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Nature:十位中国科学之星,生物医学占4位(都是女性)

2016.6.22

  2016年6月21日北京时间凌晨1点,《自然》杂志发表了Science stars of China这篇新闻特写文章,Nature.com的官方微信号"Nature自然科研”同时放出此文的中文版《中国科学之星》。他们由该刊记者和编辑选出,在神经科学、中微子、空间科学以及结构生物学等领域有重要影响,对提升中国在全球科学领域的地位起到了重要作用。

  其中有5人来自中科院系统。他们包括,中科院遗传发育所高彩霞(最先将CRISPR-Cas9基因编辑技术用于小麦和大米等农作物上);中科院国家空间中心吴季(其基础空间科学任务将科学发现放在了中国空间计划的核心位置上);中科院高能物理所所长王贻芳(希望建造50~100公里环形粒子对撞机接替欧洲核子研究中心27公里长的大型强子对撞机);中科院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹(改写了亚洲第一个解剖学意义上的现代人历史);中国科学技术大学教授陆朝阳(被评为推进中国掌握量子信息技术的一颗新星)。

  其他入选科学之星的科学家包括清华大学颜宁(观察到了蛋白质在原子层面是如何工作的);香港科技大学叶玉如(在基础神经生物学上的研究和对大脑健康的转化研究提升了中国生物技术);中国环保部部长陈吉宁(提升了政府确保地方政府和企业遵循污染和工业发展规范的力度);上海海洋大学深渊科学技术研究中心主任崔维成(正在领导一支队伍向地球最深处进军);国家海洋局极地考察办公室秦为稼(帮助揭开南极冰盖的历史)。

  《自然》编辑理查德·莫纳斯特斯基说:“这10位科学家凸显了中国创新的广度以及对于创新的承诺,中国将继续其强劲的推动力,从而成为科学的领导者。”

  以下是根据“Nature自然科研”微信公众号整理的四位与生物医学相关的学者,依次是:香港科技大学叶玉如、清华大学颜宁、中科院遗传发育所高彩霞、中科院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹。

  叶玉如:牵线搭桥

  在她职业生涯的大部分时间里,叶玉如一直在牵线搭桥。叶玉如出生于香港,她在哈佛大学医学院攻读了博士学位,研究神经递质,并在那时找到了自己的科研志向。然后,她跨界进入生物技术行业,探索支持神经元存活和发育的神经营养因子。1993年,她携知识和经验回到故土,并加入了刚刚成立两年的香港科技大学。

  她说,搬到一个不以研究著称的地方“被认为是很大胆的举动”,但她想为香港做出贡献。自那时起,她通过自己的领导和研究工作,促进了香港科学和生物技术的发展。“我睡得非常少,”叶玉如说,她每天的工作时间超过12小时。她还称赞了自己的支持团队。“当你在做自己喜欢的事情的时候,时间就过得飞快。” 她很大一部分的工作时间都与自己的大型研究团队共同渡过;这支团队横跨了基础神经生物学和神经性疾病的转化研究等领域。

  回国以来,叶玉如见证了巨大的转变:香港在1997年回归中国,她也见证了中国大陆科学的蓬勃发展。现在,叶玉如正在搭起一座沟通大陆的桥梁:她希望能接触到大量患有阿尔茨海默病等疾病的人口,以推进临床研究;培训同时具有临床医学和研究技能的人才,并在中国正在开展的一项大型脑计划中的承担重要角色。“我告诉我的学生们,有时你并不知道研究会带你走向何方。”

  结构生物学家解码问题蛋白质

  颜宁:晶体行家

  小时候,颜宁读过一本16世纪的中国经典小说,小说的主角是一只可以变身成为其他动物的猴子。颜宁很想知道如果自己也能变身会是什么感觉:“如果你能把自己缩小到分子或蛋白质的大小,那一定是个截然不同的世界。”她还记得自己这样想道。现在,作为一名顶尖的结构生物学家,颜宁每天都生活在那个世界里,研究蛋白质在原子层面如何工作。她说:“我成为结构生物学家几乎是命中注定的。”

  颜宁在普林斯顿大学做了博士和博士后研究,并于2007年在清华大学设立了自己的实验室。当时她30岁,是全中国最年轻的女性正教授之一。她致力于解析镶嵌在细胞质膜上的蛋白质的结构,一个以难解而著称的问题。

  她的目标之一是人类葡萄糖转运蛋白GLUT1——一种对向细胞提供能量至关重要的蛋白质。许多实验室都试图解析它的结构,但都未能成功,一部分原因是GLUT1很容易改变形状。颜宁使用了一系列技巧来限制它的变化,最终成功结晶,并在2014年解析出了它的结构。

  加州大学洛杉矶分校的生物化学家罗纳德·卡巴克(Ronald Kaback)表示:“50多年来,人们一直在试图结晶GLUT1,然后突然之间,她就得到了答案。”

  颜宁还在接连不断地做出发现,包括一系列备受关注的结构。大多数夜晚,她都会熬夜到凌晨两三点,并翘掉晨会,好尽可能在实验室多呆一会儿。与此同时,颜宁也成为了一位呼吁为女性和青年科学家提供更好条件的知名倡议者。

  她对使用最新的技术,比如冷冻电子显微镜技术感到十分兴奋。冷冻电子显微镜使研究者们得以在蛋白质的自然状态下研究它们的细微结构,而不是以纯化的晶体形式。颜宁说,在中国工作的优势之一是从来不用担心资金,并认为结构生物学在中国有光明的前景。“进步的空间是无穷的。”

  一位基因编辑专家试图通过改进重要农作物来实现自我价值

  高彩霞:作物设计师

  一开始,植物生物学家高彩霞对使用CRISPR–Cas9技术进行基因编辑有些犹豫。这一技术正在横扫全世界的生物学实验室。她的实验室已经使用旧技术实现了82个基因的突变,转用新技术的念头让人畏惧。“一开始,我遇到了一些阻力。”高彩霞说,“然后我们决定:无论如何,我们都得试试。”

  在一年的紧张工作后,她在中国科学院遗传与发育生物学研究所的实验室第一个在农作物,特别是小麦和水稻上成功使用了这项简洁的革命性基因编辑技术。(Q. Shan et al. Nature Biotechnol. 31,686–688; 2013) “如果我们在基因工程方面获得了任何经验的话,那就是必须灵活行事,适应日新月异的新技术。” 明尼苏达大学的植物生物学家丹尼尔·沃伊塔斯(Daniel Voytas)说,“彩霞就有适应的能力。”

  在她的整个职业生涯中,高彩霞一直都在适应新变化。上大学时,高彩霞本想学医,但被分配到了农学专业。她说:“我对农学一点也不感兴趣,但我的信条一直都是:只要干这一行,就要尽力而为。” 在完成关于草原生态学的博士研究后,高彩霞再次转行,在丹麦罗斯基勒市的丹农种子公司(DLF)从事植物基因工程工作。

  高彩霞需要找到将外来基因植入草中的方法。据DLF的研究总监克劳斯·尼尔森(Klaus Nielsen)表示,这项工作非常磨人。许多草类都难以改造,而且每一个物种——或者甚至同一物种内的基因变异型——都有可能需要特殊的生长条件组合。高彩霞以乐观著称,但有些时候,尼尔森也能看出她正备受煎熬。

  即便如此,她仍然没有放弃。“到最后,她能在显微镜下看到其他人都看不到的东西,”尼尔森说,“每一次,她都在做出突破。”

  在高彩霞任职于DLF公司的12年里,她实现了一次又一次的突破——完成了对几种性状的基因改造,包括控制重要草种的开花时间。但欧洲对基因改造作物的怀疑让她对自己的工作能否走出实验室感到悲观。“让一种作物上市非常困难,到最后,工作本身也无法再激励你了。” 这一点,以及让自己的孩子回到中文和祖国文化环境的愿望让她选择了回国。

  在北京,高彩霞解决了小麦基因编辑的难题。小麦的基因工程以高难度著称,部分原因是许多小麦株系都是六倍体。很快,她就被认为是全世界最优秀的小麦基因工程专家了,沃伊塔斯说。

  高彩霞对自己回国的决定感到很满意。中国对资助农业研究的重视程度要高于欧洲。中国政府已经批准了几种用更早的基因工程技术培育的作物,但在最近,审批的速度已经慢了下来。此外,中国也尚未决定如何监管基因编辑作物。

  但高彩霞仍然对自己的一些成果进入市场感到乐观。与此同时,她的实验室培育的一种抗病小麦正在被一家美国公司进一步开发。作为一名乐观主义者,高彩霞拒绝接受公众对转基因生物的恐惧。“如果我在大街上遇到了一些人,询问他们(对转基因生物的观点),他们会说一点也不想要转基因生物。我就会停下来教育他们。他们都大感惊讶。”

  一位遗传学家用古人类的遗骸改写亚洲的史前史

  付巧妹:基因组史学家

  付巧妹说,当她在2009年来到德国马克斯·普朗克演化人类学研究所攻读古人类基因组学博士学位时,她的心情十分紧张。她在中国的硕士研究是关于早期农民的饮食的,并没有古DNA、或者甚至基因组学方面的经验。但付巧妹一头扎进了自己的研究领域,并“成为了我们招收过的最出色的学生之一,”斯凡特•帕波(Svante Pääbo),一位在这个位于德国莱比锡市的古基因组学研究中心工作的遗传学家这样说道。

  在最近的20个月中,付巧妹在《自然》期刊上发表了三篇论文,帮助重新书写了欧洲最早的现代人类的历史。2016年1月,她回到中国,担任中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(以下简称古脊椎所)古DNA实验室的主任。在那里,她希望能对亚洲先民的历史掀起同样的波澜。

  她加入帕波的团队时,他们正在进行尼安德特人基因组序列草图的收尾工作。“当时的压力真的非常大,对我来说,那时有许多有意思的事情,也有许多吓人的事情。”付巧妹说,“我在特别合适的时间来到了这个团队。”她学会了如何从远古骨骼中采集微量DNA样本,并迅速掌握了演化遗传学、生物信息学和计算机编程,以分析自己得到的数据。

  很快,她的研究重心就转移到了在离开非洲后定居欧亚大陆的早期现代人类身上,并开始收集和分析他们的骨骼和牙齿。她为有直接测年的最早的智人DNA测了序:利用来自西伯利亚有45000年历史的一根股骨,,以及来自一位4万年前男性的颌骨;该男性上溯4-6代人的祖先中就是尼安德特人。她的努力成果被汇集在了一项关于51位生活在14000年到37000年间的个体的研究中。该研究表明,冰河时期的欧洲比许多人此前认为的更为动荡,一波波移民来到欧洲,并在欧洲范围内迁徙,他们是现代欧洲人的祖先之一。

  亚洲的早期历史可能比欧洲更有戏剧性,因为在亚洲,一些远古人类物种可能曾与现代人类共存,玛丽娅•马蒂农-多乐思(María Martinón-Torres)说。她是伦敦大学学院的一位古人类学家,目前在中国工作。付巧妹将会把自己的注意力转向最早定居亚洲的智人:早在十万年前,他们就可能已经到达亚洲了。她也想研究近至数千年前的亚洲历史——古脊椎所还有大量古人类骨骼,还没有做过DNA采集。

  付巧妹经常被问到为什么离开西方回到中国。她回答说:“我对中国和东亚发生过什么很好奇;我觉得是时候回来了。”

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