【編者按】

大至藍(lán)鯨，小至病毒，生物的世界，可謂千差萬別。但無論形態(tài)多么豐富，生命的奧秘卻藏在蛋白質(zhì)之中——它們好比構(gòu)筑生命大廈的磚石，決定著生命可能具有的生物功能。要探究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，這就進(jìn)入了微觀的世界，是對(duì)納米級(jí)別世界的窺探。1納米相當(dāng)于把一根頭發(fā)絲切成5萬份。要看清蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，必須有“火眼金睛”。

中國(guó)在蛋白質(zhì)領(lǐng)域曾有杰出建樹。上世紀(jì)70年代初期，中科院物理所、中科院生物物理所、上海生化所、北京大學(xué)化學(xué)系、北京大學(xué)生物系共同組成的“北京胰島素結(jié)構(gòu)研究組”測(cè)定了亞洲第一個(gè)蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)——豬胰島素三方二鋅晶體結(jié)構(gòu)，這是中國(guó)結(jié)構(gòu)生物學(xué)歷史發(fā)展的起點(diǎn)。

歷經(jīng)跌宕起伏，50年過去后，中國(guó)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家再次站上國(guó)際科研隊(duì)伍的前列，試圖在近原子分辨率下探索生命的奧秘。在最近向世界級(jí)高水平之巔發(fā)起的攀登中，清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心（下稱“高精尖中心”）無疑是最耀眼的一支隊(duì)伍。

該中心于2015年在北京市高等學(xué)校高精尖創(chuàng)新中心建設(shè)計(jì)劃下應(yīng)運(yùn)而生，但該中心的力量積累則需要再往前推進(jìn)20年?，F(xiàn)年75歲的中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)冷凍電鏡先行者隋森芳即是早期最重要的力量之一，至今依然在該中心從事科學(xué)研究，并培育出不少當(dāng)下的中堅(jiān)力量。

近日，澎湃新聞（www.loaarchitects.com.cn）記者來到清華大學(xué)，專訪了清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心執(zhí)行主任王宏偉教授，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心副主任李海濤，清華大學(xué)生命科學(xué)研究員、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心PI李雪明，清華大學(xué)生命科學(xué)研究員張強(qiáng)鋒，去年剛從清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士畢業(yè)、新晉“世界最具潛力女科學(xué)家獎(jiǎng)獲得者”白蕊。通過這五位和高精尖中心深度交集的科學(xué)家向讀者展現(xiàn)出：伴隨著該中心的發(fā)展壯大，近幾年來中國(guó)結(jié)構(gòu)生物學(xué)如何再次站上世界前列。

“就結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域來說，清華結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心經(jīng)過這5年的發(fā)展，在國(guó)際上的影響力應(yīng)當(dāng)說是名列前茅的。具體排名可能也沒有太大意義，但是我們的隊(duì)伍很年輕、很有活力、也很有競(jìng)爭(zhēng)力，培養(yǎng)出來的學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能、科研能力都非常扎實(shí)，這些都是得到世界公認(rèn)的。”

近日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)、高精尖中心執(zhí)行主任王宏偉在接受澎湃新聞?dòng)浾撸╳ww.loaarchitects.com.cn）專訪時(shí)如此總結(jié)眼下的高精尖中心。王宏偉1992年考入清華大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)系，本科畢業(yè)后在清華大學(xué)繼續(xù)師從中國(guó)冷凍電鏡先行者隋森芳從事冷凍電鏡的相關(guān)研究。博士畢業(yè)后前往美國(guó)，在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、耶魯大學(xué)輾轉(zhuǎn)10年后，最終于2011年加入清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院。

彼時(shí)國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究(北京)設(shè)施的籌建是王宏偉回到清華的契機(jī)。2009年，尚在耶魯大學(xué)分子生物物理與生物化學(xué)系擔(dān)任助理教授的王宏偉在回母校清華大學(xué)訪問之際，隋森芳和剛回到清華不久的施一公向他提起了國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究(北京)設(shè)施籌建的計(jì)劃，該設(shè)施將以冷凍電鏡為主。抉擇2年之后，王宏偉最終回歸，“從1996年讀博士開始到2011年，十幾年的時(shí)間我一直從事這個(gè)領(lǐng)域的研究，而且那時(shí)候冷凍電鏡技術(shù)正在向前發(fā)展，從我們領(lǐng)域來講，有機(jī)會(huì)建設(shè)這樣一個(gè)大規(guī)模的設(shè)施，不是那么容易，人一輩子也許只能碰到這么一次，所以覺得還挺有吸引力的。”

國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究(北京)設(shè)施是“十一五”、“十二五”期間重點(diǎn)建設(shè)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，于2012年下半年正式啟動(dòng)。其中，以電鏡為主的復(fù)合結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組解析系統(tǒng)及功能蛋白質(zhì)組研究系統(tǒng)的部分設(shè)施由清華大學(xué)負(fù)責(zé)實(shí)施，冷凍電子顯微學(xué)系統(tǒng)是其中的核心設(shè)施。該設(shè)施籌建之際，高精尖中心尚未醞釀。

王宏偉回到清華之后，陸續(xù)有更多結(jié)構(gòu)生物學(xué)及冷凍電鏡領(lǐng)域的優(yōu)秀且心懷理想的一批科學(xué)家加入進(jìn)來，這支不斷壯大的隊(duì)伍最終創(chuàng)造了中國(guó)結(jié)構(gòu)生物學(xué)基礎(chǔ)研究持續(xù)數(shù)年的高產(chǎn)高質(zhì)量現(xiàn)象。

然而，高精尖中心如何在未來保持先進(jìn)性？這是一個(gè)屬于“高手”的困擾?！拔磥淼目茖W(xué)研究希望能出現(xiàn)更加原創(chuàng)性、更加顛覆性的發(fā)現(xiàn)，包括理論和概念的建立、開創(chuàng)性的方法學(xué)研究，我們要更加注重在這方面做出一些更重要的發(fā)現(xiàn)?！蓖鹾陚テ诖劳欣鋬鲭婄R更多重大的科學(xué)問題將得以解答，甚至發(fā)現(xiàn)一些此前從未認(rèn)知到的生命現(xiàn)象。

2011年，37歲的王宏偉全職回到清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，“我回來的一個(gè)主要任務(wù)就是牽頭清華大學(xué)冷凍電鏡設(shè)施的建設(shè)。”國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究(北京)設(shè)施正式啟動(dòng)之后，王宏偉開始負(fù)責(zé)冷凍電鏡儀器設(shè)備的采購(gòu)、調(diào)試、安裝，以及同時(shí)進(jìn)行招兵買馬。2016年，其接替施一公擔(dān)任清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)。王宏偉曾獲2018年“談家楨生命科學(xué)創(chuàng)新獎(jiǎng)”、2019年首屆“科學(xué)探索獎(jiǎng)”。

王宏偉自身主要研究方向包括：更高效、更高分辨率的冷凍電鏡方法學(xué)開發(fā)；核酸質(zhì)量控制的分子機(jī)制和調(diào)控；細(xì)胞骨架和生物膜系統(tǒng)的協(xié)調(diào)機(jī)制。主要成果包括利用球差矯正冷凍電鏡和電壓相位板技術(shù)在過焦?fàn)顟B(tài)下解析至近原子分辨率蛋白結(jié)構(gòu)、分子量52千道爾頓的鏈霉親和素蛋白的3.2埃分辨率冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)、設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型功能化石墨烯電鏡支撐膜用于冷凍電鏡高分辨率三維結(jié)構(gòu)解析等。

雛形

生命活動(dòng)的關(guān)鍵密碼在于核酸和蛋白質(zhì)，核酸攜帶著遺傳物質(zhì)，蛋白質(zhì)則是生命活動(dòng)的主要執(zhí)行者，異常的蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)很可能導(dǎo)致其生物活性的降低、喪失，甚至?xí)?dǎo)致疾病。而圍繞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)解析則始于近80年前，X射線晶體學(xué)、核磁共振波譜學(xué)（NMR）曾是兩大主要技術(shù)手段。

結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家具體做什么工作？在最新的新冠疫情科研攻關(guān)中其實(shí)就有很多這些學(xué)者的身影。以高精尖創(chuàng)新中心王新泉教授為例，長(zhǎng)期從事晶體解析的他在疫情暴發(fā)之后即和清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院張林琦教授團(tuán)隊(duì)合作，他們針對(duì)新冠病毒的首個(gè)重要研究成果即解析了病毒刺突蛋白受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）與人受體蛋白ACE2復(fù)合物2.45埃的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確定位了病毒RBD和受體ACE2的相互作用位點(diǎn)，揭示了受體ACE2特異性介導(dǎo)新冠病毒細(xì)胞侵染的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這項(xiàng)研究為治療性抗體藥物開發(fā)以及疫苗的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，3月30日，頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了該成果。

這只是他們眾多重要成果之一，而時(shí)間再倒回9年，清華大學(xué)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家力量才開始真正匯集。2011年4月，清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心正式成立，時(shí)任清華大學(xué)校長(zhǎng)顧秉林和時(shí)任清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)施一公共同為中心揭牌。這實(shí)際上是后來高精尖中心的雛形。

2008年，41歲的施一公辭去美國(guó)普林斯頓大學(xué)終身教授的職位回國(guó)發(fā)展，第二年9月，清華大學(xué)正式成立生命科學(xué)學(xué)院，施一公任首任院長(zhǎng)。作為世界級(jí)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家，施一公回到清華后壯大學(xué)校的結(jié)構(gòu)生物學(xué)是必然事件?！皬哪菚r(shí)候開始準(zhǔn)備建設(shè)結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心，招募一些年輕的科學(xué)家，然而從某種意義上來說，清華的結(jié)構(gòu)生物學(xué)并不是只從2008年開始”。

王宏偉細(xì)數(shù)了幾位早期代表性人物。其博士期間的導(dǎo)師隋森芳是中國(guó)冷凍電鏡的先行者，1989年，44歲的隋森芳回國(guó)開啟他在清華生物科學(xué)與技術(shù)系的工作，從事電子顯微鏡結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究。7年之后，已在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上首先發(fā)表了艾滋病毒基質(zhì)蛋白SIV-MA晶體結(jié)構(gòu)的饒子和從英國(guó)牛津大學(xué)回歸，同樣加入了清華生物科學(xué)與技術(shù)系。

“那個(gè)時(shí)候清華大學(xué)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)已經(jīng)開始做了。”王宏偉回憶當(dāng)時(shí)的情形，“那時(shí)國(guó)內(nèi)的科研條件，尤其是硬件設(shè)施跟國(guó)外比還是有很大的差距，但是他們把一些新的方向和新的理念開始做起來了。”

2000年之后，曾經(jīng)在普林斯頓大學(xué)施一公實(shí)驗(yàn)室從事博士后工作的吳嘉煒（現(xiàn)蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部特聘教授）、顏寧（2017年赴普林斯頓大學(xué)，為該校分子生物學(xué)系首位雪莉?蒂爾曼（Shirley M. Tilghman）終身講席教授）分別在2003年、2007年回到清華。

隨著2008年施一公的回歸，且隨后引入了王新泉、李海濤、楊茂君等數(shù)位從事結(jié)構(gòu)生物學(xué)的專家后，“清華做結(jié)構(gòu)生物學(xué)的人更多了，然后就建立了清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心?！?/p>

而到2015年的時(shí)候，清華從事結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的PI總數(shù)達(dá)到了十多位，包括王宏偉在內(nèi)。“當(dāng)時(shí)無論從已經(jīng)發(fā)表的科研成果方面來講，還是從整體的體量上來看，包括從事這方面工作的研究生、博士后、工作人員，都已經(jīng)形成了比較大的規(guī)模?！币舱浅掷m(xù)發(fā)展的規(guī)模對(duì)資源、人才等提出進(jìn)一步要求，“我們面臨一些瓶頸?！?/p>

恰好在那一年，北京市教育委員會(huì)提出北京高等學(xué)校高精尖創(chuàng)新中心建設(shè)計(jì)劃。王宏偉對(duì)當(dāng)時(shí)這項(xiàng)計(jì)劃的理解為，“北京市希望通過提供一些科研經(jīng)費(fèi)來支持各個(gè)領(lǐng)域能夠達(dá)到國(guó)際頂尖水平的科學(xué)研究中心，然后希望這些中心在有了這種支持后可以從全世界引進(jìn)一些高水平專家，不管是頂尖的科學(xué)家，還是青年科學(xué)家?！彼J(rèn)為，這些目標(biāo)剛好與清華的結(jié)構(gòu)生物學(xué)需要進(jìn)一步發(fā)展的契機(jī)結(jié)合了起來。

最終在2015年10月，北京成立首批13個(gè)高校高精尖創(chuàng)新中心。這批創(chuàng)新中心在經(jīng)費(fèi)使用、評(píng)估方式上較以往有較大改變。按照計(jì)劃，北京市市財(cái)政持續(xù)穩(wěn)定地對(duì)中心進(jìn)行滾動(dòng)支持，5年為一周期，每年給予每中心5000萬元至1億元的經(jīng)費(fèi)投入，高校擁有較大自主權(quán)。原則上不低于70%的經(jīng)費(fèi)用于聘任國(guó)內(nèi)外高端人才（其中，不低于50％的經(jīng)費(fèi)要用于引進(jìn)國(guó)際頂尖創(chuàng)新人才，不低于20％的經(jīng)費(fèi)要用于引進(jìn)京外人才。）

清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心作為首批13個(gè)北京市高校高精尖創(chuàng)新中心之一，以清華大學(xué)為依托和牽頭單位，與北京工業(yè)大學(xué)共建，中心首任主任為施一公。“雖然我們前期做的不錯(cuò)，從2000年開始到2015年這十幾年的時(shí)間里，清華的結(jié)構(gòu)生物學(xué)在國(guó)內(nèi)頗有影響，在國(guó)際上也已經(jīng)嶄露頭角，但是需要進(jìn)一步提升?！蓖鹾陚フJ(rèn)為，高精尖中心的設(shè)立對(duì)清華結(jié)構(gòu)生物學(xué)發(fā)展而言是一個(gè)至關(guān)重要的后續(xù)支撐。

布局

現(xiàn)在談高精尖中心，已經(jīng)離不開討論冷凍電鏡，尤其是在2015年之后。

冷凍電子顯微鏡（Cryo-EM），即在低溫下使用透射電子顯微鏡對(duì)冷凍固定在玻璃態(tài)冰中的生物大分子進(jìn)行成像，然后應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理和計(jì)算，最終重構(gòu)生物大分子的三維結(jié)構(gòu)。具體操作時(shí)，先將樣品冷凍起來然后保持低溫放進(jìn)顯微鏡，高度相干的電子作為光源從上面照下來，透過樣品和附近的冰層，受到散射。再利用探測(cè)器和投射系統(tǒng)把散射信號(hào)成像記錄下來，最后進(jìn)行信號(hào)處理，得到樣品結(jié)構(gòu)。

回顧冷凍電鏡的歷史，上世紀(jì)七八十年代，歐洲、美國(guó)的一些實(shí)驗(yàn)室開始逐漸拼湊齊了技術(shù)鏈。對(duì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家而言，他們對(duì)冷凍電鏡這一技術(shù)手段從質(zhì)疑、觀望，最終走向擁抱。但對(duì)更多人來說，冷凍電鏡是一個(gè)新名詞，2017年的諾貝爾獎(jiǎng)是大多數(shù)人了解冷凍電鏡的開端。

2017年10月4日17時(shí)45分許，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布將2017年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)劍橋大學(xué)科學(xué)家理查德·亨德森（Richard Henderson）、美國(guó)哥倫比亞大學(xué)科學(xué)家約阿基姆·弗蘭克（Joachim Frank）、瑞士洛桑大學(xué)科學(xué)家雅克·迪波什（Jacques Dubochet），以表彰他們發(fā)展了冷凍電子顯微鏡技術(shù)，以很高的分辨率確定了溶液里的生物分子的結(jié)構(gòu)。這是冷凍電鏡領(lǐng)域的高光時(shí)刻之一。

在1975年之際，當(dāng)時(shí)距離電子顯微鏡誕生已有40年左右時(shí)間，其應(yīng)用在“死”物質(zhì)里如火如荼，在生物學(xué)領(lǐng)域卻被普遍認(rèn)為“不適用”。強(qiáng)電子束、真空腔，這些環(huán)境使得生物樣品注定被破壞。但亨德森在細(xì)菌視紫紅質(zhì)（bR，能吸收光能）上的嘗試，證明了電子顯微鏡在生物領(lǐng)域的適用性。

亨德森將未脫離細(xì)胞膜的細(xì)菌視紫紅質(zhì)直接放置在電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，借助表面覆蓋的葡萄糖防止真空干涸，并采用強(qiáng)度更低的電子束流，得出細(xì)菌視紫紅質(zhì)在細(xì)胞膜上是規(guī)整排列且朝向一致。之后，在劍橋大學(xué)MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室Aron Klug等人提出的三維重構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)上，亨德森和同事獲得了細(xì)菌視紫紅質(zhì)較為粗糙的三維立體結(jié)構(gòu)圖像。

這也是歷史上第一張膜蛋白領(lǐng)域的三維結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)到7埃（?），相當(dāng)于0.7納米，而1納米的直觀感受相當(dāng)于把一根頭發(fā)絲切成5萬份。這已經(jīng)是當(dāng)時(shí)電子顯微鏡獲得的歷史最佳蛋白圖像。當(dāng)然，亨德森對(duì)此并不滿意，他的目標(biāo)是分辨率達(dá)到3埃左右，這一清晰水平才能和此前的X射線晶體學(xué)成像大致相當(dāng)。

弗蘭克則是冷凍電鏡單顆粒分析的鼻祖，耗費(fèi)十余年時(shí)間完成單顆粒三維重構(gòu)算法及軟件Spider，他的圖形擬合程序被認(rèn)為是冷凍電鏡發(fā)展的基礎(chǔ)。弗蘭克也是高精尖中心的學(xué)術(shù)顧問。

迪波什的重要貢獻(xiàn)則是在真空環(huán)境下使生物分子保持自然形狀，畢竟亨德森在細(xì)菌視紫紅質(zhì)成像時(shí)使用的葡萄糖保護(hù)樣品的方法并不普遍適用。迪波什得出的方法是對(duì)生物樣品進(jìn)行玻璃態(tài)冰化（vitrifying water），最終于1982年，他開發(fā)出真正成熟可用的快速投入冷凍制樣技術(shù)制作不形成冰晶體的玻璃態(tài)冰包埋樣品。1984年，迪波什首次發(fā)布不同病毒的結(jié)構(gòu)圖像。

當(dāng)然，冷凍電鏡時(shí)代的真正來臨，還得益于樣品制備技術(shù)、新一代電子探測(cè)器發(fā)明、軟件算法優(yōu)化等多方面技術(shù)的進(jìn)步。2013年，加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）程亦凡和David Julius 的研究組用冷凍電鏡首次得到膜蛋白TRPV1 的3.4 埃接近原子級(jí)別高分辨率三維結(jié)構(gòu)，這一結(jié)果被視為具有里程碑意義。

王宏偉形容2013年之后的冷凍電鏡為“異軍突起”，“ 在2014年前后冷凍電鏡在方法學(xué)上有重大突破，使得在短短的一兩年的時(shí)間里冷凍電鏡技術(shù)異軍突起，引起了全世界所有結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的重視，大家都意識(shí)到了冷凍電鏡是至關(guān)重要的。”而彼時(shí)，結(jié)構(gòu)生物學(xué)界面臨整體轉(zhuǎn)型，在此之前結(jié)構(gòu)生物學(xué)主要是以X射線線晶體學(xué)研究為主。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析崛起于1960年代，X射線晶體學(xué)則是最早用于結(jié)構(gòu)解析的實(shí)驗(yàn)方法之一，這一方法的關(guān)鍵步驟之一是，為獲得可供X射線衍射的單晶，需要將純化后的生物樣品進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。而現(xiàn)實(shí)情況卻是，目前很多復(fù)雜的大分子物質(zhì)難以獲得晶體。另一種主要手段是核磁共振，該手段能解析在溶液狀態(tài)下的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此被認(rèn)為比晶體結(jié)構(gòu)更能夠描述生物大分子在細(xì)胞內(nèi)的真實(shí)結(jié)構(gòu)，并且能獲得氫原子的結(jié)構(gòu)位置，缺點(diǎn)則在于蛋白質(zhì)在溶液中往往結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而難得獲取穩(wěn)定的信號(hào)。

冷凍電鏡技術(shù)的強(qiáng)大在于其突破此前數(shù)百年科學(xué)家們的研究極限。2015年，《自然》旗下子刊《自然-方法學(xué)》（Nature Methods）將冷凍電鏡技術(shù)評(píng)為年度最受關(guān)注的技術(shù)。2017年，諾貝爾獎(jiǎng)官方稱其為“使得生物化學(xué)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代”的技術(shù)。2017年5月，已經(jīng)是國(guó)內(nèi)冷凍電鏡應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)軍人物的施一公曾表示，冷凍電鏡的發(fā)展像是一場(chǎng)猛烈的革命，“就目前發(fā)展前景來看，冷凍電鏡技術(shù)是可與測(cè)序技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)相提并論的第三大技術(shù)！”在冷凍電鏡技術(shù)臻于成熟之前，施一公也是致力于借助X射線晶體學(xué)手段解析生物分子結(jié)構(gòu)。

而在王宏偉看來，清華的優(yōu)勢(shì)在于提前布局了冷凍電鏡。2009年8月25日上午，清華大學(xué)醫(yī)研院—FEI電子顯微鏡合作簽字儀式暨亞洲首臺(tái)Titan Krios冷凍電鏡安裝落成儀式在醫(yī)學(xué)科學(xué)樓舉行，時(shí)任生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究院副院長(zhǎng)施一公在合作協(xié)議上簽字。FEI TITAN KRIOS 300千伏透射電鏡是世界上最先進(jìn)的高分辨場(chǎng)發(fā)射冷凍透射電鏡，彼時(shí)在世界范圍內(nèi)安裝完成不超過5臺(tái)。

這第一臺(tái)設(shè)備實(shí)際上對(duì)吸引高端人才起到了很好作用，“包括我本人回來也是受此影響，也因?yàn)橛辛说谝慌_(tái)設(shè)備，后來在國(guó)家蛋白質(zhì)設(shè)施建設(shè)的時(shí)候自然而然就以冷凍電鏡為主去發(fā)展?！?/p>

評(píng)價(jià)當(dāng)時(shí)這一舉措，王宏偉表示，“應(yīng)該是非常有勇氣，我想也體現(xiàn)了清華整個(gè)結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的高瞻遠(yuǎn)矚。當(dāng)然，大家也沒想到很快就證明了當(dāng)時(shí)所做的決定是多么正確?！?/p>

前有多位長(zhǎng)期從事冷凍電鏡相關(guān)研究的人才累積，加之隨后國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施北京基地的啟動(dòng)，到2015年的時(shí)候，清華已經(jīng)采購(gòu)了重要的大型冷凍電鏡設(shè)備，從硬件上來說裝備已經(jīng)比較齊全?！扒迦A當(dāng)時(shí)高端（300KV）的冷凍電鏡有三臺(tái)，數(shù)量在當(dāng)時(shí)是全球第一，這件事情的國(guó)際影響力在當(dāng)時(shí)也是非常大的?！?/p>

王宏偉認(rèn)為，2015年，也就是技術(shù)完全發(fā)展起來之后，清華已經(jīng)占了很大的先機(jī)。截至目前，清華大學(xué)已有四臺(tái)高端冷凍電鏡，此外還有四臺(tái)中低端冷凍電鏡。

豐收

實(shí)際上，在2014年左右，高精尖中心原本借助X射線晶體學(xué)手段研究的多位研究者紛紛轉(zhuǎn)向使用冷凍電鏡技術(shù)手段，清華的生物結(jié)構(gòu)解析也相繼取得突破性成果。

高精尖中心的一份數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，中心人員以第一和通訊作者身份累計(jì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》、《自然》、《細(xì)胞》發(fā)表論文57篇，研究工作涉及諸多現(xiàn)代結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的前沿研究問題：包括：RNA剪接體、植物抗病小體、線粒體超級(jí)復(fù)合物、組蛋白修飾、離子通道等，這些研究成果均在生命科學(xué)領(lǐng)域具有重大意義。

其中，施一公的剪接體相關(guān)研究榮獲2015年度“中國(guó)十大科技進(jìn)展”、楊茂君的線粒體呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物相關(guān)研究獲得2016年度“中國(guó)生命科學(xué)十大進(jìn)展”。近兩年，隋森芳合作破解的硅藻光合膜蛋白超分子結(jié)構(gòu)和功能之謎，對(duì)于理解光合生物捕光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有重大啟示意義。柴繼杰主導(dǎo)的植物抗病小體的結(jié)構(gòu)與功能研究，被譽(yù)為植物免疫領(lǐng)域的里程碑事件。這兩項(xiàng)研究皆被評(píng)選為2019年度“中國(guó)生命科學(xué)十大進(jìn)展”。

此外，高精尖中心在開發(fā)原創(chuàng)技術(shù)與方法方面，也已經(jīng)產(chǎn)生很強(qiáng)的國(guó)際影響力。其中，在冷凍電子顯微學(xué)的方法和技術(shù)開發(fā)、原創(chuàng)科學(xué)成果基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用方面，建設(shè)了包括李雪明研究組開發(fā)的THUNDER軟件系統(tǒng)、VR結(jié)構(gòu)生物學(xué)應(yīng)用平臺(tái)等。例如，陳春來團(tuán)隊(duì)開發(fā)的應(yīng)用于新型單分子熒光顯微鏡的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)已獲批知識(shí)產(chǎn)權(quán)；張強(qiáng)鋒團(tuán)隊(duì)從事的人工智能生物學(xué)研究獲得“2019年度中國(guó)生物信息學(xué)十大算法和工具”；其團(tuán)隊(duì)的RNA結(jié)構(gòu)新技術(shù)和功能關(guān)系研究獲得“2019年度中國(guó)生物信息學(xué)十大進(jìn)展”；王宏偉團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)彭海琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)合作開發(fā)的功能化單晶石墨烯新型電鏡載網(wǎng)，有效提高了樣品制備過程的可重復(fù)性，助力高分辨率生物大分子的結(jié)構(gòu)解析。

經(jīng)過五年建設(shè)，目前該中心有25位常駐學(xué)術(shù)帶頭人、14位合作學(xué)術(shù)帶頭人、3位國(guó)際學(xué)者，包括諾貝爾獎(jiǎng)得主在內(nèi)的11位國(guó)際學(xué)術(shù)顧問，30位跨學(xué)科項(xiàng)目合作研究人員，93位博士后和273位博士研究生。特別值得一提的是，具有博士生導(dǎo)師資格的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人（PI）的平均年齡只有40歲左右。

談及目前高精尖中心的影響力，王宏偉反復(fù)提到，這份影響力不止在于國(guó)內(nèi)，更在于國(guó)際舞臺(tái)。

從冷凍電鏡布局方面來說，清華的大體量設(shè)備讓此前在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)望塵莫及?！坝?guó)、美國(guó)、德國(guó)、日本，這些國(guó)家的學(xué)者突然間意識(shí)到他們?cè)谠O(shè)施上落后于中國(guó)。因?yàn)榍迦A在有了三臺(tái)高端設(shè)施之后的幾年里，連續(xù)在冷凍電鏡領(lǐng)域發(fā)表了多項(xiàng)高水平科學(xué)研究成果，從數(shù)目和質(zhì)量上明顯優(yōu)于其他的國(guó)際團(tuán)隊(duì)。”正因如此，2016年開始，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家紛紛提出建國(guó)家中心，參考中國(guó)模式把幾臺(tái)高端冷凍電鏡集中起來運(yùn)作。

“實(shí)際上清華的冷凍電鏡設(shè)施在國(guó)際上起到了很大的引領(lǐng)作用，大家看到，清華不但有這個(gè)設(shè)施，而且還運(yùn)行得很好，然后很快就做出了很多重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，解決了很多科學(xué)問題，很多以前想象不到的結(jié)構(gòu)清華都解析出來了，這個(gè)在國(guó)際上確實(shí)產(chǎn)生了很大影響?！?/p>

這種國(guó)際影響力還體現(xiàn)在來自國(guó)際團(tuán)隊(duì)的學(xué)術(shù)認(rèn)可。王宏偉提到，過去這一兩年里，很多人都主動(dòng)與其聯(lián)系，希望推薦高精尖中心的博士研究生前往對(duì)方實(shí)驗(yàn)室做博士后，他自己則也收到越來越多的申請(qǐng)，很多國(guó)外的博士生想到這里來做博士后。

同時(shí)，申請(qǐng)PI的人也越來越多?！艾F(xiàn)在已經(jīng)到了我們開始挑選（人才）的程度，如果說5年前，或者更遠(yuǎn)來說10年前，那時(shí)候我們還沒有太大的選擇余地，但現(xiàn)在我們已經(jīng)不只關(guān)注申請(qǐng)者在發(fā)表論文方面的表現(xiàn)，還要關(guān)注這個(gè)人整體素質(zhì)及各方面潛力。”王宏偉表示，“就結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域來講，清華的結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心經(jīng)過這5年的發(fā)展，在國(guó)際上的影響力應(yīng)當(dāng)說是前幾名?！庇绕涫?，整體隊(duì)伍的年輕活力、競(jìng)爭(zhēng)力，培養(yǎng)出來的學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能、科研能力都非常扎實(shí)，“這些是得到世界公認(rèn)的?！?/p>

總結(jié)過往，王宏偉認(rèn)為，過去的十幾年里清華的結(jié)構(gòu)生物學(xué)發(fā)展打下了非常好的基礎(chǔ)，“高精尖中心的支持讓我們整個(gè)水平上了一個(gè)臺(tái)階，我們下面在考慮如何一方面能夠保持這樣的先進(jìn)性，另外一方面我們還要再上一個(gè)臺(tái)階?！彼岬轿磥砉ぷ鞯年P(guān)鍵詞是“原創(chuàng)性”和“顛覆性”。

王宏偉以高精尖中心目前已經(jīng)在做的一些科學(xué)問題為例來進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)，“我們現(xiàn)在很愿意支持這樣一些研究，比如，之前有人想過，卻從來沒有人做過，但將來可能會(huì)是一個(gè)全新的領(lǐng)域。我們鼓勵(lì)從頭開始，當(dāng)然最后它能不能‘生根發(fā)芽’，我們不知道，但是我們希望能夠存在很多這樣的可能性。”

在中心自身向前發(fā)展之外，未來還可能肩負(fù)更多使命?！皩?shí)際上我們現(xiàn)在越來越意識(shí)到，從某個(gè)層面來講，結(jié)構(gòu)生物學(xué)其實(shí)更像是一種科學(xué)研究的方法和手段，依托于我們結(jié)構(gòu)生物學(xué)這種非常領(lǐng)先的狀態(tài)，可以把清華的整體生物學(xué)科向前帶動(dòng)?！?/p>

而在這個(gè)方向上近年來已有所行動(dòng)，高精尖中心的研究人員和清華大學(xué)甚至校外的其他研究團(tuán)隊(duì)保持著越來越密切的合作?！叭绻呀Y(jié)構(gòu)生物學(xué)和不同領(lǐng)域的科學(xué)問題結(jié)合到一起來做的話，其實(shí)可以提供更多解答，尤其對(duì)于機(jī)制的了解非常關(guān)鍵，也可能會(huì)有很多新的概念從這里突破出來?！?/p>

未來

2009年清華大學(xué)第一臺(tái)高端冷凍電鏡落成之際，此舉不可謂不大膽。然而，2015年之后，這種“大膽”在國(guó)內(nèi)被接二連三復(fù)制。

據(jù)王宏偉了解，截至目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)投入使用的高端冷凍電鏡可能接近30臺(tái)，另外還有部分已經(jīng)采購(gòu)但尚未安裝到位的，可能還有十幾臺(tái)，“我估計(jì)未來的兩三年國(guó)內(nèi)投入使用的設(shè)備可能會(huì)達(dá)到四五十臺(tái)的規(guī)模。”

而國(guó)內(nèi)冷凍電鏡的購(gòu)買熱潮，背后基本源于一種說法，即“冷凍電鏡+清華大學(xué)=CNS”，這對(duì)很多高校和科研單位而言，無疑是巨大的吸引力。盡管建設(shè)一個(gè)冷凍電鏡平臺(tái)需要付出昂貴的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，一套標(biāo)準(zhǔn)配備往往耗資逾億元。

如何看待這種熱潮？王宏偉認(rèn)為有其合理性，但也同時(shí)充滿不確定性。

“大家意識(shí)到，我們?cè)诙潭淌瓴坏降臅r(shí)間里就發(fā)展到這樣的一個(gè)水平，所以大家后來都在以清華模式為標(biāo)準(zhǔn)來建設(shè)冷凍電鏡平臺(tái)，國(guó)內(nèi)的很多高校自然也想要建設(shè)?！钡壳氨榈亻_花的結(jié)果會(huì)是什么？“國(guó)內(nèi)一下購(gòu)買了很多設(shè)施，尤其是過去這兩年，地方政府、學(xué)校紛紛出資支持建設(shè)冷凍電鏡平臺(tái)。未來會(huì)有怎樣的發(fā)展？目前還很難說?！?/p>

王宏偉坦言，首先儀器設(shè)備很貴，但價(jià)錢還是次要因素，最重要的這是一種很復(fù)雜的高精尖儀器?！斑@樣的設(shè)備不是說你花錢買來裝上就能用，它畢竟不是像電腦一樣的成熟設(shè)備，除了儀器本身，還需要一些非常有經(jīng)驗(yàn)的高水平技術(shù)人員去運(yùn)行、維護(hù)、調(diào)試，以及做一些更新的方法學(xué)推進(jìn)，這方面目前是最缺的?！?/p>

正如在采訪過程中王宏偉提及，高精尖中心這五年來的發(fā)展離不開一位重要人物——蛋白質(zhì)冷凍電鏡平臺(tái)主管雷建林博士。雷建林從上世紀(jì)90年代中期開始以電鏡為主要手段開展工作，2000年轉(zhuǎn)向冷凍電鏡領(lǐng)域，曾跟隨冷凍電鏡的先驅(qū)、單顆粒算法的首創(chuàng)和實(shí)現(xiàn)者Joachim Frank教授（前述諾貝爾獎(jiǎng)獲得者之一）進(jìn)行冷凍電鏡的技術(shù)研發(fā)工作。2008年中開始協(xié)助清華大學(xué)購(gòu)置亞洲第一臺(tái)Titan Krios冷凍電鏡，同年11月回國(guó)任籌建的清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)主管。

“現(xiàn)在，在世界范圍內(nèi)，我認(rèn)為他是冷凍電鏡這種高端設(shè)施運(yùn)行、維護(hù)和方法開發(fā)的一個(gè)非常好的專家，應(yīng)該是最有經(jīng)驗(yàn)的，過去這5年，清華的冷凍電鏡設(shè)施始終保持在一個(gè)國(guó)際領(lǐng)先水平，他發(fā)揮了非常重要的作用?！?/p>

王宏偉借此強(qiáng)調(diào)，“國(guó)內(nèi)購(gòu)買這么多設(shè)備將來能不能充分利用起來，我覺得最重要的還是要看運(yùn)行管理設(shè)備的人員。如果隊(duì)伍強(qiáng)有力，我相信設(shè)備一定會(huì)得到很好的利用，如果隊(duì)伍不行，那可能最后還是會(huì)有問題?！?/p>

值得注意的是，當(dāng)其他科研單位的冷凍電鏡尚在起步之際，高精尖中心的團(tuán)隊(duì)已將眼光放得更遠(yuǎn)。王宏偉等人認(rèn)為，未來冷凍電鏡的戰(zhàn)場(chǎng)不應(yīng)僅限于科研，更應(yīng)在于新藥開發(fā)等應(yīng)用領(lǐng)域。

就在2017年，水木未來（北京）科技有限公司（下稱“水木未來”）在北京成立，這家專注于臨床前新藥研發(fā)加速服務(wù)的平臺(tái)型公司由王宏偉團(tuán)隊(duì)基于結(jié)構(gòu)生物學(xué)和高性能計(jì)算相關(guān)技術(shù)孵化而來，高精尖中心的王宏偉、李雪明、張強(qiáng)鋒、雷建林均擔(dān)任這家公司的科學(xué)顧問。

成立當(dāng)年，北京市科委、清華大學(xué)、賽默飛公司三方合作，共建冷凍電鏡與藥物發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新中心，由水木未來負(fù)責(zé)運(yùn)行。據(jù)悉，該公司獲得了北京市政府給予的初期儀器設(shè)備支持，目前也已完成了天使輪融資，獲得由高榕資本、普華資本、薄荷天使基金共同投資數(shù)千萬人民幣。

對(duì)于創(chuàng)立這家公司的初衷，王宏偉解釋，“過去這兩年，我們把清華冷凍電鏡領(lǐng)域積累的經(jīng)驗(yàn)和能力實(shí)現(xiàn)商業(yè)轉(zhuǎn)化，隨著冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)水平越來越完善，市場(chǎng)上的需求也越來越大，尤其是生物制藥企業(yè)對(duì)冷凍電鏡的需求明顯比以前更大。在市場(chǎng)需求這么大的情況下，我們需要一個(gè)平臺(tái)，可以把技術(shù)不只更好地服務(wù)于學(xué)?；A(chǔ)研究的需求，還服務(wù)于社會(huì)上工業(yè)界的新藥研發(fā)需求?！?/p>

王宏偉認(rèn)為，這是整個(gè)冷凍電鏡以及結(jié)構(gòu)生物學(xué)很重要的發(fā)展方向?！八恢皇亲鳛榛A(chǔ)研究的一個(gè)很重要的工具，現(xiàn)在也已經(jīng)成為藥物研發(fā)的一個(gè)很重要平臺(tái)，甚至可能會(huì)改變新藥研發(fā)的模式?！彼瑫r(shí)表示，這一步清華做的依舊是領(lǐng)先的，國(guó)際上類似商業(yè)化冷凍電鏡平臺(tái)還很少，“我們?cè)趤喼奘堑谝患?，這也是清華結(jié)構(gòu)生物學(xué)能力的一個(gè)體現(xiàn)?！?/p>

而這是王宏偉在9年前回國(guó)之際沒有設(shè)想到的場(chǎng)景。