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李栋:10年抵达0.00000006米,分辨率并非唯一答案

李栋,中国科学院生物物理研究所研究员,2019年科学探索奖前沿交叉领域获得者。

获奖理由:肯定他在光学显微成像技术方面的成绩,激励他在高速活体长时程超分辨显微成像技术方面进一步突破。

 编者按

年轻人,是科学创新的主力。在科学投入越来越受重视的今天,中国的科学家们中,尤其是年轻一代里,有许多在自己领域里做出了杰出成就,也承载着未来科研的希望。

《知识分子》携科学探索奖设立 “探索者” 专栏,为读者速写一群青年科学家的画像,介绍他们所代表的科技前沿。这些青年学者们都不到45岁,但已在各自的领域内做出了重要贡献。

谨以此系列文章记下他们拓展人类认知边界的努力,和对于科学、技术与人文的思考。

撰文|徐竞然

责编|陈晓雪

●              ●              

在人类看见微小生物这件事上,多数人都要归功于列文虎克——这位来自荷兰的显微大师,三百多年前从眼镜师那儿习得了磨镜手艺,制造了数百个透镜。当人们第一次透过显微镜看到游动的红细胞、细菌、精子时,一个新世界打开了。

几百年过去了,眼见为实的信条和对清晰度的无上追求仍在继续,分辨率1000纳米、400纳米、200纳米!100纳米!甚至优于10纳米!数字见证着人类的智慧。人们能看到的微小世界更清晰了,比如辨识细胞器,病毒与细胞交战时的你来我往……

但或许,数字并不是唯一的答案。

准确的说,荧光显微镜的研究更像是一门平衡与妥协的艺术:看得清楚(空间分辨率高),看得快(成像速度快),看得久(对活体细胞伤害小),看得深(无损观测生物样品内部)等指标维度相互制约,难以同时达到最优。有时,看得清楚了,但过多伤害了活体细胞,或是采集所需时间过长,“来不及” 连续拍摄分子层面的动态生命过程,等等。

这场博弈的有趣之处在于,在获得之前,先要想好失去什么。

很多时候,研究者会情不自禁陷入对分辨率的追求。但对于中科院生物物理所李栋研究员来说,为了解开生命运作的秘密,他愿意舍弃部分分辨率,在尽量不伤害生命体的情况下,看清它们的行为和细微结构。

牺牲什么,留下什么?看似是一个选择的问题,实质却是:做研究是为了什么?

李栋与阿贝极限纪念碑 | 受访者供图

1. “英雄” 般的实验

时间回到2012年冬天。

圣诞节左右,美国多地暴雪,2000多个航班延误取消。在华盛顿,到处是白茫茫的一片,厚处的积雪足有80厘米,接近一个成年人的腿长。

在美国霍华德·休斯医学研究所Janelia园区,埃里克·白茨格(Eric Betzig)博士的实验室依然忙碌。这位后在2014年因发明超分辨荧光显微镜摘得诺贝尔奖的教授,出了名的刻苦,每周工作80小时是他和小组成员的理想状态。

取了样本细胞,白茨格的中国博士后李栋开始测试新的技术方案的效果,这已经是他第N次优化这一显微镜系统的技术细节了。

来霍华德·休斯医学研究所的第二年,他开发的高数值孔径非线性结构光照明显微镜(High NA TIRF-SIM,Nonlinear SIM)正处于关键的测试阶段。此前,100纳米以下分辨率的活细胞高速成像一直是领域内的难题。

惊喜突如其来。

从左到右,从衍射极限分辨率到100纳米再到60纳米分辨率,镜头里的细胞内微丝骨架的脉络逐渐清晰,像是近视者带上眼镜 “重获光明”。这是李栋首创的高数值孔径非线性结构光照明显微镜的成像效果。

两像对比,好似久经岁月的老旧糊照片被 “一键修复”。

即使尚未配色,还只是灰突突的灰度图,但对比着两个片子,盯着屏幕,喜悦从心底蔓延开来,李栋只觉得看不够。他把对比图最大化在电脑上,“一直放在那里,不熄屏”。

李栋的座位靠近走廊过道,虽然一共没几位同事来上班,但大家出出入入、甚至倒咖啡路过他的实验台时,都忍不住停下来看一下他的显示屏,然后朝他点头笑笑。 

这种成像方法,一举打破了当时结构光显微技术无法突破100纳米的局限,以对细胞伤害最小的方式获得50-80纳米分辨率,适用于性广,成像速度快。

2015年的Science 杂志将这一工作选为封面文章,Nature Methods 则评议道:“是最终实现分子水平分辨率下观测生命过程的重要一步,让科学家们认识到在无损条件下实现活体成像的重要性。”

后来,导师埃里克·白茨格总结这个工作时称这是 “heroic experiment”(英雄般的实验)

2. 选择的艺术

在超分辨显微镜的江湖上,有两种潮流声名煊赫:单分子定位法与受激辐射耗尽显微术。2014年,对这两种方法作出重要贡献的三位科学家被表彰诺贝尔奖。其中 “单分子定位法” 的发现者正是李栋的导师白茨格。

对大多数人来说,追热点或沿着导师的思路走,都是更 “稳妥” 的道路。 

但通过近3个月的调研,系统分析现有三类技术的不同成像特性后,李栋选择了当时较为冷门的另外一条路——结构光照明。

作为唯一能在活体条件下对任意蛋白分子进行连续追踪的设备,光学显微镜有着无可比拟的生物学意义:不必切片制备,先毁坏、杀死细胞才能进行观测,意味着能看活体,看到细胞内瞬息万变的 “gif动图”,而非某一张单独的 “静态遗照”;可以使用荧光标记,借助不同的颜色染色,意味着能选择性观看感兴趣的生物大分子,就好像在一个信息爆炸的Excel里使用了 “筛选” 功能,  “合并同类项” 般地直观呈现……

但长久以来,光学显微成像技术受制于 “阿贝极限”,分辨率无法超过200纳米。

人们透过光学显微镜看到的,其实是承载物体信息得光波衍射形成的衍射斑,光束不能无限聚焦,所以当结构过于细小,细小到他们形成的衍射斑重叠而无法分辨,便只能看到模糊的一团。而病毒、生物大分子等的尺度刚好小于200纳米,人们只能眼睁睁看着,这些 “漏网之鱼” 携带着若干生物学秘密,在光学显微镜的扫描下逃之夭夭。

如何超越阿贝极限几乎成了领域内科学家们的共同目标。

依靠着智慧、严谨与坚持,科学家们从三种路径逼近并突破了阿贝极限:单分子定位法、受激辐射耗尽显微术和结构光照明显微术。

单分子定位法和受激辐射耗尽显微术是当时的 “人气赛道”。因为相较于结构光照明显微术在100纳米就开始 “举步维艰” 的分辨极限,这两种方法的分辨率可达到20纳米,且从理论上,只要设备足够先进、采集时间够长、样品足够坚挺…… 它们的分辨率就能无限小。

利用光学显微镜研究生命现象是一门妥协的艺术。但,生命过程多种多样,需要根据其特点明确指标优先级。 

虽然分辨率更高,但单分子定位法与受激辐射耗尽显微术付出的代价在于 “牺牲时间分辨率” 换取 “空间分辨率”,即为了拍的清楚,就拍的更久。要得到超分辨图像,它们往往需要数十秒到数小时的采集时间,比太阳光强高十万倍以上的照明强度,这导致成像速度慢,对活体样品伤害大,往往仅适于对固定样品成像。

“哪些是最本质的观测维度?单纯提高分辨率维度就足够吗?提高分辨率是为了什么?” 李栋反复告诉自己,不要随波从众。 

生命的奇妙在于一个个连续的生物过程动态组合而成。研究固定后的生物样品,很难了解生物过程的全貌。 

“以尽可能低的代价提高分辨率,从而为同时拓展其它观测维度留余地。” 李栋期望,能够多维度更全面地认知一个个生物过程。 

这也得到了白茨格的认可,这是真正从生物学源头出发,面向需求的决策。 

他们相信,结构光照明超分辨技术的潜力巨大。

 3. 小世界里

种下一颗种子,等待它延展出繁茂的根系。

结构光照明的研究,不仅成为李栋科研事业的起点,也塑造了他日后的研究模式——要方向敏感,理论简洁,工程可靠。

但其实,很多年以前,他就曾感受过简洁的震撼。 

sinαsinβ=-1/2[cos(α+β)-cos(α-β)] 

当两个正弦函数相乘时,波函数的频率会变高,这几乎是任一个高二学生都能作答的公式。 

为了获得高分辨率,李栋结合光控荧光蛋白的发光特性,用了两个不同颜色的光照激发观测物,得到更高的调制频率,从而提高分辨率。理论上,这也能达到分辨率无限高(分辨率越高代表越清晰)

“非常通透。你可以把一个最简单的三角公式映射到一个前沿的设备上,用一个简洁的原理实现一个困扰大家很久的问题。只要你开始绘制模式图,你就能很自然地把它转换成数学和物理的语言。” 李栋说。 

这是突破分辨瓶颈的关键一环,但仅在整个理论说明中占了一页PPT的体量,甚至在汇报中,常因过于细节而根本不会被提及。就这样,想通所有的理论框架 “只” 用了一个多月,但落地用了两年半。 

例如,如何实现两种激发光波函数的 “波峰对波峰,波谷对波谷”?

波函数的周期将近150纳米,而显微镜的成像视野大概为50微米,也就是50000纳米,这就意味着要在半根头发粗细的成像视野中,调整两个分别会出现3000多个周期的波函数。 

倘若两个波函数没有对齐,又该如何检验?还需要调制一种与被观测细胞折射率相似的荧光小球溶液做 “替身”,先用已知的荧光小球的直径,测算两个波函数之间的相位差,再替代到被观测细胞上…… 

这些都是随时可能出现的问题:伤害性不大,难缠性极强。 

不同于理论研究,多数依靠与大脑的天人交战,超分辨显微成像技术研制的核心之一是 “工程能力”。

李栋的妻子是一名产品经理。这份强调推进、落地的职业,在移动互联网时代被拱上潮头,肩负着发现需求、解决痛点,甚至引领行业趋势的重任:要每一个细节都可以被看到,每一个细节都可以被执行。从这个角度来讲,李栋与妻子的工作颇有相通之处。 

因为整体目标是 push to the limit——追求极致,所以每个步骤都要严苛地控制效果,“这一步达到了预期,才开展下一步。” 任何一个 “这里损失一点没关系的念头”,都会满盘皆输。 

“不是有一个想法,而是超前的想法,也不只是证明想法可行,而是要彻底实现,不要80%、90%,要100%,要足够好、足够可用、足够能真正解决生物学问题。”

那些细碎的工作,有时要靠螺丝刀、其他的小器具和经验手动组装仪器,有时要调试代码控制软件,有时要在稿纸上演算确认……当然,有时还要不断地发出、接收 “信息”,与合作伙伴沟通心意。 

清华大学生命科学学院教授俞立曾参观过李栋的实验室,感觉 “头皮都是麻的”。

在一条条长长的实验桌上,密密麻麻装备着显微镜和各种各样的器材,粗黑的电源线们一把把地攒在一起,稍不注意就拧成麻花,电脑悬垂在一旁的支架上。

这些布置,令人联想到古代行军布阵时的军事沙盘,从某些角度上,这也确实是主帅李栋的兵卒们,他调遣它们,在成像视野不到半粒沙子大的方寸之间抽丝剥茧。

李栋实验室的一角 | 徐竞然 摄

很多人厌恶琐碎,挑战和快乐常常在构想完成的瞬间冲到巅峰,随后迅速消耗殆尽。但于李栋,方向检验敏感度、理论检验构想、工程检验可靠,没什么比这样的全程参与更有掌控感,三种层次的快乐循环往复地推动着他。

工作,不是解决麻烦,而是获得快乐。快乐来临的瞬间,像头脑里突然奏响沸腾的乐章,他一个在饱满炽烈的精神世界里自得其乐,而不必为外人道。

“科学研究是非常自我的。无论是一连串的知识逻辑理解通了,解决方案一步步走出来了,第一个知道的永远是你自己,你讲给任何第二个人听,都不能100%理解,哪怕是爱人、还是一起工作的伙伴,都不能100%理解。”

4. 连点成线

从香港科技大学博士毕业以后,李栋几乎看遍了世界顶尖学者们的招聘主页,他有一个模糊的想法,想继续博士期间的 “小实验室-大科学”:既要 “小实验室” 更多一对一的及时交流,围绕特定问题的有效讨论,简单轻快的人际关系,也要 “大科学” 充沛的资源,足够的自由度和对前沿问题的超前构想。

 他加入了霍华德·休斯医学研究所埃里克·白茨格的项目组。这是业内毫无争议的、响当当的团队。 

如何判断一个好的学者?

 俞立认为,那应当是 “做他需要做的事,而不是只做他已经会做的。” 

回国后,李栋不仅把他在美国时擅长的技术建立了起来,还很快地有所创新,这是北京大学未来技术学院教授、副院长孙育杰的评价。

2015年,来到中国科学院生物物理所,李栋开始组建自己的小实验室。 

在北京的办公室里,这个10人左右的团队,保持着与中科院生物物理所其他实验室、霍华德·休斯医学研究所、牛津大学、杜克大学、清华大学、北京大学等海内外前沿实验室的密切合作。

不同于常见的、一条纵深的线一般的研究轨迹,李栋团队的研究,很像是一张网。 

这是由物理理论、硬件设备、软件算法和生物学主题四根金线编成的网,一张为网住许许多多有价值生物学问题而生的网。

首先,还是从最熟悉的显微镜设备入手。

他研究的掠入射结构光超分辨显微镜技术(GI-SIM),刷新了自己在博士后期间的TIRF-SIM能达到的效果。可以在97纳米分辨率下,以每秒成像660幅的速度连续成像,“照见”细胞1微米深度内的动态。通过这一技术,你能看到细胞器和细胞骨架进行着高度动态又有组织的相互作用,细胞器之间也进行着蛋白质和脂类的交换、信号的传递,运动纤毛内繁忙的 “交通”,等等。

那是生物课本上没来得及更新的 “爱恨情仇”:短棒状或圆球状的线粒体们正 “扭来扭去”。仔细观察,它们 “扭动” 的频率并不相同,因为内质网与线粒体接触点更能够促进线粒体的分裂与融合。而运动着的溶酶体仿佛行走的 “剪刀”,所到之处,可以带来管状内质网的瞬时断裂……

还有不同种细胞器间广泛的 “搭便车”。当一种细胞器召唤马达蛋白托举着它在细胞微管上移动时,另一个附近也有 “散步” 意向的细胞器,很可能就不再自己招募马达蛋白,而是直接搭上那个正在行进的细胞器的 “肩膀”,蹭上对方的 “车夫”,来了个 “拼车”。

因为随时可能遇到前人未发现过的信息,所以必须随时保持好奇、敏锐以及坚持。毕竟更新发现往往意味着推翻一些大众认知。要知道,当显微镜时空分辨率达不到时,人们只能忽视那个搭便车的细胞器,而误以为它也有一个属于自己的车夫。

如果细细剖析,建立在积累上的自信也加成了李栋的快乐。“我们做出来了,突破了,我们相信那可能是全世界做得最好的,是在技术细分领域上最早提出的方案。”

2018年,GI-SIM图像的工作发布于Cell杂志,Nature 评议它带来 “水晶般清晰” 的成像效果,还入选了2018年度科技部的中国十大科学进展……

并且,像完成一幅拼图,连点成线般的研究,展现了李栋在学科上的布局。GI-SIM成像技术的硬件系统兼容了李栋之前开发的全反射结构光(TIRF-SIM)、三维结构光(3D-SIM)和非线性结构光(nonlinear SIM)超分辨成像技术,形成了一套能 “兼容并包” 的多模态结构光超分辨成像系统。

这套系统,可以对从细胞膜、细胞质到全细胞范围内的生物过程,都以100纳米及突破100纳米分辨率成像,连续追踪活体样本中的多种分子事件,提供与测序、生化、质谱等方法相互补的时空动态信息,满足生物学研究中大多数荧光成像实验的需求。

中国科学院外籍院士、美国杜克大学教授王小凡曾评论,这将把细胞生物学带入一个新时代,更好地理解活细胞条件下的分子事件,从机制上洞察关键生物过程,可对生命科学整个学科产生重大影响。

5. 加速前的刹车

重点在于李栋知道什么是重要的问题。

在采访中,俞立和孙育杰不约而同地告诉《知识分子》,除了技术扎实,李栋的一大突出优势是对生物学的理解。

无论是GI-SIM还是多模态结构光超分辨成像系统,都不是神通广大到无所不能的设备。当然,迄今为止,也还未出现过这样的显微镜设备。如同孙育杰所说,“没有最好的技术,只有最适合的技术。”

也正因此,李栋的选择显得格外宝贵。 

在这门妥协的艺术里,他会 “牺牲” 分辨率——一个大多数擅长工程的显微镜研究者不舍得牺牲的指标,一种对技术崇拜的执着。很多时候,显微镜研究者往往会情不自禁陷入对分辨率的追求,刷新数字极限带来的战胜般的愉悦。

 但代表分辨率的那个数字,即使有时已经挺小了,也压根儿不会撬动生物学研究者的心弦——如果这个数字不能帮他们看到想看的东西,解决实际问题。

观测细胞器的真正难点在于,大多数细胞器通常分布在靠近细胞基底膜1微米的深度范围,现有的技术无法在高时空分辨率下看到那么深。如果不能解决这个问题,即使将分辨率刷得再高,也只是一场缘木求鱼的自嗨。精巧的GI-SIM不同。通过设计激发光的入射角略低于发生全反射的临界角,GI-SIM实现了1微米的观测深度,还兼备低光漂白和光毒性,能实时无创地监测活细胞。

伴随着人工智能的热潮,超分辨显微成像与机器学习融合得热火朝天。 

越来越多的研究者涌入,使用现有的超分辨图像与原始图像训练算法,再将 “学会超分辨” 的成熟算法应用到原始图像上,以期处理出 “超分辨图像”。

可以粗略地想象成,点开了手机里的美图秀秀,导入一张普通图片,然后选择一个名为 “超分辨” 的滤镜,算法暗自运行,只见屏幕一 “唰”,普通图片 “脱胎换骨” 成了超分辨图像。 

显微镜研发起家,拥有大量超分辨图像数据的李栋,训练算法本是近水楼台先得月,向前冲就是了。但 “加速” 之前,他先 “踩了一脚刹车”,给自己提出了一个核心问题:

虽然深度学习降低现有的硬件设备达到同等分辨率的代价,提高效率,但有限的生物图像训练数据、不同的成像条件与复杂多样的生物结构……生物学家究竟能在多大程度上信任算法输出的结果? 

即使看起来 “清晰” 了,但清晰得究竟是不是准确?倘若未必保真、可信的结果被应用到生物医学领域,失之毫厘谬以千里。李栋的脑海里闪过很多问号。

长久的工程训练塑造了他的思考范式:肯定方向,定位问题,量化程度,探索出路。 

测评了现有的多种超分辨算法,李栋发现,算法的准确度与原图的信噪比、复杂度,以及要提升的分辨率倍数息息相关。换言之,某些不适合的原图被 “超分辨滤镜” 强行处理后,有可能诞生一张 “美颜照骗”,也就是伪超分辨图像,看起来清晰了,但与真实情况有所差距。这说明单纯依靠深度学习或者去卷积等算法实现超分辨成像往往会带来伪信息。

于是,结合了显微成像的物理原理——重点关注衍射极限以外区域,李栋发展了一种能 “因材施教” 的深度学习超分辨显微成像算法,先识别到原图的高分辨信息,然后加强权重处理,从而显著提升高分辨率信息的重建准确度。

这样的研究具有双面优势,不仅开拓了显微镜学者的技术路径,还大幅了提高生物学者的研究效率,毕竟 “算法” 要比厚重、需要调试、甚至预约的显微镜设备成本更低、更易得。 

就显微镜这门强调工程化的学科,耕耘设备、训练算法……朝着 “更高、更快、更强” 大方向前进并非隐秘,而是共识。

在生物学领域浸润多年,俞立曾与许多显微镜学者合作过。“以李栋为代表的优秀学者们,总是能在里面找到和别人不一样的地方,比别人更好更快地做出来。” 俞立说。

6. 理想合作者

李栋是公认的理想合作者。

虽然没有生物学的学科背景,但李栋在与不同优秀生物学者的交流中,锻造了对生物学的理解。

 他不是那种热衷社交,自来熟的外向型性格,日常也喜欢一个人呆着,但在一些学术会议上,尤其是跨学科交流会上,你能很容易看到他的身影。这是他从博士后就养成的习惯。 

清华大学生命科学学院副研究员贾顺姬就是在一次研讨会上认识李栋的。

彼时,她的课题组正在进行一项研究——高尔基体来源的SEC14L2小泡参与调控内吞体的分裂过程。“我们希望能更加清晰、快速地捕捉到这一动态瞬间。” 恰遇李栋在探讨会上介绍了GI-SIM,这令她眼前一亮,会后一聊,李栋也对她的问题产生了兴趣。 

“从问题的源头出发。” 李栋有一整套合作思路:先要和生物学家交流,学习他们看问题的角度和方法,了解对方关心的问题,遇到的瓶颈,然后思考自己目前的工作与对方的契合点,再以问题为驱动,发展出技术方案。”

在中科院生物物理所的食堂里,李栋和他的饭友——中科院感染与免疫重点实验室组长、研究员高璞就发掘出一桩 “病毒的秘密”。

作为同期回国的学者,他们常聚在一起聊天,一次饭后遛弯时,高璞提到了自己正在进行的研究:一个名为cGAS-STING的免疫信号通路,是细胞抵御病毒的重要战线,尤其擅长抵御以疱疹病毒为代表的双链DNA病毒。但狡猾的病毒不会束手就擒,它们又是怎么反击的? 

在高璞的回忆中,当时李栋听了就很感兴趣,并提及团队的长时程、高分辨活细胞成像技术应该能在细胞内直接观测整个过程。

于是当天,遛着遛着弯他们便直接聊进了李栋的实验室,写写画画很久…… 再后来,就是拉上了同所的病毒学专家邓红雨研究员,和学生们一起推敲细节,大干一场。 

若是应用常规的观测方法,还未等解谜成功,细胞就死掉了。但借助李栋团队的小时量级三维高时空分辨成像,他们揭开了病毒反抗的策略。

 cGAS-STING的免疫信号通路中,分布在细胞质中天然免疫受体的cGAS像是 “侦察兵”,当它识别、并结合病毒的双链DNA后,就会发生种种连锁反应,激活下游的免疫蛋白,引发免疫应答。 

有趣的是,病毒中执行反击的是一大类进化遥远而结构相关的间质蛋白,它们不直接和 “侦察兵” cGAS起正面冲突,而是巧妙地迂回到DNA上,但也不是依靠DNA亲和力和cGAS直接竞争DNA,而是通过相分离机制与cGAS竞争DNA,先破坏cGAS-DNA相分离,然后逐步抽提cGAS-DNA液滴中的DNA,并与之形成自身的相分离聚集,从而实现免疫逃逸。

 2021年5月,研究开花结果,正式发布。作为首次发现病原微生物可以调控宿主细胞内相分离的研究,这项工作不仅发现了一种新颖的病原-宿主互作机制,也拓展了人类对大分子相分离调控复杂性的认识。

 俞立教授评价这项 “漂亮的” 研究。什么是漂亮?技术有新意,动作不繁琐,解决的问题扎实有用,能以最少的力量揭示出最多的生物学信息。

 对研究者本身,这也是漂亮的体验。 

高璞不仅收获一个有意义的科学问题,一场新的智力愉悦,迈出了另一种研究模式的一小步,更激励了一种信心。

“更关注科学问题,需要啥技术就用啥技术,(面对值得研究的问题)如果自己不会就找像李栋和红雨一样的专家合作,或者向他们学习”,高璞总结说。

 这不是稀奇的说法,许多资深科学家都曾提到。这与俞立所说,不是做会做的东西,而是做要做的东西,也是异曲同工。但对于年轻人,往往知易行难。尤其年轻PI刚独立的前几年,压力很大,通常会在擅长的模式下寻求突破。如何打破惯性使然、充满诱惑的 “可行性导向”,转向 “问题导向”?合作起到了助推作用。

有时,在实验中遇到技术难题,俞立会给李栋致电。电话通常能发挥三方面作用:为一些实验介绍适合的显微技术;或击碎一些 “假想敌” —— “有时你觉得特别难的事情,但在真正做显微镜的人看来,这个事情太简单了,就可以帮你搞定”;又或将一些天马行空的想法落地,找到可执行的突破口。当然,“电话” 有时也默默见证了些特别超前、暂时有些 “不切实际” 的畅想。

“很多人会讲我做完了什么,正在做什么,(但)每次碰到李栋的时候,他都在讲他的下一个机器怎么样怎么样。” 回忆与李栋的交往,俞立发现,这个搭档很少谈未来、期望、目标这类恢弘的、理想化的大词,取而代之的是一个个具体的问题。“一个谦谦君子。完全不忽悠,基本上他要说他能做的,他就能做,他要说他不能做的,那就是真不能做。” 

同样的特质,也令高璞印象深刻:李栋总能在很短时间内想出解决某个科学问题所需的技术,并对可能的结果给出靠谱判断;即使面对非常得意和看好的技术,他也从不夸大某个成像技术的效果,而是告知合作者可能会遇到的问题及解决办法。 

“虽然给人第一印象经常是有点 ‘严肃古板’,但在日常相处上,李栋是一个很平和且有幽默感的同事和朋友。” 高璞说。 

“我之所以很热衷地发展新技术方法,在于它可以成为生命研究的动力,推动问题解决,研究更进一步,而不是我发明了什么东西,发一个很好的的文章,而是确实帮助生物学家拓展和提升认知生命规律的维度和精度,做出对生命科学研究有益、有效、有影响力的成果。” 李栋期待着,生命科学可以借助新的技术方法,从描述性阶段,过渡到物理数学一般的定量推导阶段。

7. 谋定而后动

显微镜之于生物学,可以想象成工业革命之于现代社会。300多年前,当列文虎克第一次通过自制的光学显微镜看到细胞、游动的精子时,微观世界的大门就此打开。 

自此以后,技术的更新一直极大地影响着生物学家的研究,从只能看到二维的xy维度,到能看到三维的xyz维度,再加上能被荧光蛋白标记的颜色维度、长时程的t维度、分辨率维度…… 那些灵敏的,能追上技术风潮,并及时更新自己思考范式的生物学家,往往能比同行们先行一步。 

俞立说,他迫切地希望看到李栋这批代表中国技术的年轻人,可以尽快将手中的技术产业化。

产业化意味着顶尖的显微设备可以批量生产,进入有需求、有意愿的院所与企业。到那时,寻求合作的一方不必再在技术组紧密的人手安排与实验排期里等一个机会,技术所有者也可以减少重复性工作、套路化实验,把时间精力投入新的研发,继续高速成长。

2015年左右回国之初,风投就注意到了李栋的工作,但他多次婉拒了这些机会。

他有自己的想法。

 首先,从原理样机到产业化,并不容易。多次打板,确定原理样机,然后经历几十次合作实践的验证,收集用户反馈,再然后,尝试帮助合作伙伴远程搭建和使用,才算可以考虑工程化转移。

但接下来,更要系统地钻研工程化能力:设计分模块,提高模块的稳定性、可靠度,设想可能出现的种种问题,并在说明手册中提供解决方案,从而使进行了远距离运输、甚至国际运输的分模块设备,在成功抵达收货人手中依然保持极高的精密程度。最终,面对分模块设备,收货人能根据手册指导,自行组装调试,成功使用,才算大功告成。

 这不是最好的时机。他在等,等想法相对成熟,等自己对国内行业更加了解,等把几条 “有意思” 的技术路线都尝试完成……在此之前,要毫无疑问地把100%的精力都放在科研上。

李栋和同事做出的Multi-SIM显微镜样机 | 受访者供图

这一等,就到了2020年。

李栋问了自己三个问题:第一,开始产业化,自己有没有体系化的打法?不仅是一个技术方法的相对领先,而是已经想好第二、第三步,只有这样才能在高端设备市场上赢得尊重与认可。第二,相比目前最好的厂商们的同类产品,自己的产品有没有突出的优势?第三,开始工程化,是否也能保有研究自主性,把握好自己的步调与节奏?

三个问题的答案都是 “是”,李栋才开始着手技术工程化和产业化开发。

  8. 下一座山峰

生物学问题通常不是验证性的,而是探索性的,仿佛在漆黑的森林里穿行,前往无人之境。拥有一架优秀的显微镜,就好像配上一把手电筒,帮助旅人穿透黑暗,照亮前路。 

“我不认为你会碰到任何一个生物学家,觉得显微镜学者们的深度加入会是威胁,完全相反,我们特别欢迎他们进来,生物学是一个巨大的问题,在他们的工作中,他们一定已经积累了非常多有意思的现象,其中牵涉到一些非常专业的知识,而我们将会深刻地理解它们,欣赏它们,这是一个非常良好的共生关系。” 俞立解释道。

李栋办公室的白板上,有一行妻子留下的小字:“小李加油!!!” | 徐竞然 摄

但如果只强调显微镜的重要性,很容易陷入技术决定论的陷阱。

显微镜学家需要好的生物学问题来放大、证明自己的技术影响,生物学家需要好的显微镜,来帮他们翻越沟坎,抵达下一座山峰。选择哪条道路去探索,选择什么样的方向,能发现更多的珍宝,考验眼光。 

那不是对某一具体步骤的选择,而是对时局与趋势的把握。要知道目前生物学最重要的战场在哪,最需要得到的信息是什么,最大的痛点在哪儿。

“大” 还是 “小”?

是越看越大,从单细胞层次迈向多细胞层次,观察细胞互动,或是生物体整体?还是越看越小,深入到单细胞的某些局部,走进单分子层次,挖掘生物大分子组装的形式,在特定过程中的种种作用?

这是两个不同的科学问题,分别指向不同的、瞬息万变的风景,也对应着不同的技术路径,但对李栋,有一点从未改变,要将所开发技术真正地应用于生命科学研究,让生物学家的研究少一些被技术掣肘的妥协,多一些心之所向的从容。

李栋办公室的白板上,布满了公式推导的演算,左上的角落里,有妻子写的一行小字:“小李加油!!!”

参考资料

[1]http://www.ibp.cas.cn/sourcedb_ibp_cas/cn/ibpexport/swdfzgjzdsys/201912/t20191202_5447281.html

[2]https://www.nature.com/articles/s41592-020-01048-5

[3]https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(21)00359-2?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1097276521003592%3Fshowall%3Dtrue

[4]https://m.thepaper.cn/baijiahao_12778144

[5]http://scitech.people.com.cn/BIG5/n1/2019/0307/c1007-30962449.html

[6]https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)31308-4

[7]A Golgi-derived vesicle potentiates PtdIns4P to PtdIns3P conversion for endosome fission | Nature Cell Biology

[8]http://lsi.zju.edu.cn/2021/0330/c25131a2272538/page.htm

[9]https://www.sohu.com/a/458834882_120865558

[10]http://blog.sciencenet.cn/blog-3214791-999502.html

[11]Xu, Guangjun, Chong Liu, Sheng Zhou, Quanjin Li, Yun Feng, Panpan Sun, Han Feng et al. "Viral tegument proteins restrict cGAS-DNA phase separation to mediate immune evasion." Molecular Cell (2021).



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