林雙君:我與天然產物生物合成研究

　　■ 本科生的研究計劃對他們來說非常有意義，因為他們可以通過這個過程去了解研究方向和自己的研究興趣，有利於做出合適的決定。

　　■ 在科學研究中思考與實驗是同等重要的，如果只是一味地做實驗，而不去思考，那麼實驗就缺乏方向性和有效性；如果只是思考而不通過實驗去驗證，那麼就成了紙上談兵，思考所得結論也就缺乏實效性，必須是二者的有機結合才會結出成功的果實。

　　■ 面對生物技術的快速發展、新技術的不斷出現，我們要不斷地更新思維，瞄準領域前沿，使我們的研究向前穩步推進，並有所突破，實現天然產物的人工再生過程，為我國新藥研究與開發做出自己的貢獻。

 

　　我們每一位研究生在攻讀研究生之前都會對自己將來要從事的研究專業或研究方向進行一次選擇，或者在進入研究生階段要對自己從事的研究方向進行細緻的思考，如何可以順利地完成學業及規劃自己的未來。在這個過程中，一些人可以輕鬆地做出選擇或者決定，而對一些人來說則非常關鍵，這將關係到他們的未來前途。我希望能藉助「學者筆談」把我的經歷與我們的本科生和研究生來一起分享，給正處於該階段的同學們提供一點參考或借鑑。

　　天然產物是由活體生物包括植物、微生物、動物及海洋生物產生的具有一定生物功能的化合物。它是由生物體的次級代謝過程所產生，因此屬於次級代謝範疇。天然產物產生於自然，其化學結構和功能在長期的進化過程中得以選擇和優化，所具有的獨特結構單元賦予了許多天然產物與特定靶點專一性結合的能力並表現出良好的生物活性，使之可以作為藥物直接用於疾病的治療，因此天然產物在醫藥及農藥研究與開發中佔據著重要地位，並為人們所熟悉和重視。

　　勇敢地面對每次選擇

　　天然產物這個名詞及所體現的意義，直到我真正地接觸它，才有第一次真切的體會。記得大學畢業前，很多同學都在為自己的將來做著選擇，有的選擇到企業去工作，有的選擇報考研究生繼續深造。我也是其中的一員，選擇攻讀研究生。坦白地講，當時的我還是懵懵懂懂，與現在的本科生完全不同，他們在本科期間利用學習之餘就參與各種課題研究如PRP、大學生創新計劃等等。對於進入交大任教時間不長的我來說，真實地感受到這些本科生的研究計劃對他們來說非常有意義，因為他們可以通過這個過程去了解研究方向和自己的研究興趣，有利於做出合適的決定。儘管那時的我對具體的科學研究還不熟悉，但是我對藥物合成化學有著特殊的興趣，因此選擇了我國著名的醫藥研究單位作為我研究歷程的第一站。做出決定只是走向成功的第一步，接下來就是如何去實踐自己的選擇。經過一番努力，我終於如願考取了中國科學院上海藥物研究所，但也有一點遺憾，我被分配到天然產物研究方向。這是我第一次直接接觸天然產物，我國早期的天然產物研究主要集中於植物天然產物，這可能與我國的中醫藥有關。儘管沒有從事自己所嚮往的研究方向，但是我沒有氣餒，而是勇敢地去面對。「當一個人『幹一行，愛一行』時，才會發揮出他自己最大的效率，而且也能更容易獲得成功，因此我嘗試著喜歡它」。「興趣是科學研究的源動力」，於是我開始通過閱讀文獻去有意識地培養自己對天然產物研究的興趣，漸漸地體會到天然產物在我們的日常生活中是如此關鍵，如目前大約50%以上的藥物直接或間接來源於天然產物，而抗腫瘤和抗菌藥物所佔比例高達60%以上，此外天然產物還可以用作農用抗生素、化妝品添加劑、香料及食品防腐劑等。有了這些初步的認識，使我對課題研究有了動力。天然產物化學是化學、生物學、藥學和醫學等多學科的交叉學科。首先化學方面的研究是其他研究的前提和基礎，即研究天然存在的化合物的結構和理化性質等。從表面上講天然產物的分離純化過程顯得有些枯燥，其實它充滿樂趣和挑戰。因為每個化合物都有自己獨特的性質，因此天然產物的分離純化是技術、細心觀察與分析及勤奮相結合的產物。記得每次獲得一個純化合物，或者採用新分離方法獲得化合物都很興奮，而每次把新獲得的化合物送去進行核磁共振實驗時，都會無比期待，期待著每份努力都能給出一份收穫，期待著奇蹟的出現。可見，天然產物研究同樣有樂趣，充滿懸念和挑戰。

　　實時調整研究方向和重點

　　天然產物是生物體在次級代謝過程所產生的，通常是利用初級代謝形成的小分子羧酸或胺基酸為原料，經過一系列酶催化的級聯反應後形成的。其奧秘在於在自然界中都存在著哪些酶催化的反應，而這些反應又是如何協同工作，最終合成了結構複雜的天然產物。這個科學命題最初出現於我的腦海是我正在冥思苦想解析四個新型生物鹼化合物化學結構的時候，當時沒有文獻報導所採用的原料產生生物鹼，然而所有的分析數據都表明該類化合物屬於吡啶類生物鹼。通過大量檢索文獻，明確了該類天然產物是通過一類糖苷水解酶催化形成前體化合物，而這些前體化合物再經縮合酶催化即可形成我們的目標化合物，這正與我們的發現相符。科學研究中往往會遇到前人未發現的事物或者理論，我們科研工作者在面對這樣一個既是挑戰又是機遇的問題時，應多發揮自己的能動性，為這些挑戰找到解決方案。這一問題的解決為我明確了新的奮鬥方向，即結構複雜的天然產物如何合成？對於一個化學專業且對生物學知之甚少的我來說，這無疑又是一個挑戰。為了保證能夠順利地完成這個轉變，我採取了漸進的方式，首先選擇與化學更接近的酶催化有機不對稱合成作為下一階段的研究方向，初步地了解酶，這種特殊的催化劑催化化學反應的本質和過程。然後過渡到酶催化反應的機制，即構成酶蛋白的胺基酸在催化過程中的作用及酶催化反應的動力學在揭示催化機制方面的作用。在掌握了酶學的基礎知識和酶學研究的基本操作技能之後，我開始了天然產物生物合成研究的探索。

　　天然產物生物合成研究大體上分為三個階段：第一階段主要是在20世紀初到50年代之間，主要是根據化合物的結構特點結合化學性質提出生源假說；第二個階段是在20世紀的50年代至80年代，主要是通過同位素標記前體化合物的餵養實驗來推測可能的生物合成途徑；第三個階段主要是20世紀80年代之後，生物學技術的進步，尤其是天然產物產生體系的分子遺傳學研究的深入和相關方法學的建立，促進了生物合成研究的飛躍發展，使之逐漸成為一個相對獨立、以生物學技術解決生物體內化學問題的交叉研究領域。從天然產物生物合成研究的發展歷程，及目前的研究熱點，我們可以看出天然產物生物合成研究是以分子遺傳學和生物化學為基礎，結合了有機化學和天然產物化學的一個高度交叉的研究領域。

　　在科學研究中，特別是開始一個新的研究領域往往會遇到一些困難，甚至是挫折或失敗。而失敗往往與成功只有一步之遙，如果在挫折或失敗面前躊躇不前或是放棄，那麼你將永遠無法體會成功的快樂。在挫折或失敗面前只要勇敢地、理性地堅持下去，那麼你就朝著成功邁出了堅實的一步。所謂理性地堅持是指面對失敗或挫折，在堅持的基礎上要對失敗或挫折進行合理的分析，進而採取正確的解決方案。在科學研究中思考與實驗是同等重要的，如果只是一味地做實驗，而不去思考，那麼實驗就缺乏方向性和有效性；如果只是思考而不通過實驗去驗證，那麼就成了紙上談兵，思考所得結論也就缺乏實效性，必須是二者的有機結合才會結出成功的果實。

　　理性思考與大膽堅持

　　在我從事天然產物生物合成研究的初期對此體會頗深。因為缺乏相應的研究經驗，所以工作中遇到了不小的困難。當時我選擇的研究課題是一個結構非常複雜的天然產物中一個結構單元的生物合成機制研究。這個結構單元是由六個酶蛋白催化合成的，其中三步酶催化反應的底物是一個載體蛋白連接的小分子，這些都是後來被證實的結果。在我們設計的第一步反應就遇到了難題，儘管我們已經驗證了酶蛋白及輔因子和輔酶都處於正常工作狀態，同時我們也驗證了小分子正確地連接在載體蛋白上，但是我們就是沒有發現底物的減少和產物的產生。這使我們陷入困惑狀態，是堅持下去?還是放棄而選擇別的課題？經過反覆考慮：首先我們對這個課題已經有了較好的了解，如果深入細緻地分析問題出現的原因，找到解決方案還是有可能的；其次如果我們開始新的課題，也不能保證沒有新的問題出現，那麼同樣要面對。基於這些考慮，我們選擇堅持下去，並經過對每一個步驟進行詳細分析，我們覺得既然底物是一個載體蛋白連接的小分子，那麼酶蛋白與這個載體蛋白之間就應該存在某種程度的相互作用，如果這個載體蛋白不是最優的，那麼這種作用力就會被破壞。基於這樣的考慮，我們對這個載體蛋白進行了優化，果真我們的分析和採取的策略是正確的，最終後來的系列研究證實了我們的結論。這個過程讓我養成了一個非常好的習慣，在每天的實驗過後都要靜靜地把一天的實驗進行梳理和分析，分析這些結果的合理性或者不足之處，然後設計第二天實驗工作和具體研究方案，甚至做到每一個微小的細節。這個研究習慣讓我受益匪淺，明顯地提高了工作效率，也真正體會到了思與行之間的辯證關係。

　　2009年初我加入生命科學技術學院開始了研究生涯。對於每一個新的課題組來說確定研究方向是最關鍵的，既要有一定的基礎，又要有突破，否則我們就無法實現科研創新。基於自身的研究經歷及考慮到生命學院豐富的微生物資源，我確定了課題組的研究領域：一是關於微生物來源，具有顯著生理活性的天然產物的發現及新藥研究與開發；二是微生物天然產物的生物合成研究，這是我們的研究主體，在基礎研究方面探索自然環境中存在著可能的生物催化反應類型和挖掘催化反應機制，在應用研究方面探索對目前的天然藥物的結構改造和高產優化；三是酶催化反應的機理及在藥物中間體合成中的應用。在這三個研究方向上可以給予研究生全方位的學習和鍛鍊。微生物天然產物研究涉及多學科、多領域的基礎知識和研究手段的結合，包括微生物學、天然產物化學、有機化學、分子生物學和生物化學。針對學院研究生基本為生物學背景，因此在研究中要耐心地傳授天然產物研究的知識和技術。對於實驗科學來說，新的發現往往來自於實驗，也就是研究主體——研究生或一線工作人員，因此在指導研究生的研究過程中注重培養研究生獨立思考能力及解決問題的能力，力求充分發揮研究生的主觀能動性。

　　以現代生物技術為基礎的天然產物生物合成研究自上世紀80年代Hopwood先生克隆放線紫紅素的生物合成基因簇，確立了天然產物的結構與合成基因之間的聯繫至今，已經近30年。在這期間，大約有300個天然產物的生物合成基因簇被克隆，有些已經精確地解析了生物合成途徑。隨著高通量測序技術的發展，基因簇的確定也由以往的特定探針來篩選，過渡到基因組時代。生物合成途徑的解析由過去的體內基因敲除和互補，考察突變株的生產情況過渡到體外生物化學表徵及全合成過程，並進一步發展到利用各種生物元件在異源宿主中重新構建生物合成途徑來生產天然產物——即合成生物學階段，面對生物技術的快速發展、新技術的不斷出現，我們要不斷地更新思維，瞄準領域前沿，使我們的研究向前穩步推進，並有所突破，實現天然產物的人工再生過程，為我國新藥研究與開發做出自己的貢獻。

　　學者小傳

　　林雙君，上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室研究員，理學博士。2011年入選教育部「新世紀優秀人才支持計劃」。

　　林雙君1996年畢業於吉林大學化學系，獲得理學學士學位；1999年於中國科學院上海藥物研究所獲得有機化學碩士學位；2002年畢業於中國科學院化學研究所獲有機化學專業的博士學位。2002年-2008年，先後在加拿大埃爾伯塔大學化學系和美國威斯康星大學藥學院進行博士後研究，從事酶學和天然產物生物合成研究。2009加入生命科學技術學院。

　　迄今為止，林雙君研究員發表SCI研究論文40餘篇，其中多篇發表於PNAS、JACS、JBC等國際主流期刊上。目前承擔多項國家自然科學基金委、教育部重大科學研究項目、科技部「973」項目等科研項目。曾擔任2009年第15屆國際放線菌生物學大會「Student Forum」中方主席，2012年第15屆韓國國際生物技術研討會「Microbial Natural Product Engineering」主席並作邀請報告。在2010年第四屆全國微生物學青年學者學術研討會、2011年全國微生物學大會、2012年第8屆中美化學教授會議、中國工業生物技術發展高峰論壇等學術會議作學術報告。