馬炯的雙面人生

本刊記者 武光磊

馬炯的雙面人生

本刊記者 武光磊

吾生也有涯。而知也無涯。學(xué)海漫漫，很多人窮其一生都難在一個領(lǐng)域里有所建樹，終碌碌無為，草莽而終。而復(fù)旦大學(xué)信息與工程學(xué)院光科學(xué)與工程系的青年研究員馬炯用他一半技術(shù)、一半生物的雙向科研成就，為我們展示了一個科研工作者如何在兩個領(lǐng)域都有所成就。

初見馬炯，并沒有想象中那么嚴(yán)肅。他坦誠、開朗、愛笑，直言不諱，又分寸有佳。他聊星座，說自己能在兩個領(lǐng)域里吃香大概是“托了這個雙子座的福”；還笑言自己是追星族，并拿出與諾獎得主的照片和記者一同分享。而談及他的科研工作，馬炯并沒有太多地說起科研工作的辛苦，而是更多地分享他的步步歷程。

一半是技術(shù)，一半是生物

馬炯1999年進(jìn)入復(fù)旦大學(xué)物理系，2008年取得物理系光學(xué)專業(yè)博士學(xué)位。博士階段開始，馬炯就致力于發(fā)展光學(xué)技術(shù)與生物課題相結(jié)合的研究工作。期間他曾作為訪問學(xué)者前往南非羅德斯大學(xué)化學(xué)系和挪威奧斯陸大學(xué)生理系進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。

在南非期間，他確認(rèn)水溶性CdTe量子點(diǎn)的光催滅機(jī)理，首次測定其單態(tài)氧產(chǎn)量，并開創(chuàng)出一種應(yīng)用于其實(shí)現(xiàn)光動力治療癌癥的方法。2008年赴美從事博士后工作后，他一直致力于發(fā)展新型的單分子超分辨熒光顯微鏡，用于細(xì)胞核孔復(fù)合物的研究工作。在美國，馬炯與Yang教授共同開發(fā)了SPEED顯微技術(shù)，并在10nm空間精度和400μs時間精度下，研究了各類分子穿越細(xì)胞核孔的選擇機(jī)制。他首次觀測到細(xì)胞核孔內(nèi)非折疊蛋白的三維結(jié)構(gòu)，并首次獲得生物小分子穿越細(xì)胞核孔三維路徑，確定了其間的選擇性機(jī)制，并于2010年及2012年在Proceedings of the National Academy of Sciences上發(fā)表了兩篇高質(zhì)量論文。

馬炯還與Walter教授合作，開發(fā)應(yīng)用于超分辨顯微鏡的mRNA熒光標(biāo)記系統(tǒng)，結(jié)合單分子顯微追蹤技術(shù)，完成了mRNA穿越核孔的選擇機(jī)制的初步研究，確認(rèn)了mRNA核孔輸出三維路徑，糾正了一維路徑數(shù)據(jù)所造成的認(rèn)知誤解，并發(fā)表在Nature Communication上。

而談到技術(shù)和生物研究，馬炯說他從來沒有糾結(jié)兩者之間的取舍，而是始終游走在兩者的平衡之中。曾經(jīng)在南非和挪威做訪問學(xué)者的時候，他感到技術(shù)上偏重太多時，就在前去美國的時候有意識地加重了生物研究的選擇。技術(shù)是他的“技”，而生物就是他的“巧”。有技方成巧，通過超分辨率光學(xué)顯微鏡的技術(shù)不斷提高，他在細(xì)胞核孔復(fù)合物領(lǐng)域的研究也不斷加深；以巧推動技，通過細(xì)胞核孔復(fù)合物實(shí)驗(yàn)研究的需求，他又不斷革新超分辨光學(xué)顯微鏡的技術(shù)。雙子的多面性，他展現(xiàn)在了科研領(lǐng)域中，并且大獲成功。

2015年6月，馬炯?xì)w國。他坦言，歸國的一部分原因是因?yàn)楣枢l(xiāng)的父母，另一部分則是國家現(xiàn)在對于青年學(xué)者的重視，能夠讓他在最有精力的時刻投入到科研中去。“能夠?yàn)閲易鲆稽c(diǎn)事情，國家也重視我做的事情，這當(dāng)然是再好不過了。”馬炯笑言。

超分辨光學(xué)顯微鏡下看世界

顯微鏡的發(fā)展?jié)M足了人們對觀察微觀世界的需求，讓人們可以看得越來越“小”。但由于衍射極限的存在，幾十年來光學(xué)顯微鏡的分辨率停滯在了200nm左右。2014年諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給了美國及德國三位科學(xué)家Eric Betzig、Stefan W.Hell和William E.Moerner，獲獎理由是“研制出超分辨率熒光顯微鏡”。幾位獲獎?wù)咔擅钤O(shè)計(jì)了避開衍射極限的方法，其研究突破性地將光學(xué)顯微鏡帶入了納米維度。在納米顯微鏡下，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了活體細(xì)胞中單個分子通路的可視化，能夠觀察到分子是如何在大腦神經(jīng)細(xì)胞之間生成神經(jīng)突觸；可以追蹤帕金森病、阿爾茲海默癥和亨廷頓癥患者體內(nèi)相關(guān)蛋白的累積情況；還能跟蹤受精卵在分裂形成胚胎時蛋白質(zhì)的變化過程。現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了“光學(xué)顯微鏡2.0”的時代，超分辨熒光顯微鏡推動著新一輪生物醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展。

現(xiàn)今，已具有多種不同超分辨成像技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于生物系統(tǒng)的范例，也已出現(xiàn)了商業(yè)化的超分辨顯微鏡系統(tǒng)，但仍然沒有達(dá)到完美狀態(tài)。在許多生物研究中，各類超分辨系統(tǒng)有著各自的局限性，如對于特殊熒光標(biāo)記的發(fā)光特性依賴，或是高空間精度測量制約了探測時間進(jìn)一步縮短。因此，研究和發(fā)展合適新的原理和方法，研制出適合專項(xiàng)生物課題研究的顯微鏡將是今后發(fā)展的一大方向。

談起二維到三維的超分辨退卷積計(jì)算開發(fā)的時候，馬炯說起了一個有意思的故事：他做出這個開發(fā)之后，花了整整一個星期的時間說服他的老師來相信他的成果，因?yàn)樗睦蠋煾緹o法想象有人可以做出從二維分布中獲取系統(tǒng)的三維分布的開發(fā)。而當(dāng)他的老師認(rèn)可了他的成果，他和他的老師又開始一起說服領(lǐng)域里的其他研究者一起應(yīng)用這項(xiàng)成果的相關(guān)研究人員。“這告訴我們，固化思維的可怕。科技要進(jìn)步，科研人員要創(chuàng)新研究，首先就要從打破自己的固有傳統(tǒng)認(rèn)知開始。”馬炯嚴(yán)肅地說。

歸國后的馬炯將開始著手建立顯微鏡第二平臺熒光返還探測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兼具超高的時間和空間分辨率的三維分子熒光追蹤系統(tǒng)。他將把研究中所獲得的信息將與跟蹤RNA輸出細(xì)胞核孔的研究互相印證，通過分析RNA在細(xì)胞核孔各位置的高時空精度動態(tài)過程，進(jìn)一步研究細(xì)胞核孔蛋白調(diào)控基因的機(jī)理。此外，研究中所發(fā)展的原理和方法還將能夠被廣泛用于毫秒量級甚至更快的纖毛內(nèi)分子運(yùn)輸、細(xì)胞間分子交換及跨膜通道開關(guān)等生物問題的研究。

在研究中，馬炯將采用創(chuàng)新技術(shù)，促使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)同時具有很高的時間和三維空間分辨率，在不影響平面二維光學(xué)分辨精度的前提下，不通過擬合點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，而在亞毫秒級時間分辨量級和10nm三維空間分辨量級，實(shí)現(xiàn)對三維單分子熒光信息的實(shí)時探測和分析，滿足高速動態(tài)生物學(xué)研究的特點(diǎn)和條件。在新型光學(xué)系統(tǒng)中，他還將利用凹面鏡返還光程無色差的光學(xué)原理，創(chuàng)新設(shè)計(jì)凹面鏡熒光返還光路系統(tǒng)，能夠?qū)方向信息轉(zhuǎn)換成x-y水平方向的信息，從而獲取單分子z方向的位置信息。

馬炯及其合作者在2016年美國生物物理學(xué)會年會

與超分辨顯微鏡PALM技術(shù)發(fā)明人、2014年諾貝爾獲獎?wù)逧ric Betzig教授在一起。

細(xì)胞核孔復(fù)合物探尋

在細(xì)胞核孔復(fù)合物的研究中，馬炯將利用SPEED顯微鏡技術(shù)，完成各類FG屏障與各類主要的傳輸分子間反應(yīng)區(qū)域的三維分布測量。細(xì)胞核孔復(fù)合物是真核細(xì)胞中連接細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核之間的選擇性雙向通道，控制著絕大部分細(xì)胞核所需的蛋白輸入，以及核內(nèi)基因物質(zhì)的輸出。可以說，核孔是細(xì)胞內(nèi)基因調(diào)控中非常重要的一個環(huán)節(jié)。核孔的缺陷會導(dǎo)致核孔相關(guān)的白血病及阿爾茲海默癥等疾病。其本身更是各類病毒侵入細(xì)胞的重要關(guān)口之一，各類病毒會通過不同的方式通過核孔，最終侵入細(xì)胞的基因表達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)致疾病發(fā)生。核孔的結(jié)構(gòu)與功能的研究將為各類基因調(diào)控機(jī)制的研究提供一環(huán)重要的依據(jù)，對核孔蛋白缺失相關(guān)的白血病、阿爾茲海默癥的致病機(jī)制，以及各種類病毒的侵入機(jī)制等核孔相關(guān)病理機(jī)制或基因治療提供關(guān)鍵信息。

一個NPC是由30種多不同的核孔蛋白構(gòu)成，長約200nm、直徑為120nm、中心內(nèi)徑為50nm的大分子復(fù)合物。其中有三分之一的核孔蛋白富含苯丙氨酸-甘氨酸（FG）氨基酸片段，且在自然狀態(tài)下呈現(xiàn)出非固定形態(tài)，我們稱之為FG-Nups。這些FG-Nups組成了具有選擇性機(jī)制的FG屏障。FG屏障選擇性地調(diào)控基因相關(guān)物質(zhì)按照被動運(yùn)輸或者主動介入運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)出細(xì)胞核：只有小于60kDa的分子才能通過被動運(yùn)輸?shù)姆绞剑杂蓴U(kuò)散通過NPC；另一種方式是主動運(yùn)輸，如含有入核信號或者核孔輸出信號的蛋白或復(fù)合物分子，在核孔運(yùn)輸?shù)鞍讕椭拢纬蓮?fù)合物，通過TRs 與FG片段相互作用，從而通過FG屏障。TRs與需要傳輸?shù)牡鞍仔纬傻膹?fù)合物的結(jié)合與解離，通過細(xì)胞核內(nèi)外的RanGDP和RanGTP的濃度梯度來調(diào)節(jié)。通過電子顯微鏡可以觀察到細(xì)胞核孔結(jié)構(gòu)蛋白，但卻無法獲得這些高度自由的非折疊蛋白的結(jié)構(gòu)，所以至今在生理狀態(tài)下FG屏障及其相關(guān)的核孔物質(zhì)傳輸?shù)臋C(jī)理仍不清楚。

馬炯將利用SPEED顯微鏡技術(shù)，完成各類FG屏障與各類主要的傳輸分子間反應(yīng)區(qū)域的三維分布測量。他將確認(rèn)活細(xì)胞內(nèi)FG-Nup相互反應(yīng)的存在及相應(yīng)的水凝膠分布。綜合各反應(yīng)分布，完成接近完善的FG屏障的完整分布。他還將利用基因敲除，獲取缺失核孔蛋白的分布，理解其對白血病的致病機(jī)理及對腺相關(guān)病毒（AAV）基因療法的調(diào)控機(jī)制。從傳輸?shù)鞍组g的競爭情況，了解細(xì)胞核孔在大通量物質(zhì)運(yùn)輸下對應(yīng)的優(yōu)先選擇機(jī)制。

達(dá)成這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)，是SPEED顯微技術(shù)能在超短的時間內(nèi)獲得高精度的空間位置信息，調(diào)控光學(xué)設(shè)置的穩(wěn)定和準(zhǔn)確，以及對各不同分子不同擴(kuò)散速率下，在確保單分子熒光定位精度的同時，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件獲取最多的數(shù)據(jù)量，是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。擁有豐富的超分辨光學(xué)經(jīng)驗(yàn)，這讓馬炯能夠滿足數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定地產(chǎn)出量。據(jù)此，他將創(chuàng)新領(lǐng)先技術(shù)，努力實(shí)現(xiàn)分子競爭通過核孔的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

細(xì)胞核孔復(fù)合物示意圖。作者A.Goryaynov

馬炯老師和他的課題組

未來故事

回國后的馬炯選擇了他的母校復(fù)旦大學(xué)作為科研工作的新起點(diǎn)。這里熟悉的環(huán)境讓他很快就進(jìn)入到了工作當(dāng)中并規(guī)劃新的征程。

首先，馬炯將繼續(xù)提升SPEED顯微技術(shù)的性能及推廣其應(yīng)用范圍。所有的對稱體系研究中，馬炯的SPEED顯微技術(shù)都可以推廣應(yīng)用。而在快速跟蹤領(lǐng)域中，這項(xiàng)技術(shù)也具有明顯優(yōu)勢。其次，他將繼續(xù)完善超快速的實(shí)時單分子三維追蹤。再次，馬炯將提高靜態(tài)單分子熒光定位下的超分辨圖像精度。現(xiàn)在的主流超分辨顯微鏡是用了一種光開關(guān)蛋白來實(shí)現(xiàn)，這將會造成單位時間內(nèi)的信號光的損失。馬炯換了其他方式，利用分子運(yùn)動進(jìn)特定區(qū)域時將這個分子可能發(fā)出的所有熒光進(jìn)行收集，從而提高靜態(tài)單分子熒光定位下的超分辨圖像精度。

此外，馬炯還將利用單分子熒光圖像獲取除未知外的其他信息。他認(rèn)為這部分是相當(dāng)有意思的內(nèi)容。利用這些單分子圖像可以看到，隨著探測時間的加長，隨著分子運(yùn)動速度越來越快，這個分子的單分子影像所占區(qū)域會越來越大，馬炯可以通過這些分子的大小探測到運(yùn)動速率的快慢，確定這個區(qū)域的黏滯性有多大，從而找到這個分子所在納米位置的環(huán)境信息。

最后擴(kuò)展到生物學(xué)的研究領(lǐng)域，比如基因治療方面。現(xiàn)在病毒如何進(jìn)入到細(xì)胞、感染到細(xì)胞并最終復(fù)制出來的完整機(jī)制還有很多未知之處。如果徹底研究清楚，就能標(biāo)記這個病毒，知道它什么時候進(jìn)入到什么位置，如何從細(xì)胞吞噬體逃出，并且穿過細(xì)胞核孔到達(dá)細(xì)胞核，把基因嵌入其中。馬炯將通過光學(xué)手段解析所有步驟，為治療絕癥提供重要依據(jù)。

采訪中，馬炯并沒有過多涉及家庭，卻在言語中流露出對父母、對妻子的柔情。而科研事業(yè)于他，更是一種信仰與幸福，讓他收獲前所未有的樂趣。作為2015年歸國的青年研究員，馬炯在國內(nèi)的事業(yè)剛剛起步，也必將乘風(fēng)破浪，揚(yáng)帆遠(yuǎn)航。