【通海講堂】第55期聚焦運用生命活動解析技術探尋生命的色彩

生命科學領域最前沿的研究方向是什麼？解析生命規律提供新方法有哪些？人類疾病的診療與藥物發現研究方面有哪些顛覆性技術？11月6日下午，我校面向本科生打造的高端學術講座「通海講堂」第55期暨「學校首屆十大學術進展」系列講座第2場在奉賢校區圖文信息中心通海廳開講。光遺傳學與合成生物學交叉學科研究中心主任楊弋教授受邀作主講嘉賓，講座由藥學院藥物科學系主任劉桂霞主持。校學術委員會秘書長呂遐、校長辦公室副主任王海明、校長辦公室蔣曉春出席。

楊弋以「生命的色彩」為題，從生物成像技術史、光學成像研究前沿和目前正在從事的研究這三個部分為學生們呈現出一場震撼的生命科學盛宴。

楊弋首先介紹了生物成像的基本歷史。「生物檢測的最高境界是生物成像」，楊弋指出，生物成像顛覆性方法與諾貝爾獎的聯繫密切。自1901年倫琴因發現X射線而獲得了諾貝爾物理學獎開始，生物成像領域的研究成果先後獲得了十多項諾貝爾獎：1906年的神經細胞染色技術、1953年相差成像技術、1979年CT斷層成像技術、1986年電子顯微鏡技術、2003年的磁共振技術、2014年超分辨螢光顯微鏡技術和2017年冷凍電鏡技術等多項技術。在生命科學領域，光與生命現象早已結下了不解之緣。從科學發展觀來看，在21世紀，所有的科學技術都將圍繞人與人類的發展問題，尋找各自的存在意義與發展面。因此，生物成像從來就是生命科學的熱點領域。

生命活動具有極度複雜的時空分布。在生命科學領域首先要做的兩件事情，一個是要有孫悟空的「火眼金睛」，即能看到生命的本質是什麼；另一個就是要有孫悟空的「金箍棒」，即合適的工具可以實現改變生命來達到治療疾病的目的。之前傳統研究解析度低、通量低，近代研究是觀察性研究，在未來則要能夠實現達到更精細的層次，並能對研究對象的多重性質、動態的時空信息進行獲取，並實現對生命活動的觀察與調控。這就是生命科學的前沿所在。

生物光學成像的難點在於如何產生可識別的分子光學信號。從自然界來看，螢火蟲發光是一個常見的生命現象，它屬於高強度的生物發光肉眼可以看見。生物發光是一種酶催化的氧化作用，存在於細菌、真菌、昆蟲、魚類等許多有機體中，但是，在高等的動植物中沒有發現生物發光。1962年，下村修在一種生活在北冰洋寒冰水域的水母——維多利亞多管水母體內發現並純化了綠色螢光蛋白。馬丁·沙爾菲發現了綠色螢光蛋白的價值，並第一次將這種工具投入實驗研究。1994年，華裔科學家錢永健改造了螢光蛋白，使之螢光更強並變色。這3位科學家由此獲得了2008年諾貝爾化學獎。從此，螢光蛋白帶來了生物技術的新革命，螢光蛋白可以標記任何的蛋白質分子。各種化學探針和生物探針被發明出來以了解細胞各種物質在不同的時間、空間、物種以及生命的調控過程等七維數據。

光遺傳學是最新發展起來的前沿學科，是21世紀生命科學領域最引人注目的革新之一。通過結合遺傳工程與光來操作，可對特定細胞內的生物活動直接進行時間空間的控制。生物學家長期以來用試管做實驗，而現在可以用一束光把一個細胞和計算機連接起來，用計算機控制和接收細胞信號，從而實現單細胞分析，使人類對生命現象的控制程度達到了前所未有的水平。光遺傳學的意義在於可以改變生命體系，能夠實現自動化、高通量，並通過與物理、化學、計算機、材料、機械等學科進行交叉得到大數據，並通過人工智慧進行分析，這將會幫助生命科學研究取得很大的進展。

目前，我校在細胞代謝螢光成像技術方法及其應用上具有強大研究實力，系列原創成果取得了國際同行的廣泛關注。代謝是生命的基本特徵，是一切生命科學的基礎；而細胞是代謝的最小單位也是生命活動的最小單位。幾乎所有重大疾病都與代謝相關，如糖尿病、肥胖症、衰老、腫瘤、神經退行性疾病等。因此，代謝科學是國際生命醫學科學聚焦的最重要的研究領域。另外，人類通過控制代謝方向，讓物質流動到理想的合成的產品，比如微生物藥物、化妝品、生物材料、降解汙染物等。未來，大量的物質將要由生命科學創造，即通過使用可持續的生物製造替代石油化工，通過合成生物學的途徑來實現「綠色地球」的目標。我校五十年代建校時的五個專業有三個專業與細胞代謝研究領域相關：染料專業、製藥工程專業、抗生素化工專業。經過長期發展，已經形成了細胞代謝研究的創新群體。我校科研工作者在細胞代謝監控原創工具的基礎研究、藥物發現與藥物生物合成等應用基礎研究方向都取得了一系列重要的創新成果。如楊弋教授團隊發明的系列核心代謝物遺傳編碼螢光探針、螢光RNA探針、光控基因表達系統等前沿技術方法可以實現對細胞代謝活動實時、高分辨、多層次的最精密監測與控制，現已被國際同行廣泛跟蹤應用。這些技術未來有望在代謝機制、藥理與藥物代謝、新藥發現、藥物製造、化妝品檢測、食品檢測、環境檢測、藥物篩選、醫學即時檢測等各個方向得到廣泛應用。

在互動環節，同學們積極踴躍的提出問題：糖尿病是否在將來可以通過光控的方式實現治癒、「對癌的戰爭」與「帶癌生存」的不同觀點的看法等，楊弋分別作出了詳細的回答。