5年前的夏天，中科院生物物理所園區(qū)回蕩著悠長的蟬鳴。劉昊走進柳振峰研究員的辦公室，當時他22歲，正在讀大四，想要到柳老師的實驗室里實習。

柳振峰在電腦上打開一張PPT，這是植物光合作用的分子機制圖。在植物細胞中，葉綠體像一個個迷你“生產(chǎn)車間”正在繁忙工作。然而這些“生產(chǎn)車間”自己內(nèi)部培養(yǎng)的“工人”——蛋白質很少，90%以上的蛋白質要從外部引進。這些蛋白質要進入葉綠體發(fā)揮作用，這就需要經(jīng)歷一段復雜的運輸過程。

“你知道葉綠體膜上這個幫助蛋白質‘進門’的結構是什么嗎？”柳振峰試探地問，這個知識點有些冷僻，他沒指望劉昊能答上來。

沒想到，眼前這個年輕人回答得頭頭是道——這正是他感興趣的研究方向！就這樣，師生初次見面的短短幾個小時里，劉昊就贏得了柳振峰課題組的入場券，并確定了未來5年的博士研究方向。

近日，27歲的劉昊以第一作者身份在國際頂級學術期刊Nature上發(fā)表了相關論文，解析了葉綠體蛋白質傳送器的組裝原理。這時柳振峰才笑著承認，當初他有意“忽悠”了一下這個小伙子：“我沒告訴他這個課題到底有多難?！?/p>

被“忽悠”來的Nature一作

光合作用就是植物通過葉綠體，把光能轉化為化學能的過程。這可以說是地球上最重要的化學反應。沒有光合作用，就沒有我們眼前多姿多彩的生命世界。歷史上，光合作用的機制研究曾多次斬獲諾貝爾獎。

“在光合作用中，植物如何做到高效地吸能、傳能、轉能，是科學研究的核心問題之一?！绷穹鍖Α吨袊茖W報》解釋。而葉綠體中有著復雜空間結構的葉綠素蛋白復合體，正是至關重要的能量“傳送器”和“轉換器”。

葉綠體中的蛋白質，可以大致分為兩種來源：不到10%的蛋白質是由葉綠體自身內(nèi)部的基因編碼的；90%以上的葉綠體蛋白質就像其他大多數(shù)蛋白質一樣，是由細胞核中基因編碼的。后者要進入葉綠體開展工作，需要連續(xù)穿越葉綠體特殊的內(nèi)、外雙層膜結構。為它們開辟道路的，是名為TOC-TIC的蛋白質轉運復合體。位于葉綠體外膜上的轉運體被稱為TOC，位于內(nèi)膜上的轉運體則被稱為TIC。

在過去30年間，組成TOC和TIC的不同蛋白亞基已被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，而二者構成的TOC-TIC超復合體如何組裝，如何跨越葉綠體內(nèi)外膜，又如何組成前體蛋白的運輸路徑，這一系列的關鍵科學問題的答案都還未能研究清楚。

“在真核生物體中，葉綠體和線粒體是具有雙層膜結構的細胞器，像葉綠體TOC-TIC這樣能夠跨越雙層膜的蛋白質轉運復合體比較罕見,并且具有非常重要的生物學功能。它本身的組成和結構非常復雜，而且在細胞內(nèi)的含量很低，因此研究難度還是很大的，可能做很久都做不出來?！绷穹逭f。

然而看著眼前這個“初生牛犢”般的科研苗子，柳振峰怕把他“嚇跑了”，有意在表述上“打了個折”。

“這個課題很有趣，不過可能要做4-5年，不一定有結果，你愿意來嗎？”

22歲的劉昊接受了挑戰(zhàn)：“當時找到柳老師，就是出于對植物膜蛋白的興趣，所以不管5年還是更久，只要能做出來就行?！?/p>

科研攻關，從“洗菜”開始

對冷凍電鏡研究來說，樣品的質量極為關鍵。“巧婦難為無米之炊”——很多時候，同樣擁有冷凍電鏡的研究單位，之所以有的能快速做出高質量的結果，有的遲遲難以突破，主要瓶頸和問題往往就出在樣品的收集和制備環(huán)節(jié)上。

在植物和藻類中，葉綠體TOC和TIC蛋白的天然豐度比較低。如何從葉綠體中獲得又多又好的TOC-TIC超復合體拿來做實驗，成了研究初期最大的難題。

植物葉綠體的優(yōu)質來源是菠菜。于是去菜市場拎5斤菠菜，再回實驗室把一大盆菠菜清洗、分離、提純，這一系列操作，成為劉昊做研究的常態(tài)。

久而久之，這個小伙子成了洗菠菜的“熟練工”：要想洗得干凈，就得用蒸餾水反復沖刷，每一片綠葉都清洗6遍；同時，還不能使用超聲波等技術清洗，只能輕柔手洗，以保護TOC-TIC超復合體的完整形態(tài)。

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由于常洗菠菜，白大褂都洗綠了，劉昊就穿著它做實驗 （課題組供圖，下同）

劉昊自嘲地說，洗菠菜已經(jīng)成了他的“職業(yè)病”，即使回家洗菜、擇菜，也保持著實驗室的手法和速度。

但藻類葉綠體樣品的收集，就沒這么容易了。

柳振峰團隊曾經(jīng)向國際衣藻資源中心（Chlamydomonas Resource Center）訂購實驗所需的萊茵衣藻。然而，這株漂洋過海的藻種經(jīng)過長途運輸，經(jīng)歷了被噴酒精和消毒等重重波折后，到達生物物理所時，幾乎“沒剩幾個活細胞”，險些被扔進垃圾箱。

抱著“死馬當活馬醫(yī)”的態(tài)度，劉昊還是把藻種放進安裝了光源的恒溫搖床中搖著。“我沒事就去看看它，一直都長得很緩慢，但突然有一天，它變綠了?！?/p>

另一株來之不易的藻種，則多虧了一位“好心的瑞士老先生”。他是瑞士日內(nèi)瓦大學的Jean-David Rochaix教授。2018年召開的第二次世界生命科學大會上，Jean-David得知柳振峰課題組正在開展這方面的工作后，便主動提出共享自己實驗室的帶有特殊親和標簽的藻株。用這個藻株做實驗，意味著將大大簡化提取步驟，加快實驗進程。

但由于種種原因，在長達2年的時間里，他們一直沒能拿到這個藻株。在Jean-David的不懈堅持和爭取下，藻株終于先輾轉寄到中科院植物研究所楊文強課題組，之后再轉交給柳振峰課題組。

獲得足夠的實驗樣品后，他們很快使用冷凍電鏡技術，對TOC-TIC復合物中的孔道特征進行了細致觀察和分析，并揭示了葉綠體蛋白質傳送器的組裝原理。經(jīng)過半年多的反復審稿修改，這項研究終于在Nature見刊。

在柳振峰看來，這次研究結果的發(fā)表離不開國際交流和合作?！芭c一流科學家開放地交流和合作，能促成很多出色的成果，這株跨越大洋的藻種也證明了這一點?！彼f，“我們也毫不猶豫地把論文初稿發(fā)給Rochaix教授，并在征得他的同意后，把他的名字寫在了論文的共同作者中。”

這篇Nature只有4個署名

這篇Nature論文只有4位署名作者：博士生劉昊、李安節(jié)分別為論文的第一和第二作者，負責整個技術路線和相關實驗的實施；瑞士日內(nèi)瓦大學Jean-David Rochaix教授為共同作者，參與該項課題技術路線的設計和結果分析討論；柳振峰則為通訊作者，負責統(tǒng)籌研究的整體設計和協(xié)調研究過程。

在Nature網(wǎng)站2021年6月發(fā)表的一篇文章中指出，對PubMed-MEDLINE數(shù)據(jù)庫列出的3000萬篇論文的一項分析發(fā)現(xiàn)，作者的平均人數(shù)從1975年之前的1.9人上升到2015-2019年間的5.9人。一篇頂刊論文，署名十幾人甚至幾十人的情況早已屢見不鮮。

柳振峰表示，自己課題組產(chǎn)出的論文作者人數(shù)偏少，與科研的不同組織模式有關。他們的這種“小團隊作戰(zhàn)”，有限的參與者每個人都必須承擔“大量的工作”。相應的，也往往有“高密度”的收獲。

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柳振峰團隊（上排左四為柳振峰）

對此，劉昊和李安節(jié)深有體會。

在本科生階段就確定研究方向的劉昊，在之后4年間幾乎只做了這一個選題。大到設計實驗、調整方向，小到跑菜市場買菠菜、連續(xù)十幾個小時扎在實驗臺前提純蛋白，他事無巨細地挑起了這個課題的大部分工作。

“在我們課題組，柳老師對我們的要求是，每個人都要完整掌握實驗的全套流程。”李安節(jié)說，“這樣會很辛苦，但對我們的成長非常有益。”

實驗后期，李安節(jié)主要負責分子動力學模擬，但這一體系不同于傳統(tǒng)結構解析，還需要有扎實的計算機科學、生物化學和生物物理學等學科背景。李安節(jié)花了兩周時間，一頭扎進新領域的文獻海洋，“程序跑通的那一刻，真感覺挺厲害的！”

在這個課題組，發(fā)論文的效率也許不是最高的，但人才培養(yǎng)的效率卻并不低。

不要只摘“低垂的果實”

在柳振峰看來，從結構生物學的傳統(tǒng)優(yōu)勢出發(fā)，闡明光合作用的微觀機理，是一項“值得投入幾代人”的研究。

過去200余年間，國際上與光合作用相關的研究成果已經(jīng)十余次問鼎諾貝爾獎，被諾貝爾獎評委會評價為地球上最重要的化學反應。其中，光合膜蛋白的三維結構研究一直是國際公認的高難課題，它也被認為是一個國家結構生物學研究水平的重要標志。主持完成了我國第一個膜蛋白的晶體結構測定的科學家，正是柳振峰的導師——中國科學院院士常文瑞。

1998年，柳振峰來到生物物理所常文瑞課題組，選擇了一個“看似不可能”的課題——菠菜捕光復合物的結晶和結構解析。在延期畢業(yè)近一年后，柳振峰終于在Nature上發(fā)表得到國際同行高度認可的論文。

2018年，柳振峰在實驗室第一次見到劉昊時，也拋出了一個“看似不可能”的課題。如今，時隔近20年的兩篇Nature論文，串起了3代結構生物學者的科研人生。

隨著冷凍電鏡和深度學習技術的快速發(fā)展，過去解析一個分子結構需要幾年的時間，如今發(fā)展為僅需幾個星期，甚至幾天。那么，結構生物學研究背后的真正問題又是什么？

劉昊記得，柳老師總掛在嘴邊的一句話是，不要只摘“低垂的果實”。因此，柳振峰招收學生時，從不關注對方發(fā)過幾篇論文，只關注對方“愿不愿動腦筋、會不會提問題”；在他的課題組，從沒有論文發(fā)表的數(shù)量要求，只關注一項研究是否把科學知識的邊界往前推動了一大步。

對劉昊來說，結構生物學研究最令他激動的一刻，不是得知文章被Nature接收的一刻，而是解出TOC-TIC超復合體電鏡密度的一刻：“我也能解出這么難的問題？”與探索未知的收獲相比，在頂刊發(fā)表論文就顯得“平淡多了”。

正如柳振峰所說：“解析結構并不是我們的目的，更重要的是發(fā)現(xiàn)結構背后的規(guī)律性原理。結構生物學的真正核心在于提供開創(chuàng)性的框架，為后來研究者帶來新的啟發(fā)、新的起點。”

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柳振峰課題組開展戶外活動

相關論文：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05744-y