杜文斌：交叉融合，学以致用｜所庆展望
2018/11/26 13:40:11 中国科学院微生物研究所
杜文斌，博士、研究员，博士生导师。2007年于浙江大学化学系微分析系统研究所，获博士学位。2007-2011年于美国芝加哥大学化学系及动态生物物理研究所从事博士后研究工作。2011年回国，任中国人民大学化学系特聘研究员。2013年11月加入中国科学院微生物研究所。主要从事微流控芯片技术及新型分析微生物技术与应用研究。
导言1：
生命，因为有个性，所以才精彩。我们做生命科学研究，若能用心体察不同生命体的个性，则是对生命最崇高最专业的敬畏，是最职业最艺术的科研体验。细菌虽小，“五脏”俱全，每一个细菌都是独立的生命体，它们都有自己的“个性”。这“个性”就是它们独立的基因组、转录组、蛋白组和代谢组赋予它们的独一无二的phenotype。虽然，微生物学家早就注意到单细胞研究在微生物研究领域的重要性，但是，受传统实验室平台和技术的限制，微生物学研究长期以考察微生物群体共性为手段，难以对细菌进行“个性化”的研究。如何深入菌群内部，精细地考察细菌个体，进而实现对菌群组织结构的深度剖析，对目标菌株的高通量甄别和筛选，已然成为限制微生物学研究迈向自动化的技术瓶颈。而我们访问的杜文斌研究员，正专注于开发合适的“芯片实验室”(Lab On aChip)，在微纳尺度的实验平台上实现对细菌的高通量和个性化的深入研究。
导言2：
斌，形同“彬”，意为文质兼备。孔子《论语·雍也》：“质胜文则野，文胜质则史，文质彬彬，然后君子。” 为人，温雅朴实，表里如一，可称君子。治学，博彩众长，合而为一，方为大家。我们本期专访的杜文斌研究员即是这么一位谦谦君子，不仅人如其名，而且艺如其名。化学专业出身的他，如今却做起了生物学研究，化学和生物兼备，“玩”得游刃有余。其研究思路新颖独到，炫彩夺目，让我们眼前一亮。
在浙之滨，为学无际
杜老师出生在浙江省温州市永嘉县，这里自古文风鼎盛，人们从来就不缺乏革新精神。1998年，杜老师进入以“求是创新”为校训的浙江大大学化学系学习。经过这四年学习，杜老师为自己的化学知识体系打下了坚实的基础。2002年，杜老师开始师从本系的方肇伦院士(1934—2007)和方群教授攻读分析化学博士学位，进行微流控芯片分析系统方向的研究，自此开启了其科研旅程。
虽然离开浙江大学多年，但回忆起自己的学旅生涯，杜老师最难以忘怀的仍是在西子湖畔求学时的光景，尤其是受到专业的系统化训练的研究生岁月。
聊到对研究生阶段的印象，杜老师首先想到的是方肇伦院士和方群教授两位导师对自己科研习惯的培养。整个实验室采用透明的玻璃橱窗连贯一体，大伙儿彼此可见，科研的积极性互相感染。导师不会天天催促学生，但会定期询问课题进展，身体力行早到晚退，这带给学生适当的紧迫感，使之养成科研上的自觉性。对于需要极大精力和激情投入的科研创新活动而言，自觉无疑是入行者必需练成基本素质。两位导师就是这般潜移默化地引导着杜老师走上道。
杜老师坦言，研究生期间，实验室的科研实力并非一流，但很专注。实验室当时冷静地选择尝试一个比较冷门的方向——微流控芯片的连续试样引入。微流控芯片的制作复杂、成本较高，芯片如仅能一次性使用成本较高。通常，实验室会对芯片进行复杂的清洗步骤以回收和重复使用。这无疑限制了芯片方法的推广和使用。于是，实验室着眼于开发微流控芯片的连续试样引入技术，使单一芯片通道能够连续分析批量样品。博士期间，杜老师主要围绕实验室这一研究方向开展系统的研究工作。从微流控芯片的制作到试样引入，再到试样测试，直到数据分析。数年的系统训练，不仅让杜老师练就了扎实的微流控芯片技术，也最终实现了通过集成低成本取样探针的方法，实现芯片连续试样引入，建立了高通量连续流动注射分析和顺序注射分析系统。相关研究成果也发表在分析化学领域的权威杂志《Analytical Chemistry》上。
有人说，人是环境的产物。研究生期间的实验室里自由、开放、多学科交融的学术氛围，对杜老师的成长促进作用极大。在实验室大的研究框架内，学生有了自己的想法，可以自由地去尝试。当有了好的初步结果，导师会帮助一起分析、探讨，再帮着学生提出更多更深层次的问题，帮助学生制定周详的研究方案。实验室不仅在平台方面为学生提供了比较宽阔的发挥空间，内部人员间开放的学术交流习惯，也为新人提供了快速成长所需的营养。杜老师忆起自己刚进实验室做本科毕业设计时的情形：导师刚回国不久，师兄又很快毕业，自己不得不独当一面。当时需要使用LabVIEW软件控制设备，就自己看教程自学。实验室虽小，但是从芯片的加工、刻蚀等物理制作工艺到色谱分析等化学分析平台一应俱全。术业有专攻，对交叉学科里自己不懂得可以放心去讨教，不会的实验也可以大胆地去尝试。在这里，海空凭鱼跃，天高任鸟飞，杜老师尽情的吸收着各个学科领域的知识营养。
在浙水之滨这所“东方剑桥”校园里熏陶了多年，杜老师收获的不仅有良好的科研习惯，还有扎实的实验技术和学识功底，更有如江南水般灵动、开阔的科研思路。这几年的科研初体验，也让杜老师体会到了学问没有边际，学科交叉性的学术思维从此萌芽。
有文有质，不吝于宗
科学技术发展至今，多学科交叉融合已然成为一种潮流。杜老师在芝加哥大学做博士后研究工作时，学校化学、生物学、物理学的多学科交叉氛围浓厚。杜老师所在实验也不例外。这期间，杜老师通过合作首次尝试了微流控芯片在微生物研究中的应用，其多项研究成果发表在《Lab On a Chip》、《Analytical Chemistry》和化学领域顶级杂志《Journal of the American Chemical Society》上。归国后，杜老师结合自身的化学技术优势，选择利用微流控芯片技术探索微生物研究中鲜有人触及的领域，这正是杜老师注重学科交叉优势而做出的选择。
芯片技术总是极具魅力的，因为它意味着检测技术的高通量、高精度、高灵敏度和自动化。对于学生物学出身的科研人员来说，它是复杂、深奥的，但聊起实验室做的各种微流控芯片技术，杜老师如数家珍，津津有味。
在他看来，微流控芯片不过就是微纳尺度的实验室，它为研究对象——细胞或者生物大分子提供了独立的实验空间。它可以做些高通量，甚至做些针对具体研究对象的“私人订制”式的个性化研究。譬如，液滴微流控芯片，可以用于高通量的单细胞分离、培养、鉴定甚至其DNA提取。不仅如此，这种芯片还适用于蛋白质结晶和数字定量PCR(Digital PCR)。相比流式细胞仪，液滴微流控芯片可在不改变周围环境的情况下实现单细胞的原位分离，保留了细胞的原始生理状态。分离到的每个细胞都被独立排列到芯片上，可供各种平行测试。这种分离手段结合合适的检测技术，如激光诱导荧光检测、化学发光检测或者阵列PCR技术，便可实现对细胞活体、代谢物或者其DNA、RNA进行检测。而微液滴中单细胞的生长速率也比在常规实验室条件下更快，慢生菌和快生菌在各自的液滴内生长，互补干扰，被鉴定到细胞更容易繁殖和纯化。目前，杜老师实验室正在积极开发一种介电电泳技术，该技术可以特异性地捕获待检测血液试样中的所有细菌和真菌，但不会捕获红细胞。基于该捕获技术的液滴微流控芯片，可以与阵列PCR筛查技术结合，也可以被整合到其它相应的检测系统，进而组装成高灵敏度、高通量的环境和临床微生物检测系统。
除了高灵敏度和高通量特性，微纳尺寸的实验环境中，细菌往往呈现出宏观实验环境下没有的特质。比如，微环境中的营养物质和群体感应信号分子的丰度可能更高，细菌更易对环境变化产生应答行为。基于连续层流间营养物质的静态扩散特性，微流控芯片可对每个细菌的趋化能力进行定量研究，并按趋化能力的差异分别收集和分离。利用微流体模拟粘附在石油运输管道内壁Biofilm内部的涡流，可以直观地对Biofilm内部细菌生长、运动进行考察。此外，对单细胞间相互作用的形态观察，也是微流控芯片的拿手好戏。这些十分新颖的研究思路，却是杜老师实验室每天正开展实验工作。不仅研究细胞，杜老师课题组也尝试着开发毛细管等电聚焦和二维电泳分析系统，利用芯片分析技术检测限低的特征，进行超微量的蛋白组分析，以期解决现有蛋白组分析技术难以检测低丰度蛋白的尴尬。
不囿于学科专业之别，充分交叉融合，博采众长；不设门户派宗之限，深度交流合作，优势互补。这既是杜老师做学科交叉领域研究的经验，也是其组建学科交叉性实验室的心得。
实验室建设工作中，杜老师极其重视实验室人员合理搭配和培养。把不同学科背景，不同知识结构的人员放到其最适合的研究工作中，发扬其优势。加强训练学生检索、学习文献的能力和实验动手能力，通过文献学习和熟能生巧的训练，渐次提高学生的跨学科研究能力。杜老师注意到，国外学生的独立科研能力较强，所以，特别重视培养学生的主观能动性。导师总是喜欢能够长期潜心科研的学生，但即使学生今后不从事科研工作，杜老师也会用心培养学生的科研能力。在他看来，经过科研训练得到的思维和解决问题的能力对日后工作是大有脾益的。提升自身科研实力的同时，杜老师也积极与其它单位开展各类交流与合作。加入微生物研究所之后，杜老师课题组很快与我所的陈义华研究员、傅钰研究员、黄力研究员、刘双江研究员、马旅雁研究员等多位老师的课题组展开实质性合作。除了所内课题组，杜老师的合作单位还包括中国人民大学、天津工业生物技术研究所、中科院半导体研究所等科研机构，甚至包括一些技术公司。
生物技术产业在我国尚为朝阳产业，立身化学和生物学交叉领域，杜老师对国内生物技术产业的发展看得更透彻，也更乐观。在他看来，随着国内在生物相关的交叉学科领域研究不断取得突破，技术的进步将极大推进生物学的长足发展，并终会使整个产业的变得炙热。
无曰遂真，开物前民
2011年回国工作，2012年入选中组部和中科院某人才计划。除了两项人才引进计划相应的科研项目，杜老师还主持着一项国家自然科学基金青年项目，一项中国科学院微生物研究所微生物资源前期开发国家重点实验室课题；参与国家自然科学基金重点项目一项；并承担国际海域资源调查与开发“十二五”项目下的子课题。然而，采访中杜老师总是表现的十分谦逊。虽然有了不短的交叉学科研究经历，但谈及非自身专业的问题时，杜老师总是谦卑表示自己懂得太少。即使谈到微流控芯片，杜老师也是很谨慎的遣词用字，一再强调自己了解的可能不详尽、不确切。杜老师谦逊和煦的交流风格，反映出的不仅仅是其严谨的治学态度，更有源于其母校“求是”精神的人文烙印——无曰遂真。
博士后研究工作的经历，让杜老师深深体会到国内在微流控芯片技术领域与国际水平的差距。提及Agilent、Fluidigm、Bio-Rad等公司以及哈佛大学、斯坦福大学等单位的先进的技术产品，杜老师充满着羡慕，但更多的是言语间流露出的自强不息。因此，对自己的实验室，杜老师不赞成以文章为唯一导向的做法。这个导向可以基于社会发展的技术需求，也可以立足于实验室自身的技术优势，或者是为了求解的某一科学问题。杜老师有个比较美好的愿景：实验室内这些创新的实验技术终有一两项会具体化为某种产品，为我国社会的发展注入新的生产力。
开物前民，学以致用，是受自浙江大学研究时代的治学理念，如今，杜老师将其施行到自己的实验室。利用自己的多学科交叉思维和技术优势，引领学科发展潮流，服务国家科技发展，这便是这位刚过而立之年的青年科学家的社会担当。
(作者：微生物所研究生会。采访时间：2014年。)
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