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对话清华大学王宏伟教授:冷冻电镜石墨烯载网的科研探索和技术转化

2022-11-12 17:33   来源: 互联网

在我国过去五年的工作和新时代十年的伟大变革进程中,有多个领域取得重大成果,进入创新型国家行列,生物医药赫然在列。2011年,中国开始筹建国家蛋白质科学研究设施,清华大学作为该设施的重要基地之一,在过去十年里建成了世界上领先的冷冻电镜平台。借助这一优势,中国科学家们取得了众多举世瞩目的成就。

2011年,中国开始筹建国家蛋白质科学研究设施,清华大学作为该设施的重要基地之一,在过去十年里建成了世界上领先的冷冻电镜平台。借助这一优势,中国科学家们取得了众多举世瞩目的成就。

虽然已经成为结构生物学领域不可或缺的技术手段,但冷冻电镜技术仍然面临着一些瓶颈,其中一个重要瓶颈是冷冻样品的制备。冷冻样品的制备需要将含有生物大分子的溶液加到电镜载网上,然后将生物大分子瞬间冷冻在一层大约几十纳米厚的玻璃态冰层中。但目前通用的样品制备支撑膜容易导致生物大分子吸附到气液界面,从而发生分子结构变性等问题,使研究者难以解析到高分辨率的生物大分子结构。

如今,随着石墨烯载网的大规模应用,逐渐攻克了这一瓶颈。石墨烯具有高机械强度、高导电/热、厚度可达原子级等特性,是作为电镜样品支持膜的理想材料。

在北京大学彭海琳团队的支持下,王宏伟带领团队与其合作发明了功能化单晶石墨烯新型电镜载网,大大降低了冷冻电镜成像过程中支撑膜所产生的背景噪音,增强信噪比,也提高了生物大分子结构解析的效率。石墨烯载网的应用与推广,无疑是生物学发现史上具有里程碑意义的事件。

2017年,王宏伟联合创立水木未来,并将石墨烯载网进行科研成果转化。目前,水木未来推出拥有自主知识产权的冷冻电镜石墨烯载网GraFutureTM,这项技术已为几十家创新药企和科研机构提供了结构生物学和药物发现服务,并反哺了实验室的科学研究进展。

“首先是科学家”“始终是科学家”,这是王宏伟在采访中给笔者留下的最深刻印象,也是王宏伟开展一切工作的底层逻辑。不为商业化而商业化,这样的理念让水木未来商业平台有着更纯粹的初衷,更大的行业影响力,以及更广阔的前景。

除了科学家,王宏伟的另一个身份是老师。谈及人才培养,王宏伟直言,人才培养和保持先进性密切相关,要培养和鼓励不囿于常规、敢于挑战未知、敢于挑战难题的人才。而不囿于常规,敢于挑战未知,敢于挑战难题,也正是王宏伟科研之路的真实写照。

清华大学王宏伟教授

近日,笔者与这位中国石墨烯载网研究领航者进行了一次面对面交流,听他讲解冷冻电镜石墨烯载网对生物结构、以及生命本质的意义。以下为交流内容:

什么是冷冻电镜

作为一种获得诺贝尔奖的成像技术,冷冻电子显微镜(以下简称“冷冻电镜”)使科学家以亚纳米分辨率观察生物分子成为可能。

狮刀:什么是冷冻电镜,冷冻电镜在药物发现中的作用是什么?

王宏伟教授:在我们用电子显微镜观察生物样品时,由于电子显微镜里用来成像的电子束是一种高能的带电粒子,它对生物样品会产生辐照损伤,同时,电子显微镜里的真空环境会使围绕分子的水蒸发,从而导致样品变质,使研究者无法得到接近天然状态的分子解构。而冷冻是保护样品免受这些极端条件影响的方法。把生物样品冻到液氮的温度之下,保持样品尽量接近它的天然状态,再把冷冻样品放在冷冻电镜里拍摄高质量的电子显微镜的照片,这就是冷冻电镜的原理和优势。

所有药物在人体中发挥作用的原理,都是作用于细胞上特异的某些生物分子上,这种特异性的相互作用,就是药物分子和靶点分子之间的特异性相互作用。如何了解这种特异性相互作用的本质和原理?就像研究钥匙和锁的相互作用一样,一把钥匙开一把锁,钥匙的形状和锁孔的形状一定要匹配,而且匹配度要足够高,钥匙才能够把锁打开。

冷冻电镜作为结构生物学的一个重要方法,在解析药物分子和靶点相互作用方面是比较容易的,也是相对比较迅速的,这对设计更有效的药物分子非常有帮助。甚至在我们知道锁孔的结构,但还没有钥匙的时候,就可以根据锁孔的结构去反过来设计钥匙,这就是基于结构的药物设计,这也是结构生物学和冷冻电镜技术在药物发现领域的重要作用。在药品研发领域,冷冻电镜的应用场景是比较多的,包括但不限于原研新药的发现和对现有药物改造。

几年前我们和Brian Kobilka共同在 Nature chemical biology上发表的一个研究,通过冷冻电镜,我们看到了右美托咪定小分子与GPCR相互作用的方式。我们可以根据高分辨率的结构对右美托咪定小分子进行进一步改造,未来,可能会研发出更有效的麻醉剂,无论是它的特异性还是副作用,都可能进一步减少。

狮刀 :清华冷冻电镜平台在全球地位如何,我们拥有自主知识产权的冷冻电镜技术意味着什么?

王宏伟教授 :在本世纪头十年,冷冻电镜还是一门不被完全看好的小众技术,而正是在这一时期,清华决定起步建设冷冻电镜平台,为中国生命科学的发展赢得了宝贵先机。现在看来,这是一个非常重要的决定,对于我国在冷冻电子显微学领域处于世界领先地位,发挥了十分重要的作用。

目前,从仪器设备的规模和服务的实验室产出效益上来讲,我们冷冻电镜平台是全球最大的冷冻电镜平台之一,在世界上颇具竞争力。这也不是清华一所院校的功劳,在这个过程中,我们获得了其他团队的支持,在硬件和软件两方面都有一系列的自主知识产权技术,这为成果转化创造了条件,也加速了成果转化的进程。

比如,石墨烯材料方面,我们有北京大学彭海琳教授团队的支持;在软件方面,我们自主开发了电镜的算法和软件工具,包括数据收集、结构解析和建模的完整工作流,其中雷建林教授、李雪明教授都在开发软件和算法上也都做出了卓越贡献。这个平台是团队合作的成果,也证明了我国自主研发的实力。进入科研成果转化阶段,水木未来公司的CryoSMART冷冻电镜自动化软件平台在此基础上进一步结合AI,大幅提升了效率和使用体验,相信能够为未来结构生物学领域的核心科研软件国产化、全面提升国家生物学数据安全做出实质贡献。

狮刀目前,冷冻电镜的应用面临着哪些瓶颈?

王宏伟教授:冷冻电镜目前仍然面临着一些关键的挑战,如气液界面、背景噪音太强、成像过程中辐照损伤、样品颗粒抖动和优势取向等,使得该技术解析分子量较小、结构柔性、性质敏感、易于变性的生物大分子结构仍然非常困难。

其中一个重要的瓶颈就是冷冻样品的制备。样品是含水的,但水不能太厚也不能太薄,如果水太厚,噪音就会很大,分子的信号就会被水层淹没;如果水太薄,薄得比分子水层还薄,分子就会暴露到水膜外,从而改变分子的自然状态。因此,水膜的最佳厚度就是比我们要研究的生物大分子的尺寸刚好大一点点,也就是说,这层要把这层水膜做得尽量薄,而蛋白质又不会碰到气液界面,这种“刚刚好”的状态,是很不容易获得的。

新载网掀起“效率革命”

狮刀基于石墨烯开发的新型电镜载网,是如何推动冷冻电镜技术效率提升的?

王宏伟教授:石墨烯具有高机械强度、高导电/热、厚度可达原子级(~0.3nm)等特性,是非生物样品和含水生物样品支持膜的理想材料。

石墨烯载网表现出三大优势:是由于石墨烯薄到几乎透明,所以不管对于何种样品,石墨烯载网都会提供很好的支撑,并让样品保持非常高的自然状态;是对于生物样品来说,石墨烯载网可以有效地避免生物大分子接触气液界面,从而使样品保持自然状态。是石墨烯载网可以提高样品制备的成功率,虽然电子显微镜还是同样的电子显微镜,但由于石墨烯载网具有更低的背景噪音以及电子束诱导的样品漂移,让样品呈现更均匀分布等优势,有效提高了样品制备过程的可重复性,通过缩短样品制备过程中每个步骤的时间,石墨烯载网的应用大大提高了结构解析的效率。

狮刀您身为一名科学家,对于这项技术从实验室走到产业应用的过程中有哪些心得?

王宏伟教授:尽管我协助创立了水木未来,但我感兴趣的事情一直在是做科学发现和新技术的探索。之所以创立公司,一是对这项技术的需求量确实很大;二是我们的冷冻电镜技术已经成熟到可以商业化了。

早在七八年前,就有很多制药厂、生物技术公司希望能够与我们合作,利用我们的平台解析一些药物靶点的结构,去做新药的发现。但学校科研平台的主要目的是服务于科学发现,如果太多地服务于商业,就会把服务于科学发现的这些资源消耗掉。因此,我们积极地推动水木未来的成立,目的就是希望我们既能为行业和企业提供商业服务,又可以不占用学校的资源。

至于这个目的能否实现,以及能实现到什么程度,在2017年创立水木未来时,我本没有任何明确预期。现在回过头来看,在水木未来CEO郭春龙的带领下,企业的成长和发展已经远远超出了我的预期。

今天,水木未来已经能够为很多企业用户、科研机构用户提供服务,并且能够做出高质量的结构解析,可以说,当年创立水木未来时的初衷已经基本实现。但是作为科学家,我感兴趣的并非商业,仍然是如何把技术做得更好、效率更高。就石墨烯载网研究来说,我们已经做出了很多新的不同工艺制备的多种石墨烯载网。现在,我依然在实验室里开展新的研究和新的技术发明,未来,当这些技术成熟时,希望可以看到它们继续在水木未来进行转化,为行业和企业提供更好的技术服务和支持。

狮刀:在对结构生物学领域人才梯队的培养方面,您有什么规划?

王宏伟教授人才梯队的培养跟保持科学研究的先进性是密切相关的。我们应该始终保持培养最有创新意识、创新决心和创新能力,敢于挑战难题和未知,兼具提出问题能力和解决问题能力的人才,让这些人才脱颖而出,并在科学研究中有所建树。以我们结构生物学领域为例,对冷冻电镜技术及其新原理的探索、应用冷冻电镜做复杂结构的解析,以及对一些重要的生物学靶点、生物学通路机理的分析等工作,都需要这些人才发光发热。

人物名片:

王宏伟,清华大学生命科学学院院长,生命科学与医学研究院院长,党委教师工作部部长、人事处处长、人才资源开发办公室主任。主要研究方向为冷冻电镜方法学开发、细胞骨架和生物膜系统的协调机制、核酸质量控制的分子机制和调控。曾获国家杰出青年科学基金资助,获北京市师德榜样、北京市优秀教师等。


责任编辑:Linda
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