提的是，這是膜蛋白研究方面的又一重要進展，《自然》專門為此篇論文配發了新聞評論(News & Views)。

　　從本科階段就開始涉及研究工作，到跟隨師哥師姐承擔研究課題，再到獨當一面成為高水平學術論文的第一作者，孫林峰走過了怎麼樣的一條科學研究之路？筆者採訪了孫林峰，回顧了他成長的點點滴滴。

萬丈高樓平地起——紮實的基礎是成功的前提

　　從低等的微生物到高等生物如人類，葡萄糖轉運子在細胞葡萄糖代謝過程中都起著至關重要的作用。在人的葡萄糖轉運蛋白成員中，GLUT1-4是研究最為深入的，且與多種人類疾病發生相關。但是目前對於這類膜蛋白的結構信息我們仍然知之甚少。

圖為孫林峰在實驗室。記者 範麗 攝

　　關於糖轉運蛋白機理的研究已經有好幾年，但一直沒有得到好的結果。孫林峰在一年半左右的時間內就把這個課題攻克下來，在外人眼裡是了不起的成績。而當孫林峰自己談到這個結果時，他說自己是幸運的。

　　但是僅僅是幸運嗎？

　　其實，早在孫林峰還是本科生的時候，他就進入施一公、顏寧教授的團隊，承擔了關於大腸桿菌巖藻糖（L-fucose）轉運蛋白（FucP）的結構機理的課題研究任務，並最終以第二作者在《自然》發表過「Structure of a fucose transporter in an outward-open conformation」（巖藻糖轉運蛋白向胞外開放構象的結構）的高水平學術論文。

　　在剛進入課題組時，實驗室的一切對於孫林峰而言是新奇的，也是充滿挑戰的。他在觀察中積累經驗，在實驗中總結方法。當時跟著師兄師姐們做實驗，他總是看得非常仔細，將實驗的小細節學得非常認真。

　　孫林峰有著紮實的基礎，也就是「手快」，這讓他動手操作實驗時節省了大量的時間，「同樣的事情，有的人做得慢最後也能做好，但是我能夠達到又快又好，這讓我在實驗進展中佔了很大的優勢。」這種「功夫」是怎樣練成的？熟能生巧！孫林峰在平時做實驗時就注重思考，把操作的方法掌握之後不停歇地練習，才有了後來「機械手」般的速度。

　　不同的課題需要不同的實驗，但在一個課題組中這些實驗有著一定的相通性。所以實驗經歷讓他積累了許多實驗方法和思路，這為他日後自己作課題相對獨立承擔研究任務打下了堅實的基礎。

站在前人的肩膀上——總結經驗教訓才能不走彎路

　　剛接手這個糖轉運蛋白新課題時，孫林峰也有過兩三個月的迷茫期。沒有了師兄師姐的帶領，他害怕出現問題之後不知道如何解決。更令他有壓力的是，這個課題在他前面已經至少有兩撥人做過，卻並沒有拿到高解析度的晶體，那他能做出成功的研究成果來嗎？所以剛開始時，他就是抱著試試看的心態去做。

　　本著認真踏實的態度，他首先整理了前人做過的工作，包括一些實驗結果和結論。比如在選用去垢劑問題上，借鑑前人的工作，有100多種去垢劑就不用一一嘗試了，排除一部分已經被試過的，再根據其他實驗的經驗優先選擇，很大程度上加快了實驗的進程。

　　正如被問到自己能做出這個課題的優勢時，孫林峰謙虛地說到：吸取了前人的經驗。剛開始嘗試讓蛋白結晶時，孫林峰也一直無法獲得滿意的蛋白晶體，當時他就聯想到實驗室別的課題做類似實驗時加底物小分子就可以穩定蛋白狀態，於是他也把這一實驗方法借用過來嘗試。沒想到一試證明結果確實比較好，並且過不了多久就拿到了令人滿意的晶體，真正走出了本課題的關鍵一步。

　　就這樣真正開始著手做課題的時候，孫林峰感覺到了內心的踏實。更讓他感覺很好的是：用自己的想法去解決問題，這樣一步一步做下去，內心很滿足。

　　「我想這一次課題研究的最大的變化和收穫就是獨立自主。」過去的孫林峰可能對如何去做實驗想得不多，只是以完成任務的態度去做，但現在他會經常思考為什麼要做，應該用什麼方法去做最好等等一系列問題，因為「這是我的課題」，更因為一種對科研的責任心。

量變帶來的質變——重複性實驗是膜蛋白研究的基石

　　對於葡萄糖轉運蛋白機理研究，首先是培養好的晶體，這需要通過大量的篩選性實驗來完成；接著是分析胺基酸功能，而一個晶體結構中有400多個胺基酸，即使是只選擇蛋白穿膜通道周圍的胺基酸也有三十個左右，這就註定課題的研究必須有大量的實驗作為基礎。

　　在課題前期，孫林峰主要的時間還是花在了培養晶體上，每天都在對著槍頭盒加蛋白和緩衝溶液。這是一項龐大的工程，因為每次提取蛋白之後「點晶體」就需要點8板，一板有24種條件，每個條件上又有4種蛋白，就有96個地方需要點，只有按順序點，才能做到不混淆，點一次就需要將近一天的時間。「這樣嘗試了四五個月，點過了有幾百板，終於長出了比較好的晶體。」同時晶體的觀察也是一項體力活，因為晶體很小，需要在放大四五十倍的顯微鏡下才能觀察到。而那時孫林峰就需要每天在顯微鏡下不停觀察，一直看半個小時一個小時都是常事。

　　接著就是用X射線解析出好的晶體結構之後研究每個胺基酸的功能。針對穿膜通道附近的胺基酸，孫林峰做了大概五六十個突變來研究它們的性能。主要的方法是通過基因水平把要研究的一個胺基酸突變掉，轉換成別的胺基酸，然後將新蛋白置於實驗中，看突變掉的蛋白能不能把有放射性底物木糖或者葡萄糖轉移到細胞裡面，從而判斷此胺基酸的功能。這樣的實驗主要有兩方面的目的，不僅從功能上驗證結構的正確性，還能用這個結構發現一些新的功能。「一般情況下，一次胺基酸的突變需要三四天時間，接著要根據結果來決定下面的工作，實驗戰線拉得比較長。」這種功能性探究實驗分析也花費了孫林峰近半年的時間。

　　就這樣孫林峰有一年的時間在做實驗，而每天的實驗也都是一些枯燥的工作，重複的動作。「但如果得到好的結果時真的很興奮，感覺前面的勞累、酸痛都沒什麼了。」就是在日復一日付出的積累下，才讓他最終收穫到了滿意的實驗結果，攻克了這個難題。

　　整個課題的研究面臨過許多困難，但每次面對困難時，孫林峰都是通過與人交流，自主思考，一步一步嘗試下去克服。他提到一件小事，剛開始發現晶體時結果並不好，長得很小，不仔細看容易忽視，但當時沒有放棄，而是在原來的基礎上優化了條件，最後居然得到了很好的結果。所以當堅定目標時，就要堅持不懈地走下去，嘗試每一種可能。

　　「做實驗最大的秘訣就是：在沒有確切證據說你的實驗已經堵死之前，不輕言放棄，要嘗試各類方法。」

名師出高徒——良好的科研環境塑造科學素養

　　顏寧教授所帶領的研究組所作課題一直在國際領先水平，實驗室所設定的研究方向一般都是國際上比較前沿的課題，都是一些需要克服的熱點難點。孫林峰提到，「導師對於我而言，就是精神上的力量。」「只要我們實驗上有什麼好的結果，比如有好的晶體，我們馬上和顏寧老師他們匯報討論。」「導師還會對我們講一些人生哲理，交流思想，幫助我們理清思路。」

　　「在每個暑假，施一公和顏寧老師都會有一個針對新入實驗室的研究生的培訓，大約7天時間，主要講述一些實驗操作，基礎知識以及前人成功或者失敗的經驗，這些對我幫助很大。」就是這樣的前期培養指導，讓孫林峰進入實驗室很快進入了科研的狀態。

　　孫林峰還講述了實驗室非常重視國際上同領域科研水平動向，每周的組會上都會選出相關領域兩篇國際高水平論文進行討論分析，施一公教授、顏寧教授等都會提出自己的見解，他們鼓勵學生在實驗室出去開會時，要多於國際專家提問交流。孫林峰平時也會定期閱讀國際同領域雜誌，跟蹤相關領域的發展，以此開拓國際視野。

　　筆者認為，一個良好的科研氛圍可以培養出一批優秀的科學人員。孫林峰所在的實驗室是一個50人左右的大集體，他們中不乏有過國際高水平論文的學生，所以可供傳承和分享的經驗很豐富。孫林峰也提到平時他們經常會在實驗室裡聊聊天，說說課題中的一些問題，在討論中尋找靈感。過節生日時他們也會有聚會，也經常組織體育鍛鍊，排解下實驗的枯燥。

　　「我很習慣實驗室的生活，感覺簡單又舒服。」孫林峰安靜沉穩的性格讓他在實驗室找到了興趣和未來的方向。

人生就是大膽地冒險——迎接挑戰性課題

　　對於自己做過的課題，孫林峰積累了許多「秘訣」：善於觀察——對於平時看實驗時認真細緻，聽他人將細節時用心記錄；勤於思考——實驗前規劃好實驗流程，算好數據，理清步驟；熟練操作——每一步實驗都是很重要，一定要既快又佳；總結方法——前人的結論方法要吸收，並運用於自己的課題。

　　現在孫林峰課題的方向在於研究蛋白質的結構生物學，主要針對膜蛋白結構功能的分析。這項研究可以運用於製藥領域，比如可以研發一些藥物小分子，可以治療小兒癲癇、糖尿病、肥胖等疾病。所以這是一個具有重要意義的研究方向。

　　孫林峰希望接下來能做一些更有挑戰性的課題，學習探索更多實驗技能，提升自已的能力。　　

　　筆者認為：這就是清華園內一個「小牛」成長的過程，他從一名初出茅廬的本科生，到漸入佳境的研究生，再到能獨當一面的高水平論文作者，中間有著導師的指引、同學的幫助，更有來源於自身那勤勉而頑強地鑽研。　　

　　編輯：襄樺