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冷冻电镜“成长的烦恼”:人才依然是短板

日期:2019-01-29 11:36:12 来源: 中国科学报 点击:

 

2017年10月4日是冷冻电镜的“高光”时刻。这一天,瑞典皇家科学院向全世界宣布,将2017年诺贝尔化学奖颁给发明冷冻电镜的三位学者:哥伦比亚大学教授约阿基姆·弗兰克(Joachim Frank)、英国剑桥大学生物学家和生物物理学家理查德·亨德森(Richard Henderson)以及瑞士洛桑大学生物物理学荣誉教授雅克·迪波什(Jacques Dubochet),以表彰他们在冷冻显微技术领域的贡献。

“科学发现往往建立在对肉眼看不见的微观世界进行成功显像的基础之上,但是在很长时间里,已有的显微技术无法充分展示分子生命周期全过程,在生物化学图谱上留下很多空白,而低温冷冻电子显微镜将生物化学带入了一个新时代。”诺贝尔奖评选委员会如是说。

事实上,近年来冷冻电镜的“高光”时刻不只这一个,正如中国科学院院士、清华大学生命科学学院教授隋森芳所言,此前生物学领域应用冷冻电镜产出的一系列高水平论文让原子水平解释生命现象成为可能。从分子级别到原子级别,这是生物学领域的巨大突破,冷冻电镜的重要意义不言而喻。

技术快速发展

冷冻电镜到底是什么?从上世纪70年代兴起至今,冷冻电子显微技术(cryo-electron microscopy, cryo-EM)已经跨越了40多年的发展历史,经历了冷冻制样、单颗粒图像分析和三维重构算法等关键性技术的突破。

通俗而言,冷冻电镜就是在传统透射电子显微镜之上,加上了低温传输系统和冷冻防污染系统。

中国科学院上海药物研究所冷冻电镜平台(筹)负责人余学奎向《中国科学报》介绍道,冷冻电子显微技术主要包括单颗粒冷冻电镜技术(single-particle cryo-EM)和冷冻电子断层扫描技术(cryo-electron tomography,cryo-ET)。

单颗粒冷冻电镜技术首先捕获大量随机分布的同一种生物样品的二维图像,然后通过图像处理算法解析其三维结构。

近年来,随着冷冻电镜设备和计算机软硬件的快速发展,特别是随着直接电子探测器(Direct Electron Detector,DED)在冷冻电镜中的应用,单颗粒冷冻电镜技术迈进了原子分辨率水平,在生物学、医学和新药研发等领域发挥着越来越重要的作用。

Cryo-ET则通过记录单个生物样品在倾斜旋转过程中投影的一系列二维图像,采用特殊的算法计算,将二维图像重构为三维断层图像。Cryo-ET主要研究组织、细胞和微生物中的超微结构,它能够提供生理环境下大分子复合物纳米、亚纳米甚至近原子尺度的原位结构信息以及其与其它大分子的相互作用信息。

Cryo-ET日益发展成为研究细胞结构与功能的主要技术手段。

需补齐人才“短板”

显然,填补生物化学图谱上的“空白”成为“新时代”生命科学研究领域的新赛道,各国科学家争先在这里施展拳脚。算上2018年11月19日南方科技大学的冷冻电镜中心揭牌,仅国内科研机构引进高端电镜设备就已超过20台。

隋森芳告诉《中国科学报》,与国际上相比,国内该领域研究机构虽然硬件设备条件有了极大提升,但人才依然是短板。

余学奎对此表示认同。他表示,尽管冷冻电镜设备非常昂贵,但包括中国、欧州和美国等众多国家,都在投入大量资金购买冷冻电镜设备,因此冷冻电镜相关人才短缺是一个世界性问题。“由于我国在相关领域发展时间较短而又最为快速,其人才短缺问题尤其严重。”

如果这些好的电镜设备要转化成研究成果,还需要国家在政策上鼓励,隋森芳表示,“电镜人才不是‘批量生产’的,是一个一个培养的,需要经过从样品制备到控制电镜在什么条件下输数据再到图像处理等比较全面的培养过程”。

在结构生物学领域,30岁~40岁这一年龄层次有一批国际顶尖的科学家是华人科学家。

“尽可能多地加大海外人才的引进,这是一个比较‘短平快’的方式,另一方面,也要让国内培养的年轻学者留下来。”隋森芳说。

隋森芳表示,冷冻电镜的人才短缺主要包括两个方面,一是应用冷冻电镜解决生命科学问题的人才,二是对冷冻电镜设备进行管理和运行的人才。不过,前者较易通过引进海外优秀人才的方式使其短时间内尽可能填补,后者则需要国家创造更好的留住或培养人才的条件。

“管理和运行冷冻电镜设备的专业人才,他们的重要性一点儿都不比电镜的应用人才差。”隋森芳告诉《中国科学报》,“但是,我们需要提供与之相匹配的待遇和人才管理机制,为他们提供好的上升空间,不能单纯用论文来衡量。”

“国内硬件条件很好了,但很多海外相关领域人才不愿意回来,就是因为周围科研的软环境还不够。实际上人比设备还重要,人才和设备应并重。”隋森芳说,“国家应该在高端电镜关键技术上加大投入,设立研究方向做引导。”

前期积累薄弱

当前,冷冻电镜设备的生产技术却几乎完全被欧洲和日本的厂商垄断。

隋森芳告诉《中国科学报》,全世界生产冷冻电镜的厂商只有日本电子、日立和荷兰的FEI(现已被赛默飞公司收购)3家。

“目前国内没有一家企业生产透射式电镜。”余学奎也对《中国科学报》表示,在冷冻电镜的市场占有率方面,几乎是FEI一家独大的局面,与冷冻电镜配套的直接电子探测器也主要是美国Gatan公司的K2相机。

“国内在应用冷冻电镜解析生物大分子结构方面处于世界领先水平,其与国外先进水平的差距主要在冷冻电镜及其配套设备的研发制造方面。”余学奎表示。那么,为什么没有国内厂商生产冷冻电镜,存在哪些“卡脖子”问题?

“现阶段国内厂商做整机不一定拼得过国外同行。”隋森芳表示,国外的先进电镜设备都是经过几十年的技术积累,如果国内想急于求成做高端电镜,“我觉得以我们现在的积累,条件并不是特别成熟”。

“科学家也爱国,当然也希望采用国产的设备。”隋森芳说,但科研工作者需要通过设备使用去解决最前沿的生物学问题,“谁的好肯定是用谁的”。而就目前的设备技术水平来看,市场已经被国外先进公司占领,国产电镜即使投入大资金快速发展也很难在短期内达到国外先进电镜设备所得实验结果的可信度。

在余学奎看来,冷冻电镜设备或技术的研发涉及材料、光学、生物、计算科学、半导体、系统集成和先进制造等多个学科技术领域,加之冷冻电镜在过去很长一段时间都是一个小众市场,“我国对相关领域缺乏足够重视和长期投入,这也许是我国与国际先进行列存在差距的主要原因”。

如此背景下,在某些具体核心技术上发力或许是国内相关领域摆脱依赖、实现“突围”的不错选择。

隋森芳认为,可以集中力量在图像采集技术、图像处理和结构解析、以及冷冻系统的样品制备技术,各个击破,可以先在这些具体技术上发展。

“这些核心技术发展之后,再做冷冻电镜整机,自然而然就有了一定的积累。”隋森芳说。他补充道,基础核心技术发展起来之后,不仅电镜可以使用,也可以在一些军事或其他产业得到应用。

发论文并不因“电镜”变易

近年来,随着公众对生物科学认知度的提高,每有科研机构投入大量资金引进高端电镜设备,网络上总会出现一些声音,认为“买电镜”是为了“刷论文”,“冷冻电镜让结构生物学很容易在顶级期刊上发表论文”“实用价值有限”等。对此,隋森芳认为并非如此。

“结构生物学以前出了一批好的论文,但这些论文也是不容易的,这些成果都是一个实验室多年积累的结果。”隋森芳告诉《中国科学报》,“网络有时候并不能特别真实地反映科学研究的艰辛程度。如果说发论文是个优势的话,我觉得还应该继续发挥。”

隋森芳表示,不管是药物还是生命的问题,最基本的还是要从分子、原子层解释其机制,那就需要做结构分析,而做结构分析“看得最清楚那就是电镜了”。

“可以肯定的是,对于大学来说,发表论文还是重要的,至少在自然科学领域。”隋森芳告诉《中国科学报》,“唯论文不好,不要论文也不行,是不是有实用性不是大学能决定的。大学做基础研究就是发现问题,发现的问题怎么表现出来?通过论文。基础研需要通过论文来反映学术水平。”



(责任编辑:sgx)

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