科学家掠影

科技工作者风采(之二)|贝时璋青年奖获得者石发展、宗伟健

日期:2018-05-26  浏览次数:1354

   “贝时璋奖”是中国生物物理学领域的最高奖,“贝时璋青年生物物理学家奖”主要用以表彰在我国生物物理学研究领域做出突出成绩的青年科学家(年龄35岁以下的中国生物物理学会会员)。

    2017“贝时璋青年生物物理学家奖”授予中国科学技术大学石发展研究员和中国人民解放军军事医学科学院宗伟健博士。
石发展(右二)和宗伟健(右一)荣获2017“贝时璋青年生物物理学家奖”

石发展研究员

   石发展,2007年获中国科大物理系学士学位,2013年获中国科大近代物理系博士学位,2015年起任中国科大物理学院研究员。

   曾获亚太电子顺磁共振学会(APES)青年科学家奖(2014 年)、中国分析测试协会科学技术奖(CAIA)特等奖(第二完成人,2015年)、国际生物磁共振学会(ICMRBS)青年研究学者奖(2016年),及国际顺磁共振学会(IES)青年研究学者奖(首位获奖华人,2017年)。

   
磁共振技术作为结构生物学三大手段之一,在生命科学和医学成像领域应用广泛。单分子磁共振是此领域发展的重要方向。单分子技术能够揭示传统系综平均方法所掩盖的信号,甚至实现单个蛋白质或其它生物分子在原位活体结构和功能的研究。目前为止,超分辨光学、原子力显微镜、冷冻电镜等是单分子结构和功能研究的重要手段,而磁共振作为非破坏非侵入的优秀技术,也正在被相关研究学者推进到单分子研究领域,一旦成熟,其将在单分子酶学、原位膜蛋白结构与功能、单细胞成像等方向有可预期的重要应用。石发展立足国内,一直以来致力于基于金刚石中的氮-空位单自旋的光学探测磁共振量子调控及其在磁信号精密测量领域应用的实验研究,发展物理新方法并用于生物学研究,其贡献主要包括:

   (1)自主研制谱仪,完成核心技术突破。

   传统的磁共振发展时间长,技术成熟,谱仪已经商业化生产。而NV单自旋量子调控及应用是近年来的新兴领域,没有商业化仪器,研制谱仪是进入此新兴前沿领域进行实验科学研究首要条件。石发展和其合作导师杜江峰院士共同完成了光学探测磁共振实验平台的研制方案和谱仪建设,建立起具有自己特色的国际一流水平的系列实验设备,为后续完成的 Science,Nature Physics 等多项科研成果奠定技术基础。

   (2)首次实现单蛋白质分子磁共振谱的探测。
 
   单分子成分和结构解析及动力学行为探测是当代物质科学研究的重要目标。依托杜江峰院士领导的中国科学院微观磁共振重点实验室,石发展等人于国际上首次获取了单个蛋白分子的顺磁共振谱及动力学性质,成功将电子顺磁共振技术分辨率从毫米推进到纳米,灵敏度从十亿分子推进到单个分子[Fazhan Shi, et al., Science 347, 1135 (2015)]。该技术可在单分子层面来认识物质科学和生命科学的机理,在物理、化学及生命科学等多个领域有广泛应用前景。《科学》杂志将其选为研究亮点并配发专文报道,称“此工作是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑”,“实现了一个崇高的目标”。获得 2015 年度中国科学十大进展、中国高校十大科技进展及中国分析测试协会科学技术奖特等奖[杜江峰,石发展(第二完成人)等]。

   此外,实验实现核自旋簇原子尺度的结构分析,为通过自旋簇的探测解析复杂分子的内部结构奠定原理基础。[Fazhan Shi, et al., Nature Physics 10, 21 (2014)]。合作实验实现 5 纳米尺度质子核磁共振探测,发表在《科学》[Science 339, 561 (2013)(国际合作)]。同期的专文评论为“通向分子尺度磁共振成像的关键性进展”。近期,杜江峰院士和石发展研究员带领研究团队首次实现纳米尺度零场顺磁共振[Nature Communications 9, 1563 (2018)],该工作打破了传统顺磁共振信号强度对热极化的依赖,将零场顺磁共振的空间分辨率从厘米量级提升至纳米级,为零场顺磁共振的实用化开启了一条新途径。

   (3)牵头组织物理-生物交叉研究小组。

   
石发展作为首席科学家带领此交叉研究小组承担首批科技部国家重点研发计划蛋白质专项青年项目《发展单分子磁共振技术研究环内过氧化物酶的催化反应机理》。石发展已经是单分子磁共振领域研究的核心研究骨干,正逐步把单分子磁共振技术从固态推进到生理条件,甚至膜原位。

   目前石发展研究员已发表SCI 收录学术论文30余篇,其中包括Science (2 篇), Nature Physics (1 篇), Nature Communications (5篇), Physical Review Letters (12篇)等,SCI 他引600余次。

宗伟健博士

   宗伟健,2012年于北京大学获电子学学士学位,2017年于军事医学科学院获病理与病理生理学博士学位,2017年起任军事医学科学院基础医学研究所助理研究员。

   曾获军事医学科院优秀博士毕业论文,为2017 “中国科学十大进展  ”主要发明人,2018 “中国光学十大进展  ”第一完成人。

   
在5 年的博士生涯中,宗伟健非常出色地完成了他的研究课题,并为显微成像领域贡献了至少三项具有国际水平的成果。

   1. 发明新型全内反射显微镜(多角度无影照明全内反射显微镜),为研究囊泡运输与胞吞机制提供了独特的超分辨率工具。

   
囊泡的运输以及细胞胞吞机制一直是细胞分泌与代谢领域的重点研究内容,是研究大脑功能与神经递质传递,糖尿病成因与治疗方案等过程中的核心问题之一。由于囊泡的直径只有几十到几百纳米,分泌的时程只在几十到几百毫秒,生物学家必须使用全内反射显微成像来实现对囊泡分泌的成像。然而,传统的全内反射显微镜存在两个最大的缺点:其一是由于全内反射的物理本质,一般只能实现细胞与玻片贴附的百纳米左右的深度成像,并不具有纵向的分层成像能力;其二是由于全内反射对样本均一度要求极高,普通全内反射显微成像存在样本照明不均一的缺陷。这两点都大大限制了其实际应用。

   针对这两大缺陷,宗伟健在博士一年级即发明了“多角度无影照明全内反射显微镜 (shadowless-illuminated variable-angle TIRF, siva-TIRF)" (Biomedical Optics Express, 2015),其利用高速微镜阵列(DMD)器件对入射照明光实现了精确的调控,可以同时从六个不同方向照射样本,并通过精密计算控制,对入射光倏逝波深度进行亚毫秒、纳米级的调控。再通过后期计算重构,实现了纵向分辨率100 纳米,成像深度5 微米的高速荧光成像。

   宗伟健在与陈良怡课题组的合作中,利用该技术实现了对细胞骨架推动囊泡运输及分泌过程的高分辨率观测,对解释“Diacylglycerol Guides the Hopping of Clathrin-Coated Pits alongMicrotubules for Exo-Endocytosis Coupling" (Cell Dev Cell, 2015) 起到了关键作用。该工作在2014 年发过巴黎举办的第一届国际全内反射显微镜进行了汇报,后被全内反射显微镜发明人Alexrod 称为“今后全内反射显微镜的标准模式”。

   2. 发明新型光片显微镜,首次追踪了活体斑马鱼胰岛的发育过程;首次实现了小鼠胚胎(E8~E10)心脏发育的三维长时程成像及单细胞谱系追踪。

   
荧光光片显微镜是近几年来荧光成像领域最重要的发明之一,被《自然-方法学》杂志评为2014 年的年度方法。其主要优点为光漂白效应低、纵向分辨率高以及成像速度快。光片显微镜可用于胚胎发育的长时程成像,小动物神经高速三维成像等领域。然而,传统的光片显微镜有两个最大的技术瓶颈难以克服。其一为成像深度的限制:由于光片显微镜为面探测成像,与点扫描相比极易受到光散射的影响,所以传统的光片显微镜在成像深度上受到了极大的限制。其二为光片厚度(即纵向分辨率)与成像视野的矛盾:由于传统光片显微镜通常选取激光光束光腰部分作为照明光片。而为了足够的纵向分辨率,必须提高聚焦数值孔径,从而导致成像视野下降。所以,如何在大视场下实现高纵轴分辨率一直是光片显微镜难以解决的难题之一。针对这两个问题,宗伟健在博士期间发明了“三轴扫描双光子光片显微镜 (two-photon, three-axial, digital scan light-sheetmicroscopy,2P3A-DSLM)" (Cell Research, 2015)。

   该技术利用双光子激发代替单光子激发。由于双光子激发使用红外波段激光,穿透深度更深,散射更小;又由于其非线性激发效应,使得该技术实现了比传统光片显微镜更深的穿透深度。该技术又创新地使用了超高速声光可变焦透镜,对高数孔径聚焦后的焦点在轴向扫描成线,并利用另外两套共轭扫描反射镜将其扫描成光片平面。该技术可以通过程序控制任意改变光片视场,并保证亚微米的光片厚度不随之变化,最终实现了400 微米×400 微米×400 微米的成像视野和800 纳米的纵向分辨率。

   这是当时世界上在相同视场范围下纵轴分辨率最高的光片三维成像,该技术在第一届和第二届国际荧光光片显微成像大会上被邀请进行了报告。在2016 年的美国激光与电光大会(CLEO2016)上进行了45 分钟的特邀报告。宗伟健及陈良怡团队利用该技术首次追踪了活体斑马鱼胰岛的发育过程,为解释胰岛发育与血液循环系统的关系提供了重要证据。

   3. 最令人印象深刻的发明,是2017年发表的“新一代2.2 克超高时空分辨率微型化双光子显微镜”,第一次实现了自由活动哺乳动物在体超高分辨率的神经结构与动态观测。

   
宗伟健在2013 年加入程和平带领的国家重大科研仪器设备研制专项“超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统”项目,并作为主要发明人成功研发新一代2.2 克微型化双光子显微镜(Nature Methods, 2017)。运用微集成、微光学、超快光纤激光和半导体光电学等技术,该技术将传统的大型台式双光子显微镜浓缩成了一枚仅手指尖大小,仅重2.3 克的微型双光子显微镜;该显微镜具空间分辨率达650 纳米,成像速度达到40 Hz;具备多区域随机扫描和每秒 1 万线的线扫描能力。

   此项突破性技术将开拓新的研究范式,在动物觅食、哺乳、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下,实现长时程观察神经突触、神经元、神经网络、多脑区等多尺度、多层次动态信息处理。与光遗传学技术的结合,可望在成像的同时,精准地操控神经元和神经回路的活动。

   此项标志性成果,反映了我国生命科学家已具备研制整系统尖端科研仪器设备的能力,为即将启动的中国脑科学计划打造了一个核心创新工具。宗伟健在2017 年6 月的冷泉港国际神经学会议上向神经科学领域的同行第一次详细地介绍了该项技术,得到了广泛的响应和认可。加州大学圣地亚哥分校著名神经生物学家阿尔西诺·J·席尔瓦(AlcinoSilva)在听完报告后评论该技术为“神经科学领域的一件大事”。 随后其特别撰写了详细的评论文章并发表于《光:科学与应用》(Light: Science & Applications, 2017)。

   目前,研发团队已签署多个国际合作协议,合作者包括Edvard I. Moser(2014 诺贝尔生理学或医学奖得主)、Tobias Bonhoeffer(欧洲科学院和德国科学院院士,德国马普神经生物学研究所所长)和Ryohei Yasuda(马普佛罗里达神经所所长)。目前,该技术已经申请了6 项国家发明专利和1 项国际专利。宗伟健及团队在继续改进和研发下一代的微型化双光子系统,并致力于将技术进行产业化,使其在世界范围内广泛传播。

   通过不断研发新技术,并与生物学问题紧密结合,宗伟健已经成为国内甚至国际上最为优秀的显微成像技术研究者之一。他持续为生物学家提供着革新的工具,并使得我国在多项显微成像技术上取得了世界级的核心竞争力。