“泡”實驗室 攻世界難題(三)
——中國青年女科學家顏寧教授博文及有關資料選編

本刊編輯部

（上海交通大學，上海 200030）

“泡”實驗室 攻世界難題(三)
——中國青年女科學家顏寧教授博文及有關資料選編

本刊編輯部

（上海交通大學，上海 200030）

文章首先介紹了人源葡萄糖轉運蛋白GLUT1的晶體結構的基本原理及其研究情況。提出科學研究離不開實驗，良好的實驗環境是科學研究的重要條件，進一步提出實驗室工作中應注意的經驗與教訓;最后指出實驗室建設工作中存在的問題與期望。

結構生物學;科學實驗;葡萄糖轉運蛋白;晶體結構;實驗室建設

編者按:今年6月清華大學醫學院顏寧教授研究組在世界上首次解析了人源葡萄糖轉運蛋白GLUT1的晶體結構，初步揭示其工作機制以及相關疾病的致病機理。論文通訊作者顏寧是一位杰出的青年女科學家，多年來帶領一支年輕的研究團隊，“泡”在實驗室里，攻克了一個又一個結構生物學最前沿的世界難題。顏教授又是一位善于溝通交流的科學家，她建立了博客并寫出許多精彩的博文。本刊主編夏有為教授閱讀了她的博文，深感顏寧教授從事科學研究和實驗室工作的親身經歷總結的寶貴經驗，內容豐富、真切、感人，理念先進、創新、深刻，極富啟迪作用，是不可多得的精彩文章。值得廣大科研與實驗室工作者學習與借鑒。經征得顏寧教授同意，本刊選取顏寧科學網博客部分文章及有關資料進行編輯整理，現予發表，以饗讀者。文章內容較多，分期刊登，并誠懇歡迎廣大讀者反饋閱讀的意見與建議。

7 實驗室里的苦與樂

實驗室工作引人入勝，但他也會給你苦和樂的。對于實驗室的苦和樂，可以從2007年剛回清華的時候談起。當時我給自己確立了幾個明確的研究目標，前面講的葡萄糖轉運蛋白是其中之一，還有另外一個也非常有意義的課題，叫作電壓門控鈉離子通道，它是對于我們神經信號傳遞至關重要的一個蛋白。2011年，我們經過之前幾年的探索，終于獲得了一個細菌同源蛋白的晶體，結構解析已近在咫尺，就差最后一次收集重金屬衍生數據了。為此我們準備了大量晶體，保存在可以維持低溫零下170℃的液氮預冷罐中，寄到日本同步輻射，準備收集數據。

接下來，就是我永遠不會忘記的日子，2011年7月11日。那是星期一，是在中國看到《自然》新論文上線的日子。我本來應該早上6點出門去機場，在5點55分的時候，我打開了《自然》在線，第一篇文章直接砸來，因為這篇文章的題目就是《一個電壓門控鈉離子通道的晶體結構》，這正是我們在做的課題，也就是說，我們被超越了。我們一直說科學上只有第一，沒有第二。而現實是我們再也沒有可能在這個課題上成為第一了，慘敗!我把論文打印出來，交給了當時正在做這個課題的張旭同學，她立即淚崩。可是，我們別無選擇，晶體還在日本等著我們。于是一切按照原定計劃，我們飛赴日本。一路奔波，晚上7點趕到實驗站的時候，那里的工作人員一臉凝重地對我說:“顏教授，你們寄過來的低溫罐似乎出了問題。”我心里一沉，這意味著晶體可能出了大問題，這可是我們過去3個多月所有的心血結晶啊!在剛剛承受了被超越的打擊之后，這個事故可真是“屋漏偏逢連夜雨”。

所幸我們做事一向未雨綢繆，隨身還帶了晶體，于是就地開始重新泡重金屬，第二天早上到了正式收集數據的時候，果然，寄送過來的晶體全部陣亡，無一幸免。然而，就當我們花了十幾個小時，即將絕望之際，前一天晚上剛剛處理好的一顆晶體給了我們需要的所有數據——質量是如此之好，以至在收完數據一個小時之內，我們就解出了結構!此時，發表論文的課題組還沒有從數據庫釋放結構信息，所以于我們而言，又是第一次看到了這類蛋白的原子結構，對過去4年的努力是一個完美收官!那一刻，根本沒有人會在乎論文會發在什么地方，當時只有在這個大悲又大喜之后，巨大反差帶來的狂喜。

而事情還沒有結束，就當我在凌晨三點打開郵箱，準備把新的結構發給實驗室成員布置后續工作的時候，發現了一封來自美國Howard Hughes醫學研究所的郵件，通知我，經過初選，我在全球800名申請人中過關斬將，戰勝了745人，成為進入“Howard Hughes國際青年科學家”第二輪候選的55人之一，邀請我于11月赴美參加最后的角逐。那一刻，我腦子里瞬間顯出這兩句:“屋漏偏逢連夜雨，柳暗花明又一村”。這45個小時，從7月11日早上5點55分到13日凌晨3點鐘，對于我和我的學生們而言真可謂驚心動魄，猶如坐過山車。也正因為此，對這個課題，我們遠比對其他任何一帆風順做的課題更加刻骨銘心。

但這依舊不是事情的最終結尾。因為這個課題，我有幸與我此前崇拜了將近10年的偶像級科學家、2003年諾貝爾化學獎得主MacKinnon教授合作，在與他的交流中受益匪淺，也終于圓了我在研究生時代想要與他一起工作的夙愿。更重要的是，我們的結構呈現出與已經發表的論文很不相同的狀態，經過分析闡釋，我們的這些新結果也在10個月之后發表于《自然》。我還提出了一個新的電壓門控通道感受膜電勢的全新模型，直到現在，我們仍然在創造新方法、發展新工具對這個模型進行構建。

我深切感受到，對你自己著迷的事情不但不會覺得苦，反而是樂在其中。當你通過無數次的實驗揭示出大自然的奧秘時，你的滿足感和成就感那是難以言喻的。這就是實驗的苦和樂，“實驗不到最后一刻，再難也決不放棄，有可能會‘柳暗花明又一村”;這就是科學研究的魅力:不向前走，你根本不能輕易定義成功或者失敗。總有那么多的不確定、那么多的意外驚喜在等著你!

8 實驗室“無他，唯用心耳”

長期的實驗室工作，我也積累了不少經驗與教訓。這要從做研究生時談起，回想那時候的一些經驗和教訓，似乎有兩條比較可取，現在與大家分享一下。

8.1 用心學習實驗

(1)用心學習他人實驗。在實驗室要用心觀察senior成員的實驗，不放過每一個參加實驗室內部討論的機會。記得上大學本科時，有一位教授在課上給我們講本系畢業的牛人，好像提到的是鐘毅，說他讀研究生的時候，每次導師一到實驗室談課題，他就湊過去聽，久而久之，他的見識就比同時進實驗室的人強。后來他博士畢業，也沒做博后，就在冷泉港拿到了教職。可能是出于對牛人的敬仰，我記住了教授的這句話。當我自己進了實驗室，潛意識里總想著這句話，而且稍微擴展了一下，不僅是導師談課題，我湊著聽，其他的senior成員談課題或實驗技術時，我也特別留心。最初一年，只要我手頭沒實驗，總喜歡旁觀實驗室里senior成員的操作。

圖7 施一公教授

(2)嚴謹操作和大膽嘗試統一。我的導師施一公教授(圖7)做實驗可以用“行云流水”來形容。他似乎腦海里早就設計好了各種操作，一旦做起來，一氣呵成。并且有一些非常有意思的細節，甚至小到槍頭的使用序列、標簽紙的折角;看起來好像微不足道的“小手腳”，經他解釋才知道，這些都是為了避免實驗操作中由于瞬間分心而可能造成的失誤。有時，一個小失誤就可能讓整個實驗前功盡棄。施教授經常說“不是我們做實驗操作快，而是我們犯錯誤少，彎路走的少。”并且，他讓我學會了什么叫嚴謹操作和大膽嘗試的統一。在課題徘徊不前的關鍵點，他經常會有一些出人意外的主意。我到現在還記得，在我讀博士生的后期，自己因為一些連續的成功，變得很自信。在一個很艱難的課題上，我們為了一個實驗設計爭執不下。我在腦海里演示一遍，覺得基本上是浪費時間，拒不肯嘗試。施教授于是自己去做，竟然成為該課題成功前的臨門一腳。為此，我抑郁良久。但也從此讓思路又打開了一大片。我深切地體會到，只要follow logic，有什么是不能嘗試的呢?

(3)事先做好實驗設計。在普林斯頓的時候，我還特別喜歡看師姐吳嘉煒做實驗。她做事極其利落，工作臺上一直都是有條有理，做完實驗，立即收拾得干干凈凈。她的字又漂亮，看她的實驗記錄整整齊齊，一絲不茍，賞心悅目。而且，嘉煒基本不熬夜。她是實驗室作息最有規律的人，可是工作量卻不比任何一個人少，甚至更多。她教給我的是:實驗設計基本上都是前一天晚上在家里洗漱時、或者休息前想明白的。在腦子里已經過了一遍，真正做起實驗時，是不用再費心設計的。后來，我也學會了這個習慣。每天晚上先想好次日的工作;第二天做實驗時，節奏感自然就出來了。

(4)敢于打破常規。我的同事柴繼杰是我們實驗室的大牛，也是最不科班出身的。但是我后來一直覺得他很聰明。我從他身上學到的是“天馬行空”。和他一起做過不止一個課題，發現他經常不按“常理”出牌，會自創一些protocol(規章制度)。后來，當我的經驗多起來了，不由得感慨，生物學研究里哪有這么多的“常理”?所謂規章制度，不過都是經驗的積累。只迷信別人的經驗，又怎么能創新?有好幾個課題，都是因為他的不拘一格而突破了瓶頸。他的風格對我影響頗深，讓我后來總以偶爾的“歪門邪道”為榮，并且屢屢成功。

(5)積極參與討論。在實驗室里不僅是看別人做實驗，還要不放過每一個參加實驗室內部討論的機會，當實驗室有任何課題討論的時候，我總是盡可能地湊過去。耳融目染中，不僅“偷學”了我的導師施一公教授指導學生的方式，也從其他人那里偷學了不少。大家思考問題的角度，解決問題的方式，甚至一些trick(小訣竅)，我都會在腦子里打個轉儲存下來，并忽然發覺，那時候的記憶力是真好，基本過耳不忘，現在不行了。

“泡”在實驗室幾年下來，慢慢地發現，我也逐漸變成實驗室里點子比較多、實驗操作比較巧的人了(圖8)。

圖8 顏寧教授在實驗中

8.2 不重犯每一個實驗失誤

長期的實驗工作我還體會到要記住自己和別人的每一個實驗失誤，同樣的錯誤絕不重犯，這對以后的實驗室工作是大有裨益的。人非圣賢孰能無過，知錯能改善莫大焉。在實驗里犯錯誤不可避免，不論是剛進實驗室的新兵，還是久經沙場的老將。我自認為的一個好習慣就是:我記住每一個錯誤，不僅是自己的，還有我聽來的、看來的身邊每一個人的操作失誤，同樣的失誤絕不犯第二次。我一般對于失誤過的操作都印象格外深刻，并且愿意告訴別人，也防止別人再犯。比如有一次，做gel filtration(凝膠過濾)，用SD200的柱子。我偷懶沒設壓力保護，而輸入流速的時候，竟然把0.5設成了5。幸虧我當時就在旁邊，立即停止了FPLC(快速蛋白液相色譜法)。盡管如此，不過幾秒鐘的時間，柱子已經矮了一截，幸好后來調試了一下，柱子沒廢，接著用下去了，但真讓我心有余悸。這個錯誤告訴我兩點:

(1)壓力保護任何時候不能偷懶不設;

(2)在實驗剛開始的時候，一定不能離開。

雖然這已經是10多年前的事了，我還記著。后來當然是一次再沒犯過同樣的錯誤了。

我對自己實驗室的要求也是如此:你第一次犯錯誤，只要不有意隱瞞，我不批評;如果在組會上公開講出來，我還要表揚你的誠實以及善意提醒他人;但如果同樣錯誤犯兩次，對不住，我不得不批評了。

當年，我在一年輪轉后，進入實驗室讀博的3年多，第一年基本是在各種磕磕絆絆中走過;但是自從2003年1月11日我做成了一個極為復雜的assay(分析)，在以后的實驗課題中基本是做啥成啥。也許，真的是在前面經過了所有能夠經歷的失誤與失敗，記住了，改過了，后面只要實驗設計是合理的，做出結果便是水到渠成的事情了。

其實，說來說去一句話，在實驗室“無他，唯用心耳”。

9 對實驗室建設的期望

實驗室的運行中我感到有些問題值得重視。例如，4年前我們實驗室管理人員做的實驗室一年財務報告，結果讓我很吃驚。盡管我知道自己屬于學院里給學生發補貼最高的實驗室之一，但人工費只是占據了開銷的20%左右，而最大的費用花在了試劑耗材上，占到了50%以上。由于最初建實驗室買了一批儀器，所以這一年的儀器費用比例就比較少。這讓我在思考一個問題，就是生物基礎研究到底是否要多燒錢?在美國，對生物學科的投入非常之巨大，他們是犯傻嗎?

目前生物基礎研究作為重要的學科之一，與社會經濟生活也密不可分。我們的經費主要投入在以下幾個方面:儀器、耗材、測試、房租物業水電、人工費用(因為固定人員的工資是由學校負責，這里主要是對學生和技術人員而言)。這其中，人工費用等于是返還到了納稅人手中。我不知道某些經費資助部門怎么如此想不明白，非要給人工費設定一個這么低的閾值(不超過10%)。也許由于我自己經歷的原因，我贊同給博士生、博士后高工資。大家都應該知道，博士生待遇在國內外的巨大差別也是我們對于缺乏吸引優秀學生競爭力的原因之一。何況物價漲的厲害，也只有生活上沒了后顧之憂，才能專注于陽春白雪的科研。

實驗中許多測試、房租水電，基本都是交給了國內公司或部門的手中，對于國家而言，沒有流失任何財富，相反，還幫助了一些小的諸如測序公司的發展。所以我不心疼。而儀器、試劑這一塊，是最讓我心疼的!白花花的銀子流往海外啊。我回國之初，信誓旦旦支持國貨。凡是儀器試劑能用國產的一概不要進口的。可是殘酷的現實逼得我在半年之后心灰意冷。同樣是搖床，進口的可以保證內部整體恒溫，而國產的則靠近出風口的一半E.coli(大腸桿菌)已經長到OD(外直徑)1.0，遠離的那一邊只到0.5;快速 FPLC(蛋白液相色譜儀)、超速高速離心機等精密儀器壓根就沒有國產品牌，而低速小離心機，不是整天壞就是設計上使用不方便......。當然，國產的好處是報修方便，上午壞了，下午就有人修，但架不住老壞啊!不過，即便這樣，我們還是能用國產儀器的就盡量用國產的。

儀器還好辦，國產的再不好，也能湊合;進口的再貴，也是一次性投資。但試劑耗材這一塊，真是無底洞。我們依舊是在一些要求不高的試劑上，什么氯化鈉鹽酸之類的，一概國產化。但是到了結晶等重要步驟，為了保證復制、reproducibility(再生)，還必須是通過Sigma。而實驗室最花錢的卻是 detergent(清潔劑)、medium(媒介物)、resin(樹脂)等。我一直試圖在國內找同類產品，但是沒有。即使有，質量上也無法保證純度和穩定性。可恨的是，在國內買這些試劑耗材，價格是國外的數倍。比如，我們買英杰公司(Invitrogen(Gibco))的 SF900細胞培養基，2006年在美國Princeton做到了20美元一升的單子，回國之初，一咬牙談了一個大單子，270元人民幣一升，說好分三期到貨。結果第一批之后，對方單方面毀約，大幅提價，一下子漲到了500元一升，據說是為了和國內其他市場達到一致，真是不講道理。抬價的原因，無非是要壟斷。看看我們用的那些江浙一帶小作坊生產的尖端tip、eppendorf tubes(埃彭道夫管)等等，我有時真是疑惑:為什么不能把質量做好一點，哪怕貴一些我也認了。在美國做生物研究，實驗室燒錢，但整個國家在賺錢。因為大量的經費又回到了本國公司。本國公司的壯大又成功地攻占了外國市場，利潤源源不斷涌來。可在中國，因為我們精密儀器制造業的落后、試劑藥品制造業的落后，確實是在把大把納稅人的金錢往國外扔。我這里只說了生物技術產業，至于生物制藥，我不熟悉，也不敢妄評，只知道一個Lipitor一年的利潤一百多億美元。當然，許多原創性基礎研究的成果也不能簡單地用這些投入來做衡量。我在這里只是很簡單地用經費支出的走向來分析我國在生物基礎研究上的一個問題。生物基礎研究，如果運作好了，不僅不是燒錢，不僅能夠產出原創性的成果，其工作本身就是國家經濟發展的助力;但運作不對，也就真是把納稅人的金錢拱手送人了。在基礎生物研究的體量越來越大的現狀下，希望我國能有自己的儀器、試劑品牌公司，真正把質量做上去。我依舊發自內心地希望支持國貨。我希望，肥水不要流外人田。(編者注:異曲同工的是華中農業大學校長鄧秀新院士在接受本刊采訪時同樣提出了國內存在的這個問題，強烈希望加強影響我國科研發展的儀器及試劑生產事業。)

(全文完)

(夏有為整理編輯、添加大小標題，經顏寧教授審閱)

人物介紹:

顏 寧(1977－)，女，教授、博導，2000年獲清華大學生物科學與技術系學士學位，同年9月赴美國普林斯頓大學分子生物系師從著名結構生物學家施一公教授，2004年獲分子生物學博士學位，隨后繼續在該校進行博士后研究，2007年博士后出站后回國受聘清華大學醫學院，成為當時清華大學最年輕的教授、博導。她領導的結構生物學實驗室主要利用結構生物學和生物化學手段致力于跨膜運輸蛋白及植物脫落酸受體信號通路的結構與功能機理研究，承擔和參與多項國家自然科學基金委項目及2項科技部重大科學計劃項目。發表學術論文30篇，其中自2009年以來作為通訊作者在三大國際著名學術期刊《自然》(Nature)、《科學》(Science)、《細胞》(Cell)上發表學術論文11篇，成果于2009、2012年兩次被美國《科學》雜志評選的“年度十大科學進展”重點引用，2012年入選中國十大科學進展。

顏寧2005年因為杰出的博士研究論文獲得《科學》(Science/AAAS)和GE Healthcare評選的“青年科學家獎”(北美地區)，該獎項在全球范圍內每年只有5人入選;回國后相繼獲得“貝時璋青年生物物理學家獎”、中國優秀青年科技工作者、談家楨生命科學創新獎、中國青年女科學家獎(圖1)、藥明康德生命化學研究等獎勵和榮譽。2012年獲得國家自然科學基金委“杰出青年科學基金”，2013年入選首批“青年拔尖人才”;2011年成為美國霍華德休斯醫學研究院(HHMI)評選的首屆28位國際青年科學家之一。2014年被《細胞》雜志選為全球40位年齡在40歲以下的杰出科學家之一。

圖1 顏寧教授獲中國青年女科學家獎

顏寧教授的科學研究工作獲得了國內外的廣泛認可，她本人多次獲邀在Gordon Research Conferences、Cold Spring HarborAsian Conferences、Biophysical Society Annual Meeting、Biomedical Transporter Conference等重要國際會議，以及美國普林斯頓大學、斯坦福大學、約翰霍普金斯大學，英國利茲大學等多所知名研究機構做特邀學術報告。2014年8月在澳大利亞召開的國際生物物理學會年會上獲邀作大會主題報告。她還被邀請組織2013和2015年冷泉港亞洲學術會議系列之膜蛋白主題會議。目前擔任國際著名期刊Cell Reports和Journal of Biological Chemistry(JBC)的編委。

2014年6月20日教育部杜占元副部長、科學技術司雷朝滋副司長一行專程到清華大學醫學院看望了顏寧教授(圖2)。聽取了顏寧教授帶領年輕的科研團隊，攻克“人源葡萄糖轉運蛋白GLUT1的晶體結構與機理”世界難題和培養人才的工作匯報。

Staying at Laboratory to Conquer the Worldwide Difficult Problem of Structure Biology(3)

Editorial Department of Research and Exploration in Laboratory
(Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China)

This article first introduced the fundamental principle of the crystal structure of the human glucose transporter GLUT1 and the situation of research.Author was point out the science research can’t do without the experiment，and favorable laboratory environment is an important condition for science research，and future should pay attention to the experiences and lessons of laboratory work.Last，author put forward the problem and expectance in the work of the laboratory construction.

structure biology;scientific experiment;glucose transporter GLUT1;crystal structure;laboratory construction

G 642.0

A

1006－7167(2014)11－0001－05

顏 寧教授

2014－04－29

本刊編輯部。

圖2 教育部杜占元副部長等一行專程到清華大學醫學院看望顏寧教授