作者:闫致强 来源:深圳湾实验室 发布时间:2022/12/15 10:29:39
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做科学 勇敢些
以2021年诺贝尔奖为例分析突破性生物学医学基础研究的风险和技巧

 

前段时间看到饶毅老师发的 “这是我们目前主流状况:冒险第一不行,第二很多”,我感觉很有意思。这句话看上去是在“骂人”,其实充满了赞扬,也包含着更高的期许。当然,在讨论前,我要把主题特异到“生物医学基础研究”这个方向,这个是我大体能懂的专业,也是一个非常大的且足够重要的领域。

先说“充满了赞扬”,“第二很多”说明中国现在的科研在国际上已经很有成绩了,比起短短十几年前的状况,不是进步很大吗?我记得饶毅老师的学生蒋辉(现任北京生命科学研究所的研究员),在2005年发表了21世纪以来中国第一篇Cell,现在每年发表的Cell有多少?恐怕是不计其数,这是非常大的进步。

第二是“更高的期许”,难道我们仅仅满足于发表了很多Cell,很多Nature和Science就沾沾自喜?我们跟国际,或者具体一点,跟美国相比,生物医学研究的水平可以匹敌了吗?或者更直接一点,有多少“诺贝尔奖”级别的研究?显然没有很多!也就是说我们做“normal science”是很好的,但是缺乏冒险精神,不会做一些风险高而又重要的课题,和美国比相差很多。那我们是不是应该做得更好一点,用美国“最好的研究”,而不仅仅是顶刊文章的数量要求自己,这是一个期许。

那么,在生物医学领域,什么样的研究是具有冒险精神的、“诺贝尔奖”级别的研究?我们是否能在这些研究中找到一些规律?我们敢于去冒险,冒的是什么险?或者说,真的很险吗?我拿2021年诺贝尔奖关于温度和触觉受体的研究作为例子进行一些具体的,技术的分析,试图回答上面的问题。

温度受体的研究中最重要的一篇文献是“The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway”(Nature, 1997)。这篇文章的思路是,利用辣椒素(capsaicin)能引起热觉(辣)来克隆可能的温度觉受体。其中最重要的assay是利用钙成像来分析,然后利用expression cloning表达被根神经节(Dorsal Root Ganglion)的分子,从而鉴别辣椒素受体,也就是可能的温度觉受体。这无疑是一个很有创意的实验,同时也存在着很大的风险。最大的风险就是,体外表达的cDNA无法复制体内的状况,从而expression cloning的策略不工作。

David Julius lab的作者面对这样的风险是如何做的呢?这在其Figure 1第二列里,已经基本排除了这种风险,因为pooled DRG cDNA可以使一些转染的293细胞激活,我认为这是David Julius获得诺贝尔奖最重要的一幅图/实验,能在一个体系里表达被激活,下面做的就是按部就班筛选出来,其风险在这幅图已经得到了完美的规避。

 

虽然温度受体得到了鉴定,但是触觉受体的研究直到2010年仍没有任何的进展。这是个阻碍了感觉认知的重大问题,一直解决不了,它的巨大挑战性也使得这个问题成为了“诺贝尔奖”级别的问题。 触觉受体研究领域最重要的文献是2010年Ardem Patapotian lab发表的 “Piezo1 and Piezo2 Are Essential Components of Distinct Mechanically Activated Cation Channels”。

理论上讲,克隆DRG的触觉受体,同样可以使用1997年的expression cloning 的方法,实际上,David Julius lab也是这么做的。他们使用钙成像做expression cloning (PNAS,2008), 我在2008年面试Julius lab时还谈过这个课题。但机械力敏感通道比capsaicin激活做钙成像难得多,关键问题是不稳定。2008年这篇文章是用一个膜拉扯细胞,然后膜复位,产生一个钙的信号,这使得实验本身很不稳定,因而这个设计有很大的问题。在2008年这篇概念性文章后,后续并没有课题组真正地克隆出触觉的机械力敏感通道。我们再反过来看看那篇最终克隆出Piezo的文章,作者采用了不同的策略,并没有“路径依赖”,坚持使用钙成像的方法。

这篇文章采用了另外一个思路:直接利用电生理记录,找到一个具有机械力敏感电流的细胞系,反过来利用RNAi Knockdown的方法。电生理记录比钙成像做机械力敏感通道灵敏的多。触觉本来是在被根神经节(Dorsal Root Ganglion) 发生的,但是直接在被根神经节(DRG)做RNAi Knockdown,其取材,转染 RNAi Knockdown 质粒,其工作量几乎不可完成,另一种方式是在培养细胞进行电生理,同样的筛选,其工作量可能只有被根神经节的十分之一,可行性强。

 

所以整篇文章最大的亮点,其把风险和工作量降到最低的点也是Figure 1A发现了一个具有机械力敏感电流的细胞系N2A,。有了这个细胞并得到这个结果,后面就是工作量比较大,但这个工作是可以完成的,利用RNAi Knockdown筛选出可以使整个电流下降的基因,这就是一个很正常的技术工作,基本是可以做出来的。所以,“诺奖级”的工作其实是找出一个具有机械力敏感的细胞系,也就是Fig1A,做出Fig 1A后,后面只是顺理成章,也极大地规避了风险。

总结这两个“诺奖级”的发现,作者都是通过筛选基因组,得到一个重要的分子,温度或者触觉的受体;一开始毫无头绪,看上去风险极大,但通过一些工作量不多的探索性试验后,风险骤然降低,下面的工作看上去就顺理成章。把pool DRG转到培养细胞,看看是否有对辣椒素激活的细胞结果,估计只需要一个月就能得到确定结果,筛选具有机械力敏感电流的培养细胞,也大体如此估计也是几个月的工作量就可以完成。可见,在优秀的设计后和初步的实验后,这些看上去极大风险的重要课题,其实风险很小,两个文章Figure 1A中的数据,才是科研的精华所在,分析这些之后更可以体会到,做一些“诺贝尔奖级别”的工作,并不是“那么险”,并不是“暴虎冯河”,想要过河,即使船还没发明出来,我们起码可以抱着个木头过去。

具体到每个人,只要方法得当,做“诺奖级”的研究,风险可以很小,收获可以很大。做好的科学,最大的风险不在于这些技术的风险,而在于三个具体的障碍:

第一层障碍,没动力:不认真寻找重要的问题去做,没有做最好科学的动力;

第二层障碍,没信心:找到了重大的问题,克服不了心理障碍勇敢去做,得过且过,保险起见去做一些看上去风险小的问题。

第三层障碍,没技巧:做风险大的重要课题,但是没能通过一些方法降低风险,导致失败几率大。

可以说做科研就像练武功,每个障碍对应一个层次,克服每个障碍就提高一个层次,但克服这些问题最最重要的是——做科学,勇敢些!

 
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