對話清華大學(xué)王宏偉教授：冷凍電鏡石墨烯載網(wǎng)的科研探索和技術(shù)轉(zhuǎn)化
在我國過去五年的工作和新時代十年的偉大變革進(jìn)程中，有多個領(lǐng)域取得重大成果，進(jìn)入創(chuàng)新型國家行列，生物醫(yī)藥赫然在列。2011年，中國開始籌建國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施，清華大學(xué)作為該設(shè)施的重要基地之一，在過去十年里建成了世界上領(lǐng)先的冷凍電鏡平臺。借助這一優(yōu)勢，中國科學(xué)家們?nèi)〉昧吮姸嗯e世矚目的成就。
2011年，中國開始籌建國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施，清華大學(xué)作為該設(shè)施的重要基地之一，在過去十年里建成了世界上領(lǐng)先的冷凍電鏡平臺。借助這一優(yōu)勢，中國科學(xué)家們?nèi)〉昧吮姸嗯e世矚目的成就。
雖然已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)手段，但冷凍電鏡技術(shù)仍然面臨著一些瓶頸，其中一個重要瓶頸是冷凍樣品的制備。冷凍樣品的制備需要將含有生物大分子的溶液加到電鏡載網(wǎng)上，然后將生物大分子瞬間冷凍在一層大約幾十納米厚的玻璃態(tài)冰層中。但目前通用的樣品制備支撐膜容易導(dǎo)致生物大分子吸附到氣液界面，從而發(fā)生分子結(jié)構(gòu)變性等問題，使研究者難以解析到高分辨率的生物大分子結(jié)構(gòu)。
如今，隨著石墨烯載網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用，逐漸攻克了這一瓶頸。石墨烯具有高機(jī)械強(qiáng)度、高導(dǎo)電/熱、厚度可達(dá)原子級等特性，是作為電鏡樣品支持膜的理想材料。
在北京大學(xué)彭海琳團(tuán)隊的支持下，王宏偉帶領(lǐng)團(tuán)隊與其合作發(fā)明了功能化單晶石墨烯新型電鏡載網(wǎng)，大大降低了冷凍電鏡成像過程中支撐膜所產(chǎn)生的背景噪音，增強(qiáng)信噪比，也提高了生物大分子結(jié)構(gòu)解析的效率。石墨烯載網(wǎng)的應(yīng)用與推廣，無疑是生物學(xué)發(fā)現(xiàn)史上具有里程碑意義的事件。
2017年，王宏偉聯(lián)合創(chuàng)立水木未來，并將石墨烯載網(wǎng)進(jìn)行科研成果轉(zhuǎn)化。目前，水木未來推出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的冷凍電鏡石墨烯載網(wǎng)GraFutureTM，這項(xiàng)技術(shù)已為幾十家創(chuàng)新藥企和科研機(jī)構(gòu)提供了結(jié)構(gòu)生物學(xué)和藥物發(fā)現(xiàn)服務(wù)，并反哺了實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)研究進(jìn)展。
“首先是科學(xué)家”“始終是科學(xué)家”，這是王宏偉在采訪中給筆者留下的最深刻印象，也是王宏偉開展一切工作的底層邏輯。不為商業(yè)化而商業(yè)化，這樣的理念讓水木未來商業(yè)平臺有著更純粹的初衷，更大的行業(yè)影響力，以及更廣闊的前景。
除了科學(xué)家，王宏偉的另一個身份是老師。談及人才培養(yǎng)，王宏偉直言，人才培養(yǎng)和保持先進(jìn)性密切相關(guān)，要培養(yǎng)和鼓勵不囿于常規(guī)、敢于挑戰(zhàn)未知、敢于挑戰(zhàn)難題的人才。而不囿于常規(guī)，敢于挑戰(zhàn)未知，敢于挑戰(zhàn)難題，也正是王宏偉科研之路的真實(shí)寫照。
清華大學(xué)王宏偉教授
近日，筆者與這位中國石墨烯載網(wǎng)研究領(lǐng)航者進(jìn)行了一次面對面交流，聽他講解冷凍電鏡石墨烯載網(wǎng)對生物結(jié)構(gòu)、以及生命本質(zhì)的意義。以下為交流內(nèi)容：
什么是冷凍電鏡？
作為一種獲得諾貝爾獎的成像技術(shù)，冷凍電子顯微鏡（以下簡稱“冷凍電鏡”）使科學(xué)家以亞納米分辨率觀察生物分子成為可能。
獅刀：什么是冷凍電鏡，冷凍電鏡在藥物發(fā)現(xiàn)中的作用是什么？
王宏偉教授：在我們用電子顯微鏡觀察生物樣品時，由于電子顯微鏡里用來成像的電子束是一種高能的帶電粒子，它對生物樣品會產(chǎn)生輻照損傷，同時，電子顯微鏡里的真空環(huán)境會使圍繞分子的水蒸發(fā)，從而導(dǎo)致樣品變質(zhì)，使研究者無法得到接近天然狀態(tài)的分子解構(gòu)。而冷凍是保護(hù)樣品免受這些極端條件影響的方法。把生物樣品凍到液氮的溫度之下，保持樣品盡量接近它的天然狀態(tài)，再把冷凍樣品放在冷凍電鏡里拍攝高質(zhì)量的電子顯微鏡的照片，這就是冷凍電鏡的原理和優(yōu)勢。
所有藥物在人體中發(fā)揮作用的原理，都是作用于細(xì)胞上特異的某些生物分子上，這種特異性的相互作用，就是藥物分子和靶點(diǎn)分子之間的特異性相互作用。如何了解這種特異性相互作用的本質(zhì)和原理？就像研究鑰匙和鎖的相互作用一樣，一把鑰匙開一把鎖，鑰匙的形狀和鎖孔的形狀一定要匹配，而且匹配度要足夠高，鑰匙才能夠把鎖打開。
冷凍電鏡作為結(jié)構(gòu)生物學(xué)的一個重要方法，在解析藥物分子和靶點(diǎn)相互作用方面是比較容易的，也是相對比較迅速的，這對設(shè)計更有效的藥物分子非常有幫助。甚至在我們知道鎖孔的結(jié)構(gòu)，但還沒有鑰匙的時候，就可以根據(jù)鎖孔的結(jié)構(gòu)去反過來設(shè)計鑰匙，這就是基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計，這也是結(jié)構(gòu)生物學(xué)和冷凍電鏡技術(shù)在藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的重要作用。在藥品研發(fā)領(lǐng)域，冷凍電鏡的應(yīng)用場景是比較多的，包括但不限于原研新藥的發(fā)現(xiàn)和對現(xiàn)有藥物改造。
幾年前我們和Brian Kobilka共同在 Nature chemical biology上發(fā)表的一個研究，通過冷凍電鏡，我們看到了右美托咪定小分子與GPCR相互作用的方式。我們可以根據(jù)高分辨率的結(jié)構(gòu)對右美托咪定小分子進(jìn)行進(jìn)一步改造，未來，可能會研發(fā)出更有效的麻醉劑，無論是它的特異性還是副作用，都可能進(jìn)一步減少。
獅刀 ：清華冷凍電鏡平臺在全球地位如何，我們擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的冷凍電鏡技術(shù)意味著什么？
王宏偉教授 ：在本世紀(jì)頭十年，冷凍電鏡還是一門不被完全看好的小眾技術(shù)，而正是在這一時期，清華決定起步建設(shè)冷凍電鏡平臺，為中國生命科學(xué)的發(fā)展贏得了寶貴先機(jī)?，F(xiàn)在看來，這是一個非常重要的決定，對于我國在冷凍電子顯微學(xué)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，發(fā)揮了十分重要的作用。
目前，從儀器設(shè)備的規(guī)模和服務(wù)的實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)出效益上來講，我們冷凍電鏡平臺是全球最大的冷凍電鏡平臺之一，在世界上頗具競爭力。這也不是清華一所院校的功勞，在這個過程中，我們獲得了其他團(tuán)隊的支持，在硬件和軟件兩方面都有一系列的自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，這為成果轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了條件，也加速了成果轉(zhuǎn)化的進(jìn)程。
比如，石墨烯材料方面，我們有北京大學(xué)彭海琳教授團(tuán)隊的支持；在軟件方面，我們自主開發(fā)了電鏡的算法和軟件工具，包括數(shù)據(jù)收集、結(jié)構(gòu)解析和建模的完整工作流，其中雷建林教授、李雪明教授都在開發(fā)軟件和算法上也都做出了卓越貢獻(xiàn)。這個平臺是團(tuán)隊合作的成果，也證明了我國自主研發(fā)的實(shí)力。進(jìn)入科研成果轉(zhuǎn)化階段，水木未來公司的CryoSMART冷凍電鏡自動化軟件平臺在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合AI，大幅提升了效率和使用體驗(yàn)，相信能夠?yàn)槲磥斫Y(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的核心科研軟件國產(chǎn)化、全面提升國家生物學(xué)數(shù)據(jù)安全做出實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)。
獅刀：目前，冷凍電鏡的應(yīng)用面臨著哪些瓶頸？
王宏偉教授：冷凍電鏡目前仍然面臨著一些關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，如氣液界面、背景噪音太強(qiáng)、成像過程中輻照損傷、樣品顆粒抖動和優(yōu)勢取向等，使得該技術(shù)解析分子量較小、結(jié)構(gòu)柔性、性質(zhì)敏感、易于變性的生物大分子結(jié)構(gòu)仍然非常困難。
其中一個重要的瓶頸就是冷凍樣品的制備。樣品是含水的，但水不能太厚也不能太薄，如果水太厚，噪音就會很大，分子的信號就會被水層淹沒；如果水太薄，薄得比分子水層還薄，分子就會暴露到水膜外，從而改變分子的自然狀態(tài)。因此，水膜的最佳厚度就是比我們要研究的生物大分子的尺寸剛好大一點(diǎn)點(diǎn)，也就是說，這層要把這層水膜做得盡量薄，而蛋白質(zhì)又不會碰到氣液界面，這種“剛剛好”的狀態(tài)，是很不容易獲得的。
新載網(wǎng)掀起“效率革命”
獅刀：基于石墨烯開發(fā)的新型電鏡載網(wǎng)，是如何推動冷凍電鏡技術(shù)效率提升的？
王宏偉教授：石墨烯具有高機(jī)械強(qiáng)度、高導(dǎo)電/熱、厚度可達(dá)原子級（～0.3nm）等特性，是非生物樣品和含水生物樣品支持膜的理想材料。
石墨烯載網(wǎng)表現(xiàn)出三大優(yōu)勢：一是由于石墨烯薄到幾乎透明，所以不管對于何種樣品，石墨烯載網(wǎng)都會提供很好的支撐，并讓樣品保持非常高的自然狀態(tài)；二是對于生物樣品來說，石墨烯載網(wǎng)可以有效地避免生物大分子接觸氣液界面，從而使樣品保持自然狀態(tài)。三是石墨烯載網(wǎng)可以提高樣品制備的成功率，雖然電子顯微鏡還是同樣的電子顯微鏡，但由于石墨烯載網(wǎng)具有更低的背景噪音以及電子束誘導(dǎo)的樣品漂移，讓樣品呈現(xiàn)更均勻分布等優(yōu)勢，有效提高了樣品制備過程的可重復(fù)性，通過縮短樣品制備過程中每個步驟的時間，石墨烯載網(wǎng)的應(yīng)用大大提高了結(jié)構(gòu)解析的效率。
獅刀：您身為一名科學(xué)家，對于這項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的過程中，有哪些心得？
王宏偉教授：盡管我協(xié)助創(chuàng)立了水木未來，但我感興趣的事情一直在是做科學(xué)發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的探索。之所以創(chuàng)立公司，一是對這項(xiàng)技術(shù)的需求量確實(shí)很大；二是我們的冷凍電鏡技術(shù)已經(jīng)成熟到可以商業(yè)化了。
早在七八年前，就有很多制藥廠、生物技術(shù)公司希望能夠與我們合作，利用我們的平臺解析一些藥物靶點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，去做新藥的發(fā)現(xiàn)。但學(xué)?？蒲衅脚_的主要目的是服務(wù)于科學(xué)發(fā)現(xiàn)，如果太多地服務(wù)于商業(yè)，就會把服務(wù)于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的這些資源消耗掉。因此，我們積極地推動水木未來的成立，目的就是希望我們既能為行業(yè)和企業(yè)提供商業(yè)服務(wù)，又可以不占用學(xué)校的資源。
至于這個目的能否實(shí)現(xiàn)，以及能實(shí)現(xiàn)到什么程度，在2017年創(chuàng)立水木未來時，我本沒有任何明確預(yù)期?，F(xiàn)在回過頭來看，在水木未來CEO郭春龍的帶領(lǐng)下，企業(yè)的成長和發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我的預(yù)期。
今天，水木未來已經(jīng)能夠?yàn)楹芏嗥髽I(yè)用戶、科研機(jī)構(gòu)用戶提供服務(wù)，并且能夠做出高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)解析，可以說，當(dāng)年創(chuàng)立水木未來時的初衷已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)。但是作為科學(xué)家，我感興趣的并非商業(yè)，仍然是如何把技術(shù)做得更好、效率更高。就石墨烯載網(wǎng)研究來說，我們已經(jīng)做出了很多新的不同工藝制備的多種石墨烯載網(wǎng)。現(xiàn)在，我依然在實(shí)驗(yàn)室里開展新的研究和新的技術(shù)發(fā)明，未來，當(dāng)這些技術(shù)成熟時，希望可以看到它們繼續(xù)在水木未來進(jìn)行轉(zhuǎn)化，為行業(yè)和企業(yè)提供更好的技術(shù)服務(wù)和支持。
獅刀：在對結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域人才梯隊的培養(yǎng)方面，您有什么規(guī)劃？
王宏偉教授：人才梯隊的培養(yǎng)跟保持科學(xué)研究的先進(jìn)性是密切相關(guān)的。我們應(yīng)該始終保持培養(yǎng)最有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新決心和創(chuàng)新能力，敢于挑戰(zhàn)難題和未知，兼具提出問題能力和解決問題能力的人才，讓這些人才脫穎而出，并在科學(xué)研究中有所建樹。以我們結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域?yàn)槔瑢鋬鲭婄R技術(shù)及其新原理的探索、應(yīng)用冷凍電鏡做復(fù)雜結(jié)構(gòu)的解析，以及對一些重要的生物學(xué)靶點(diǎn)、生物學(xué)通路機(jī)理的分析等工作，都需要這些人才發(fā)光發(fā)熱。
人物名片：
王宏偉，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長，生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究院院長，黨委教師工作部部長、人事處處長、人才資源開發(fā)辦公室主任。主要研究方向?yàn)槔鋬鲭婄R方法學(xué)開發(fā)、細(xì)胞骨架和生物膜系統(tǒng)的協(xié)調(diào)機(jī)制、核酸質(zhì)量控制的分子機(jī)制和調(diào)控。曾獲國家杰出青年科學(xué)基金資助，獲北京市師德榜樣、北京市優(yōu)秀教師等。
