【庄小威全职回国】哈佛庄小威:揭示生命中不可见的奥秘

久闻庄小威教授大名,前几日知道她将于 6 月 29 日下午做客墨子沙龙,兴奋异常。29 日下午1:00,我们比正式开始时间提前了一个小时抵达中科大上海研究院。

▲位于浦东新区秀浦路 99 号的中科大上海研究院

令我们十分惊喜的是,这里也是量子信息与量子科技前沿卓越创新中心的所在地,就是前段时间潘建伟院士宣布成功研制世界首台超越早期经典计算机的量子计算机以及成功实现目前世界上最大数目 (10个) 超导量子比特纠缠的地方。

▲进门就是宣传品和指引牌

门口的保安比较热情,我们刚刚走近,他就主动询问我们是否去听庄小威报告的。很快找到会场,幸运的是庄小威教授正好在会场检查她的 PPT。由于提前一个小时到场,彼时会场人不多,我们获得了绝佳的合影和签名机会。但转念一想,一方面不想打扰庄教授检查 PPT,另一方面,合影还是不如发奋努力,今后有机会合作吧。

▲正在检查PPT的庄教授

下午 2:00,中科大上海研究所三号楼二楼大厅座无虚席。众人在静静等待,等待 TA 们心中期待已久的女神——哈佛大学化学和物理双料正教授庄小威。

▲座无虚席的现场

2:00pm 一过,空气开始躁动起来,女神庄小威在工作人员的陪同下缓步走上讲台,准备开始这一场盛会。山不在高,有仙则名;水不在深,有龙则灵。讲座不在时间和场地,有重量级嘉宾则就。

从会后的提问环节来看,现场有来自各大高校和院所的研究生,包括复旦、交大和中科院,甚至还有专门从浙大赶来的同学。此外,还有不少家长带孩子来听,特别羡慕这些孩子,在这么小的时候就能聆听这么高大上的讲座。当然,庄教授在报告中也特地照顾这些小朋友们。

▲揭示生命中不可见的奥秘

亮点与收获梳理:

1. 首先,庄教授将生物研究分为四个层面,即个体、细胞、分子以及原子结构,探究原子结构的结构生物学非庄教授的领域,个体水平也没什么可讲,因此本次报告分为分子水平和细胞水平两个层面。

▲ 生物研究的四个层面:人体、细胞、分子以及原子结构

庄:越小的东西,你会认为越难理解,但是的确在生物里面,原子水平我们理解的相对多一些,分子水平相对少一些,细胞水平更少一些。我的报告会比较集中在分子层面和细胞层面来讲。

2. 在分子水平部分,庄教授深入浅出地讲解了研究方法的特性以及“衍射极限”,报告过程中用到了大量的比喻,让报告非常容易理解;

庄:我们经常说在细胞里观察分子的相互作用,我们希望我们的方法有这样的特性:分子尺度的分辨率、分子特异性(细胞里面有很多很多的分子,我们在观察的时候需要对这些分子的特性要有了解,这也是相对困难的东西)、动态成像(细胞里面的分子是活的,是不断变化不断运动的)。

庄:分子尺度的分辨率是一个非常困难的问题,将近一两百年的历史,人们一直认为分辨率是有一个物理极限,我们管它叫做“衍射极限”。因为光是一个波,像其他的波比如水波一样,它可以衍射的,衍射的结果就是你如果想把光聚焦到一个点,你哪怕找到这个世界上最好的透镜,聚焦的点也是有大小的,一般是 200 纳米左右。

如果用这样的光来扫描你的样本,成像的分辨率只有 200 纳米左右。发现这个的人叫做 Ernst Abbe,他在 1873 年发表了文章,说光学显微镜的物理极限是波长的 1/2 左右,也就是 200纳米。

3. 在分子水平部分,庄教授详细讲解了她的课题组开发的 STORM 技术

庄:我们发明了一种方法叫做 STORM(Stochastic optical reconstruction microscopy),STORM 和 PALM(Photoactivated localization microscopy)同时首创了基于单分子的超高分辨率成像方法。

庄:哪怕这个分子只有一个纳米的大小,这个成像的图像其实是有一定宽度的,这个宽度就是这个衍射极限的大小 200 纳米。但是它不影响你在单个分子图像中找到它的中心点,中心点的确定精度其实是非常高的,可以高到这个分子的图像(尺寸)除以说探测到的光子数开根号。如果图像探测到了1万个光子,那么开根号就是100,拿图像的宽度 200nm 除以100,也就只要 2nm。

庄:也就是说我们可以对分子的定位相当精确,但是这本身并不能打破衍射极限。因为衍射极限主要是因为分子太靠近了,如果你两个分子靠的很近,它们的图像会相互重叠,在重叠了以后,你就没有办法再把她们分开了,这其实是衍射极限的最基本原理。尤其在一个生物体系里面,不是两个分子的重叠,而是几千几万几百万个分子,它们的图像相互重叠,那这样子你只能够见到一个模糊的画面,无法确定分子的位置。

庄:怎么样克服这样一个困难呢?这个是我们所做的贡献。现在已经超过 10 年了,大约在10 多年以前,是我们组和其他组同时想到了这么一个方法。我们能够通过第四维把图像分开,所谓的第四维就是在时间上。因为这些图像在空间上是重叠的,如果我们不让它在时间上也同时出现的话,那么它就分开了。

庄:解释一下就是说,如果这些荧光分子是可开关的,如果我们能够用光来激发它,让某一部分分子给打开了,这样子在某一个时间,只打开其中一小部分分子,只有这一小部分分子能够发光,那它们的图像不会相互重叠。在这种情况下,我们可以找到它的中心点。

然后我们把这些分子关掉,打开另外一些分子,让这些打开的分子数目足够小,这样子它的图像也不重叠,也可以找到它的中心。这样子重复几千甚至几万次,就可以让我们 field view 里面的分子位置都可以被精确地定下来。

4. 庄教授详细讲解了 3D STORM 的原理

庄:如果你打破这个衍射极限,你需要在三维同时打破这个衍射极限。我们在单分子成像里面找到了中心点,中心点有(X,Y)的坐标,要打破三维极限,理论上我们也要把第三维的坐标也要定下来。说起来容易做起来来,因为这毕竟是在相机上成像,它是一个平面成像,你怎么能够找到第三维的坐标呢?

庄:有一点我们能够受到启发的就是,比较高级的照相机是手动聚焦的,在调焦的过程中你会发现,你如果调的对,人的图像就是清晰的;如果聚焦不对,你看到的就是模糊的。这在显微镜上也是同样的。

庄:如果一个单分子的成像,在聚焦时是清晰的图像,在不聚焦时是模糊的。在单分子成像上,模糊的意思是你看到的图像比较弱,比较暗,也比较大。图像的大小可以告诉你分子在第三维的位置。

庄:有一点问题就是,在聚焦的上面和下面(两种不同的不对焦的情况),图像是一样的,你没办法区分它,所以照片会有很多重影。怎么解决这个问题呢?我们想到了一个非常简单的想法,用一个柱面透镜,它只会让光在某一个方向上聚焦,这样你测出来的单光子的图像的形状就不是圆的,而是椭圆的,椭圆一个轴长与另一个轴长的比,和分子的Z轴(上的值)是相关的。

5. 以肌动蛋白 Actin 为例,详述 STORM 等超高分辨率成像技术在具体生物场景中的应用,并说明 STROM 等技术不仅仅只是看的更加清楚,还可以看到很多此前没有看到的现象

▲ 看到这一页彻底折服了,庄教授已经涉足各个领域!

庄:Actin 对普通细胞的形状和机械韧度起决定性作用,也对细胞中物质的传递起到作用;对神经元,actin 对神经元的各种功能都有作用,比如说神经元的极化。神经元从细胞体能够伸展出来很多不同的分支,一种叫轴突,另一种叫树突。对于轴突的生长和突触的可塑性,细胞体内的运输,actin 都有相对决定性的作用。

庄:几十年了,甚至近100年了,有很多不同的方法来看肌动蛋白在细胞内是怎么分布的。

庄:可以看到很多细丝,这些细丝形成了网状结构,这是一个非常漂亮的结构,当时我们发表文章的时候,很多人觉得,哇,这么漂亮的结构,但是我比较喜欢告诉别人的是,它尽管漂亮,它并没有告诉别人很多新的东西。因为这的确跟你想象中的完全吻合,也就是说这只是一个验证性的发现。

庄:但是比较令我们吃惊,也令所有人吃惊的是,在神经元的轴突里面发现的 actin 的结构就很不一样。可以看到一些长的细丝,但是现在你看到了一个最重要的特性就是这些条状的结构。

▲ 庄教授用女儿的玩具演示神经元中周期性细胞骨架的结构

6. 在细胞层面,庄教授详细介绍了单细胞转录成像技术 MERFISH 的原理

庄:我们理解最少的,很不能够直观想象的,是人体里面的细胞。人体里面到底有多少种细胞,它们是怎么分布的,怎么相互作用的,这个理解的相当的少。人体里面有 30 万亿个细胞。我们现在只是对细胞有比较粗的种类分布,细的种类分布是完全不清楚的。

庄:一种比较系统化的方法是,对细胞的转录组来做一个完全的定量分析。如果我们能够把每一个细胞里面 RNA 的种类,RNA 有多大量搞清楚的话,就可以有直接定量的方法。光分类是不行的,你还需要知道它们在空间是怎么相互作用的。用转录组成像,来决定细胞的空间分布图。

庄:这个方法的关键是两点:一个是组合标记,一个是多回合成像。

庄:首先把细胞里面的每一种 RNA 确定一个二进制的标码,然后把它做标记,标记就能显示它的二进制标码。关键是怎么把几万种二进制标码在有限的时间里读出来,读的过程是相对比较有创造性的过程。怎样读呢?我们用的是单分子荧光原位杂交,如果用它来看一种 RNA,你可以把它的拷贝数测量的很精确。

庄:在第一个回合读的过程中,我们只标记那些 RNA 二进位第一位标码是 1 的,而第二个回合我们只需要读那些第二位标码是 1 的,这样依次下去。读到 N 位以后,每个细胞里面有很多点,每一个点代表的都是 RNA 分子。这样就变成一个很简单的数学问题,如果读了 N 位以后,你能够区分 2 的 N 次方种不同的 RNA。

结尾

1. 庄教授在最后提到了全球性的计划:测量人体细胞图

2. 结束语引用美国建筑师 路易斯·沙利文 的语录

所有事物,不论有机还是无机,不论有形还是形而上,不论属于个人还是超出人的范畴,所有头脑、心灵、和灵魂的具现,都遵循一个普适的法则:生命有其表现,形式源于功能。——路易斯·沙利文