【广州日报】来自不同专业背景的年轻科学家在合成生物学领域大胆“跨界”做研究

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文章摘要:【广州日报】来自不同专业背景的年轻科学家在合成生物学领域大胆“跨界”做研究,斜行横阵雕龙画凤德农,格达邮品长得。

  

科研“杂牌军” 组队“玩”细菌  

在中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所里,一个“机器人研究员”在做合成生物学实验。   

 

  奋斗者

  傅雄飞

  中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所所长助理、研究员,博士生导师。

  2008年 浙江大学物理系本科毕业;

  2012年 香港大学获物理学博士学位;

  2013-2016年 在美国耶鲁大学分子细胞发育生物学系从事博士后研究。

  2016年9月加入先进院,主要研究方向是针对合成生物系统相关的回路设计、动力学模拟及稳定性分析等关键问题,通过数理模型和定量实验相结合的手段开展研究。

  80后、戴着黑框眼镜、穿着polo衫休闲裤、文质彬彬一派从容——博士生导师傅雄飞,打破了人们对科研工作者身着白大褂、埋头做研究的印象,而在合成生物学领域,傅雄飞已潜心探索10年。

  合成生物学,是近年来迅速发展的新兴交叉学科中冉冉升起的一颗新星,被认为将带来继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后的第三次生物技术革命。其实,合成生物学家傅雄飞并非生物学出身,而是以物理背景,为合成生物学打开数理方向的新思路。他跨界探索未知领域的经历,也是交叉学科的科学家们日常科研工作的缩影。

  这些年轻的“另类”学者,如何打破学科壁垒,在新技术背景下以“反传统”的方式在充满未知的领域“开疆扩土”?

  “另类”跨界:

  物理男投身生物学“玩”细菌

  中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称“先进院”)位于深圳南山西丽大学城。在一栋砖红色大楼里,一股正在崛起的合成生物学新生力量——先进院合成生物学研究所(筹)(以下简称“合成所”)隐身其中。

  众所周知,滥用抗生素导致了“超级细菌”的产生,但一直缺乏应对耐药菌感染的有效手段。而噬菌体的出现,让耐药菌有了“克星”。科学家们需要采用自动化高通量分析手段解析研究对象,才能提出有效的策略。

  合成所针对这一难题,组建了一支人工改造噬菌体治疗超级耐药菌研发团队。团队学术带头人是游凌冲教授,傅雄飞是该团队核心成员之一。

  现年32岁的傅雄飞是浙江嘉兴人,在浙江大学物理系读本科期间,女友(如今的妻子)就读于浙大生物系。“虽不能说完全受了女朋友的影响,但当时确实看到了生物学新兴领域充满了未知和可能。”提起老婆,傅雄飞言语中仍带着理工男的羞涩。

  2008年到2012年,傅雄飞在香港大学读物理博士期间,为“老本行”注入了“新活力”,他以物理背景在合成生物学领域进行理论、建模、分析等方向的研究,更带领学生团队参加了由麻省理工创办、被誉为“合成生物学世锦赛”的国际遗传工程机器设计大赛并获得金奖。

  2013年开始,傅雄飞在美国耶鲁大学分子细胞发育生物学系从事博士后研究。2016年9月他加入先进院,成了第三个加入合成所的青年课题负责人。2018年5月,他所负责的课题组利用合成生物学手段揭示了细菌群体迁移的协调机制,成果发表在《自然·通讯》上。

  “回国是大趋势,国内科技投入越来越高,科研条件也与国外相当,甚至超越国外,产业环境和政府支持力度也很好,很多人愿意回来。”傅雄飞的心路,也是这个年轻的科研团队选择投身祖国科研领域的一个缩影。

  研究细菌的耐药机制和开发噬菌体药剂,只是傅雄飞以数理背景在合成生物学研究进行有力“助攻”的课题之一。傅雄飞在合成所所带领的课题组实验室,主要方向是通过数理模型和定量实验相结合的研究手段,研究生物系统中的基本问题。前期成果已发表在Science(《科学》)、Phys Rev Lett(《物理评论快报》)等国际重要学术期刊上。

  头脑“风暴”:

  天马行空的想象换来新突破

  合成生物学是基于生命科学、工程学、信息科学和其他定量基础科学的新兴交叉学科。学科的内涵决定了“交叉互补”是组建研究团队时需要把握的第一要义。

  这支平均年龄只有36岁的队伍,专业背景各不相同——所长刘陈立来自微生物学研究方向,戴俊彪是合成基因组学方向,马迎飞是生物信息学方向,戴磊是研究生态进化,来自分析化学的黄术强专攻微流控芯片,有化学生物学背景的李楠从事蛋白质组学研究,于寅是组织工程方向,胡勇主攻干细胞,傅雄飞有理论物理背景……虽然曾经主攻的学科不一样,但他们却有着共同的身份——“跨界”合成生物学家。

  每一两周,全所的PI(课题组组长)会召开“头脑风暴”,“天马行空”地思索如何利用合成生物学技术实现创新突破。

  一次,马迎飞在与游凌冲教授交谈时,想到在人体感染和水产养殖病害中,如何能结合大家的差异化优势,发挥合成生物学的强大功能,并在耐药菌感染治疗中实现具体产业化应用。

  “因为噬菌体是细菌的天敌,而且对细菌有很强的专一性。”傅雄飞介绍。大家经过简单讨论,一拍即合,迅速将目标锁定在了噬菌体,一种针对于细菌的特异性病毒生命体。

  相比传统抗生素,噬菌体有明显优势。噬菌体可依赖体内的宿主进行复制,因此仅需很小的剂量即可达到治疗目的;噬菌体比抗生素专一性强,对机体本身正常的微生物群落影响很小,副作用较小。而且不受细菌多重耐药的影响,可用于对抗生素过敏的患者,可单独使用也可结合抗生素使用以减少抗性菌的出现。

  于是,该团队成员迅速利用各自专长将整个项目分解开来:马迎飞可以预测如何对噬菌体进行合成生物学改造;游凌冲可以做超级耐药菌的产生和传播机制;来自分析化学的黄术强可以快速对改造后的噬菌体进行筛选筛查;理论物理方向的傅雄飞可以构建噬菌体和细菌之间互作的定量数学模型。如今,该项目已获得2017年度海外高层次人才孔雀团队项目资助。

  “首先,团队中的生物学家抛出一个生物学问题,我们以目的为导向,利用大家的专长和不同的眼光对问题进行剖析。这就相当于集团军,海陆空各个兵种都有,围绕同一个问题尽力解决。”傅雄飞表示。

  由于研究的是新兴交叉学科,该研究中心以差异化招聘拥有不同专长的科研人员,就像是在做一幅合成生物学的拼图,每个人的研究方向都不一样,观察同一个问题的角度也就不一样。这支队伍虽是“杂牌军”,但即使在国际上,像这样拥有灵活机制、“兵强马壮”的科研团队也是少见的。

  “快乐”科研:

  “埋头实验室”的日子一去不返

  目前,该研究团队中很快将拥有近20位PI,他们来自众多世界知名学府。

  “科技带头人年纪最大的也才40岁出头,绝大部分是80后,马上就有90后了。”傅雄飞笑着说:“生物领域的科研出成果都是很慢的,特别需要时间和耐心。”许多年轻人在一起的工作氛围,让原本枯燥的研究工作充满了活力。

  除了喜欢喝美式咖啡,以傅雄飞为代表的先进院年轻科学家们,在工作之余也喜欢休闲和运动。随着技术的进步,没日没夜地在实验室埋头苦干的日子,已经一去不复返了。

  在合成所实验室里,身着白大褂的研究员们在专注地操作仪器和摆弄试剂;实验室左侧,仅一玻璃墙之隔,一个拥有灵活机械臂的“机器人研究员”忙碌地高速穿梭在各种设备中,全程不需人为操控。

  傅雄飞介绍,这套小型自动化研究设备属于自动化实验室的一部分,也是近两年国际流行的科研方式。越来越“自动化”的高通量实验室,极大地解放了科研人员的“双手”,让他们有更多精力释放“脑力”,碰撞出更多创新成果。

  “先进院本身是多学科交叉的单位,比如想要一套自动化试验设备,需要设计软件、机器人方面的人才,不需要找外单位的,找隔壁的人就行,这个氛围很好。”傅雄飞说。目前,合成所在合成生命体设计原理、人工合成酵母染色体、人工改造细菌治疗肿瘤等方面取得了突破。

  据介绍,目前由先进院牵头打造的“合成生物研究重大科技基础设施”(简称“大设施”)已经获深圳发改委批复立项,该项目计划投资约10亿元,预计今年年底动工。它将成为我国首个将软件控制、硬件设备和合成生物学应用进行整合的大型规模化合成生命体制造系统,将实现全流程高度集成和流水线作业,居国际领先水平。

  “生物研究的趋势,一个是自动化,一个是标准化,这将会大大减少人手操作造成的误差。未来,传统劳动密集型的生物实验方法,将由机器人来替代。”

  “全自动化实验室全世界都是刚刚起步,我们打算做的合成生物‘大设备’,将会为国内自动化科研设备打破国际垄断、实现弯道超车提供契机。”

  “珠三角区域,有非常适合生命健康产业发展的土壤。这里有良好的产业基础,政府重视、政策环境好,年轻人机会多,大门开放着,人才自然愿意来。”

  ——傅雄飞

  奋斗底色

  180公里“科创走廊”

  抢占关键核心技术制高点

  深圳先进院的前瞻布局和战略创新正在结出丰硕成果,不仅展示了广东在“科技研发”上的硬实力,也是广深创新走廊里,以“创新研发型节点”推动区域发展的一个样板和缩影。

  去年12月,《广深科技创新走廊规划》正式印发,提出到2050年将建成国际一流的科技产业创新中心。这条长度约180公里的“科创走廊”纵贯广深莞三市轴线区域,依托“一廊十核多节点”的空间格局,着力集聚创新人才、科技成果、创新型企业,抢占关键核心技术制高点,将是为全国实施创新驱动发展战略提供支撑的重要载体,也是粤港澳大湾区国际科技创新中心的主要承载区、珠三角国家自主创新示范区的核心区。

  从科研机构来看,截至2016年年底,广深莞三市拥有双一流建设高校2所和建设学科18个,25家国家重点实验室、16家国家工程中心、97家新型研发机构、449家科技企业孵化器,集中布局国家超级计算广州中心、国家超级计算深圳中心、东莞散裂中子源、大亚湾中微子实验室、深圳国家基因库等重大科技基础设施,全省的国家大科学中心大部分聚集在这条科创长廊上。这里还拥有“海外高层次人才引进计划”专家161名,广东省“珠江人才计划”创新团队112个。

  大事记:

  2008年1月28日:中国广核集团与中国科学院签订大亚湾反应堆中微子实验合作协议,开创了企业资助国家大型基础科学研究的先例。

  2009年:国家超级计算深圳中心建成,目前是国内资源使用率最高的超算中心。

  2013年6月:国家十二五863计划重大项目的标志性成果“天河二号”正式落户国家超级计算广州中心,打破了美日长期垄断世界超算头把交椅的局面。

  2013年至2015年:“天河二号”在超级计算机500强排行榜上连续6次排名世界第一,成为世界超算史上第一台连续6次夺冠的超级计算机,打破超算领域世界纪录。

  2016年9月:位于深圳大鹏的国家基因库开业,这是我国目前唯一的国家基因库,也是继美国、英国和日本之后,世界上第四个建成的类似基因库。

  2018年3月:全国首台、世界第四台脉冲型散裂中子源在东莞市大朗镇建成,填补了国内脉冲中子应用领域的空白。

  2018年8月27日A8版报道:http://www.bodysmartllc.com/203/pc/html/2018-08/27/content_98786_538641.htm   

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