大四时被“忽悠”进组，27岁小伙发首篇Nature论文
2023/3/28 20:04:45 科学网
文 ｜ 《中国科学报》记者 李晨阳 见习记者 孟凌霄
5年前的夏天，中科院生物物理所园区回荡着悠长的蝉鸣。刘昊走进柳振峰研究员的办公室，当时他22岁，正在读大四，想要到柳老师的实验室里实习。
柳振峰在电脑上打开一张PPT，这是植物光合作用的分子机制图。在植物细胞中，叶绿体像一个个迷你“生产车间”正在繁忙工作。然而这些“生产车间”自己内部培养的“工人”——蛋白质很少，90%以上的蛋白质要从外部引进。这些蛋白质要进入叶绿体发挥作用，这就需要经历一段复杂的运输过程。
“你知道叶绿体膜上这个帮助蛋白质‘进门’的结构是什么吗？”柳振峰试探地问，这个知识点有些冷僻，他没指望刘昊能答上来。
没想到，眼前这个年轻人回答得头头是道——这正是他感兴趣的研究方向!就这样，师生初次见面的短短几个小时里，刘昊就赢得了柳振峰课题组的入场券，并确定了未来5年的博士研究方向。
近日，27岁的刘昊以第一作者身份在国际顶级学术期刊Nature上发表了相关论文，解析了叶绿体蛋白质传送器的组装原理。这时柳振峰才笑着承认，当初他有意“忽悠”了一下这个小伙子：“我没告诉他这个课题到底有多难。”
被“忽悠”来的Nature一作
光合作用就是植物通过叶绿体，把光能转化为化学能的过程。这可以说是地球上最重要的化学反应。没有光合作用，就没有我们眼前多姿多彩的生命世界。历史上，光合作用的机制研究曾多次斩获诺贝尔奖。
“在光合作用中，植物如何做到高效地吸能、传能、转能，是科学研究的核心问题之一。”柳振峰对《中国科学报》解释。而叶绿体中有着复杂空间结构的叶绿素蛋白复合体，正是至关重要的能量“传送器”和“转换器”。
叶绿体中的蛋白质，可以大致分为两种来源：不到10%的蛋白质是由叶绿体自身内部的基因编码的；90%以上的叶绿体蛋白质就像其他大多数蛋白质一样，是由细胞核中基因编码的。后者要进入叶绿体开展工作，需要连续穿越叶绿体特殊的内、外双层膜结构。为它们开辟道路的，是名为TOC-TIC的蛋白质转运复合体。位于叶绿体外膜上的转运体被称为TOC，位于内膜上的转运体则被称为TIC。
在过去30年间，组成TOC和TIC的不同蛋白亚基已被陆续发现，而二者构成的TOC-TIC超复合体如何组装，如何跨越叶绿体内外膜，又如何组成前体蛋白的运输路径，这一系列的关键科学问题的答案都还未能研究清楚。
“在真核生物体中，叶绿体和线粒体是具有双层膜结构的细胞器，像叶绿体TOC-TIC这样能够跨越双层膜的蛋白质转运复合体比较罕见,并且具有非常重要的生物学功能。它本身的组成和结构非常复杂，而且在细胞内的含量很低，因此研究难度还是很大的，可能做很久都做不出来。”柳振峰说。
然而看着眼前这个“初生牛犊”般的科研苗子，柳振峰怕把他“吓跑了”，有意在表述上“打了个折”。
“这个课题很有趣，不过可能要做4-5年，不一定有结果，你愿意来吗？”
22岁的刘昊接受了挑战：“当时找到柳老师，就是出于对植物膜蛋白的兴趣，所以不管5年还是更久，只要能做出来就行。”
科研攻关，从“洗菜”开始
对冷冻电镜研究来说，样品的质量极为关键。“巧妇难为无米之炊”——很多时候，同样拥有冷冻电镜的研究单位，之所以有的能快速做出高质量的结果，有的迟迟难以突破，主要瓶颈和问题往往就出在样品的收集和制备环节上。
在植物和藻类中，叶绿体TOC和TIC蛋白的天然丰度比较低。如何从叶绿体中获得又多又好的TOC-TIC超复合体拿来做实验，成了研究初期最大的难题。
植物叶绿体的优质来源是菠菜。于是去菜市场拎5斤菠菜，再回实验室把一大盆菠菜清洗、分离、提纯，这一系列操作，成为刘昊做研究的常态。
久而久之，这个小伙子成了洗菠菜的“熟练工”：要想洗得干净，就得用蒸馏水反复冲刷，每一片绿叶都清洗6遍；同时，还不能使用超声波等技术清洗，只能轻柔手洗，以保护TOC-TIC超复合体的完整形态。
由于常洗菠菜，白大褂都洗绿了，刘昊就穿着它做实验 (课题组供图，下同)
刘昊自嘲地说，洗菠菜已经成了他的“职业病”，即使回家洗菜、择菜，也保持着实验室的手法和速度。
但藻类叶绿体样品的收集，就没这么容易了。
柳振峰团队曾经向国际衣藻资源中心(Chlamydomonas Resource Center)订购实验所需的莱茵衣藻。然而，这株漂洋过海的藻种经过长途运输，经历了被喷酒精和消毒等重重波折后，到达生物物理所时，几乎“没剩几个活细胞”，险些被扔进垃圾箱。
抱着“死马当活马医”的态度，刘昊还是把藻种放进安装了光源的恒温摇床中摇着。“我没事就去看看它，一直都长得很缓慢，但突然有一天，它变绿了。”
另一株来之不易的藻种，则多亏了一位“好心的瑞士老先生”。他是瑞士日内瓦大学的Jean-David Rochaix教授。2018年召开的第二次世界生命科学大会上，Jean-David得知柳振峰课题组正在开展这方面的工作后，便主动提出共享自己实验室的带有特殊亲和标签的藻株。用这个藻株做实验，意味着将大大简化提取步骤，加快实验进程。
但由于种种原因，在长达2年的时间里，他们一直没能拿到这个藻株。在Jean-David的不懈坚持和争取下，藻株终于先辗转寄到中科院植物研究所杨文强课题组，之后再转交给柳振峰课题组。
获得足够的实验样品后，他们很快使用冷冻电镜技术，对TOC-TIC复合物中的孔道特征进行了细致观察和分析，并揭示了叶绿体蛋白质传送器的组装原理。经过半年多的反复审稿修改，这项研究终于在Nature见刊。
在柳振峰看来，这次研究结果的发表离不开国际交流和合作。“与一流科学家开放地交流和合作，能促成很多出色的成果，这株跨越大洋的藻种也证明了这一点。”他说，“我们也毫不犹豫地把论文初稿发给Rochaix教授，并在征得他的同意后，把他的名字写在了论文的共同作者中。”
这篇Nature只有4个署名
这篇Nature论文只有4位署名作者：博士生刘昊、李安节分别为论文的第一和第二作者，负责整个技术路线和相关实验的实施；瑞士日内瓦大学Jean-David Rochaix教授为共同作者，参与该项课题技术路线的设计和结果分析讨论；柳振峰则为通讯作者，负责统筹研究的整体设计和协调研究过程。
在Nature网站2021年6月发表的一篇文章中指出，对PubMed-MEDLINE数据库列出的3000万篇论文的一项分析发现，作者的平均人数从1975年之前的1.9人上升到2015-2019年间的5.9人。一篇顶刊论文，署名十几人甚至几十人的情况早已屡见不鲜。
柳振峰表示，自己课题组产出的论文作者人数偏少，与科研的不同组织模式有关。他们的这种“小团队作战”，有限的参与者每个人都必须承担“大量的工作”。相应的，也往往有“高密度”的收获。
柳振峰团队(上排左四为柳振峰)
对此，刘昊和李安节深有体会。
在本科生阶段就确定研究方向的刘昊，在之后4年间几乎只做了这一个选题。大到设计实验、调整方向，小到跑菜市场买菠菜、连续十几个小时扎在实验台前提纯蛋白，他事无巨细地挑起了这个课题的大部分工作。
“在我们课题组，柳老师对我们的要求是，每个人都要完整掌握实验的全套流程。”李安节说，“这样会很辛苦，但对我们的成长非常有益。”
实验后期，李安节主要负责分子动力学模拟，但这一体系不同于传统结构解析，还需要有扎实的计算机科学、生物化学和生物物理学等学科背景。李安节花了两周时间，一头扎进新领域的文献海洋，“程序跑通的那一刻，真感觉挺厉害的!”
在这个课题组，发论文的效率也许不是最高的，但人才培养的效率却并不低。
不要只摘“低垂的果实”
在柳振峰看来，从结构生物学的传统优势出发，阐明光合作用的微观机理，是一项“值得投入几代人”的研究。
过去200余年间，国际上与光合作用相关的研究成果已经十余次问鼎诺贝尔奖，被诺贝尔奖评委会评价为地球上最重要的化学反应。其中，光合膜蛋白的三维结构研究一直是国际公认的高难课题，它也被认为是一个国家结构生物学研究水平的重要标志。主持完成了我国第一个膜蛋白的晶体结构测定的科学家，正是柳振峰的导师——中国科学院院士常文瑞。
1998年，柳振峰来到生物物理所常文瑞课题组，选择了一个“看似不可能”的课题——菠菜捕光复合物的结晶和结构解析。在延期毕业近一年后，柳振峰终于在Nature上发表得到国际同行高度认可的论文。
2018年，柳振峰在实验室第一次见到刘昊时，也抛出了一个“看似不可能”的课题。如今，时隔近20年的两篇Nature论文，串起了3代结构生物学者的科研人生。
随着冷冻电镜和深度学习技术的快速发展，过去解析一个分子结构需要几年的时间，如今发展为仅需几个星期，甚至几天。那么，结构生物学研究背后的真正问题又是什么？
刘昊记得，柳老师总挂在嘴边的一句话是，不要只摘“低垂的果实”。因此，柳振峰招收学生时，从不关注对方发过几篇论文，只关注对方“愿不愿动脑筋、会不会提问题”；在他的课题组，从没有论文发表的数量要求，只关注一项研究是否把科学知识的边界往前推动了一大步。
对刘昊来说，结构生物学研究最令他激动的一刻，不是得知文章被Nature接收的一刻，而是解出TOC-TIC超复合体电镜密度的一刻：“我也能解出这么难的问题？”与探索未知的收获相比，在顶刊发表论文就显得“平淡多了”。
正如柳振峰所说：“解析结构并不是我们的目的，更重要的是发现结构背后的规律性原理。结构生物学的真正核心在于提供开创性的框架，为后来研究者带来新的启发、新的起点。”
柳振峰课题组开展户外活动
相关论文：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05744-y
编辑 | 方圆排版 | 志海
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