冷凍電鏡在新科研領域的拓荒人
——記南方科技大學生命科學學院講席教授廖茂富

譚 凱

廖茂富

如果說人體是一臺精密的儀器，那么疾病就是出現的故障。人類追求健康，卻擺脫不了疾病的存在。

以前，古人認為人以天地之氣生，四時之法成，人體失序，叫作疾病。氣是健康的本質和基礎，人體內陰陽二氣和諧，就是健康的狀態。

隨著科技的迅猛發展，科學家如何更深層次地了解人類疾病的發生機理及過程？對此，《科學中國人》采訪了南方科技大學生命科學學院講席教授、博士生導師廖茂富。

“以現在人們關注的新冠病毒為例，病毒的整個侵染過程是這樣的：病毒表面的一個蛋白結合到人細胞表面的一個受體蛋白。這種特異性的結合導致侵染過程非常有效。”廖茂富介紹，如今，科學家們可以從分子水平去理解疾病。人、動物、植物甚至微生物，主要有幾種大分子：蛋白質、核酸、脂類還有糖類。分子通過不同的方式組合在一起，產生各種生命功能。

那么如何才能看到這么微小的東西呢？一個非常簡單的想法，就是用放大鏡。放大鏡的倍數越高，看到的就越詳細。冷凍電鏡就是一種倍數非常大的放大鏡，通過它就能直接看到分子甚至原子水平的細節。基于此，人們不但能理解疾病發生的過程，而且可以想辦法阻斷這個過程。

廖茂富的研究工作就集中在發展冷凍電鏡應用方法學，以及結合生物電鏡和其他方法來深入研究與人類健康和疾病相關的生物大分子的結構與功能上。他在一系列科研領域取得了突破性進展，作為通訊作者在《自然》《科學》《細胞》等國際著名期刊上發表了多篇重量級文章。

對蛋白研究的興趣不減

廖茂富本科時是在清華大學生物科學與技術系學習，在大學四年級開始正式接觸生物科研。當年他在陳應華教授課題組的畢業設計課題，是研究人類免疫缺陷病毒（HIV）侵染細胞所使用的蛋白及其構象變化，以及如何用免疫的方法來阻斷這個過程。

愛因斯坦醫學院的實驗室研究的重點也是蛋白的構象及其機制。“主要的工作思路是使用生化的方法來研究病毒表面的膜蛋白，想要搞明白它怎么通過改變構象來侵入目標細胞。”廖茂富說，這正是他感興趣的研究方向，因而沉下心來一直在那里學習。幾年下來，不論是在生物化學研究還是在病毒學研究方面，廖茂富都得到了良好的訓練，并于2006年獲得博士學位。

博士畢業后的廖茂富還是對蛋白的結構構象和它的功能很感興趣，不同的是，此時的他想嘗試用另外一種方法——解析結構來研究這些問題。他覺得結構的方法是研究這些問題的終極方案，因為用這種方法能看到最精細的機制。而令廖茂富犯難的是，該學習哪種技術來研究蛋白的結構。

結構生物學有三大支撐技術，即X 射線晶體學、核磁共振和冷凍電鏡。在當時已解析的1000多種膜蛋白結構當中，90%以上都來自X射線晶體學，核磁共振在小分子量的蛋白結構解析中也發揮了重要的作用。傳統上，冷凍電鏡因其分辨率難以提升，一直是這三大技術中最弱的一個。

這種情況下，那時擺在廖茂富眼前的有兩條路：一條比較明確，就是學習當時最普及的技術，即用晶體學的方法來做高分辨結構；另一條路不太明確，就是用冷凍電鏡技術。“當時的冷凍電鏡技術在解決蛋白問題方面，其實還存在很大的不足。”廖茂富說，但是和X射線晶體學相比，冷凍電鏡所需的樣品量極少，也無需生成晶體，特別是在研究動態的蛋白方面有它潛在的優越性，只是分辨率非常低。

不確定性往往也意味著更大的發展空間。“最后還是冷凍電鏡技術的可能性吸引了我。”廖茂富最終選擇學習冷凍電鏡技術，此后，他的所有研究都與這項技術相關。

解析重要生物大分子引發震動

認準一個方向就一直深入研究下去，許多成功的科學家都具備這種鍥而不舍的精神。廖茂富也是如此。為了用冷凍電鏡技術研究蛋白，他經過一番考察后選擇了美國加州大學舊金山分校程亦凡教授的實驗室進行博士后研究，因為這里的研究重點正好與他的興趣點相吻合。

“前幾年，基本上都是在練習使用冷凍電鏡和測試不同的圖像處理方法來解析各種蛋白的電鏡結構。目標是高分辨，可結果一直與高分辨有相當的距離。然而，正是這段不斷失敗的日子，給了我很多的時間去打磨各種工具和思路。”廖茂富說，直到第5年的時候，電鏡方法迎來了革命性的發展，他的研究也因此取得了重大突破。

那是2013年，程亦凡團隊和其他課題組合作，用電子直接探測相機提高了冷凍電鏡的分辨率。這在當時還是沒有引起很多人的重視，尤其是做晶體學研究的人，因為在他們看來，核糖體可以結晶，蛋白酶體也可以結晶，但是膜蛋白，比如TRP通道整個蛋白家族，還沒有任何蛋白的晶體結構得到解析。十幾年來，世界上很多晶體學實驗室都在這個上面花費了大量的精力和科研經費，卻沒有結果。恰在此時，新一代的電子直接探測相機在加州大學舊金山分校進行研發和測試，而廖茂富正好有一個合適的研究項目，因此成為這個設備最早的使用者之一。2013年年底，廖茂富與合作者應用新的電子探測技術，以近原子分辨率（3.4埃）確定了在疼痛和熱知覺中起中心作用的一種膜蛋白——T R P V1的結構，證實冷凍電鏡技術能夠解析重要大分子的結構。文章發表在《自然》雜志上，立即引發震動。

重視實驗考查，突出學科特色。生物是一門實驗性學科，考生需具備實驗設計、實驗結果預測及得出實驗結論的能力。29題、32題均明顯考查了實驗設計。

2013年，程亦凡（右一）和朱利葉斯（左一）研究組用冷凍電鏡首次得到了膜蛋白TRPV1接近原子級別高分辨率（3.4埃）三維結構。論文另兩位作者為操二虎（左二）、廖茂富（右二）

TRPV1單顆粒電鏡結構的獲得給結構生物學帶來了很大的沖擊：用X光晶體衍射法無法得到的晶體結構，冷凍電鏡不需要結晶卻做出來了。廖茂富他們的成功，讓全世界的研究人員開始重新審視冷凍電鏡技術在結構生物學研究中的重要作用。不僅如此，除了一大批生物學家開始利用冷凍電鏡研究分子生物學問題外，數學、計算機領域的科學家也著手研究冷凍電鏡的圖像處理和自動化問題，化學家則著重研究新的樣品制備技術，物理學家又開始了新的征程，研究更深層次的電子成像方法和技術。

多年后，程亦凡還這樣評價廖茂富：面對困難，他從來沒有放棄過。在長期艱苦的工作中，他積累了很多經驗。也正是因為這些長期積累，等到時機成熟，才能一下子水到渠成。

解析脂多糖助力藥物研發

2014年，廖茂富加入美國哈佛醫學院細胞生物學系任助理教授，2018年任副教授。在這里，他組建了自己的實驗室。截至目前，他已發表論文47篇；且作為通訊作者發表論文18篇，其中11篇發表在《自然》、《科學》及《細胞》等期刊上；更值得一提的是，課題組內已產生7名獨立科研助理教授（PI），他們的足跡涉及美國、中國和新加坡。

“一方面是我在博士后期間所接受的電鏡訓練，另一方面是我在博士期間所接受的生物化學方面的訓練，這兩個結合起來使得我有很多獨特的想法可以在自己的實驗室去實現。”廖茂富說，生物科研基本上是一個實驗性的科學，科研思路在很大程度上取決于科學家能使用（或者習慣使用的）的實驗方法。因此，他的研究還是集中在自己感興趣的方面——用冷凍電鏡研究蛋白的結構和機理。長時間的科研訓練讓廖茂富厚積薄發，每隔幾年總能發表一些重要文章。

“冷凍電鏡有了革命性發展之后，我看到了它的潛力。我覺得它可以用來研究蛋白和脂分子之間的作用，這在過去是非常難的。”此時廖茂富讀博士時期生物化學方面的訓練讓他產生了獨特的想法，他注意到了革蘭氏陰性細菌表面的脂多糖。

革蘭氏陰性細菌是最難對付的耐藥性病原體之一。在過去的50年里，沒有一種新型的抗生素可以用于臨床治療革蘭氏陰性細菌。消滅革蘭氏陰性細菌的難點，是這些細菌具有雙重脂膜：在常規的細胞質膜（內膜）之外，它還有一個特殊的外膜。外膜的外側含有大量緊密排列的脂多糖。脂多糖的存在使得外膜成為一道嚴密的屏障，將絕大部分對細菌有害的物質（包括各種抗生素）拒之門外。但是沒有任何已有的結構可以解析出脂多糖。因此，脂多糖是怎么合成的、如何運轉、該怎么阻斷它的合成，這些問題一直是領域內研究的熱點和難點。

南方科技大學高端冷凍電鏡“南山”的內部圖

2017年9月和2019年3月，廖茂富及其團隊在《自然》雜志上發表兩篇長文，解析了大腸桿菌轉運脂多糖的兩個關鍵膜蛋白復合體（MsbA和Lpt）的一系列冷凍電鏡結構，闡釋了完整的內膜復合物是如何準確識別脂多糖，以及如何產生特定的構象變化來將ATP水解和脂多糖轉運耦合在一起。這是脂多糖的精細結構在被轉運的過程中，第一次以近原子分辨率被觀測到，展示了轉運蛋白精確識別和高效運輸脂多糖的出人意料的工作機制。

有人預測，廖茂富的研究揭示了脂多糖的合成和轉運機制，接下來就可以指導開發出新型的抗生素來直接攻擊革蘭氏陰性細菌外膜的合成，對外膜的破壞將會顯著提高各種抗生素的有效性。2021年10月，廖茂富及其團隊又利用單顆粒冷凍電鏡和功能測定，揭示第一代MsbA小分子抑制劑（T B T1和G化合物）的不同作用機制。這一重要成果發表在《科學》雜志上，引起了不小的震動。考慮到這兩類小分子抑制劑目前的臨床應用仍存在嚴重缺陷，而且T BT1僅對鮑曼不動桿菌的MsbA起作用，他們這項開創性的工作，為進一步開發靶向MsbA的新型抗菌藥物指明了方向，也為這個蛋白所在的ABC轉運蛋白家族的藥理學提供了重要見解。

做中國自己的前瞻性研究

2022年7月，廖茂富全職回國加入南方科技大學生命科學學院。從國外到國內，看上去只是工作地方的轉換，但對廖茂富來說，他其實是在尋找冷凍電鏡的下一個突破口。

“在科研上，如果用舊工具研究新問題，往往會有很大的空間。但是如果要用新工具來研究很多人都還想不到的問題，這個就很難。”廖茂富坦言，他選擇回國的一個重要原因，就是想尋找推動生物電鏡技術進一步發展的科研空間。冷凍電鏡這個科研設備比較昂貴，一臺好的冷凍電鏡價格超過700萬美元，每天的運行成本也需要數千美元。而這樣的電鏡在南方科技大學卻有多臺。“這種規模的配置在世界上都是罕見的，它的潛力巨大，能做成許多其他小電鏡平臺做不成的事情。”

冷凍電鏡作為一種昂貴的結構生物學工具，傳統上會更多地關注一些早已被驗證其重要性、結構被長期關注和期待的科研問題。廖茂富覺得，中國的電鏡科研要往前發展，走出自己的路子，需要敢于面對出現時間不長的（或者還沒有完全顯現的）前沿問題做前瞻性的研究。這些往往是大多數人基于舊方法而認為不可能的研究。因此，一加入南方科技大學，廖茂富就開始“招兵買馬”，組建自己的實驗室，以期盡快投入“新問題”的研究中。

一切似乎又回到了當初在哈佛組建實驗室時的狀態，只不過這次廖茂富有了清晰而凝練的3個努力方向：發展生物電鏡方法學以開拓新的科研領域，揭示生物大分子運作的精細機制，使用生物的結構和機制信息來革新醫療手段。他希望基礎科研、工業界和醫療領域的專業人士都以更開放的心態來考量電鏡的巨大潛在價值和深遠的學科影響。放眼未來，廖茂富尤其期待看到高分辨生物電鏡與創新藥開發管線更深度的融合，以及電鏡技術與生物、非生物各領域溝通碰撞產生更多新思路的火花！