作者:赵广立 来源:科学网微信公号 发布时间:2022/6/3 20:51:33
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他用自己的血喂蚊子,6年研究终发Nature

 

文 | 《中国科学报》记者 赵广立

从23岁到29岁,赵志磊几乎整个人都醉心于研究咬人的蚊子。

“……脑子里一直在思考正在研究的问题,尽一切努力去获得新的进展,我不止一次梦到我正在研究的课题。”在接受《中国科学报》专访时,这位普林斯顿大学的博士坦言自己比较喜欢那种独树一帜的研究:从一种拥有某项神奇能力的生物出发,然后揭示出比较普适的规律。

蚊子就是其中一种,“它们有非常敏锐的嗅觉”。终于在2022年5月,30岁的赵志磊以第一作者兼通讯作者身份在《自然》杂志发表论文,阐述蚊子在寻找宿主(人类)时的大脑活动。这项研究,科学地回答了“蚊子为什么专咬我”这个让许多人挠破头的疑问。

如今,赵志磊已赴康奈尔大学神经生物学开展博士后研究工作。他的博士后课题不再是蚊子,而是转向鹦鹉。这有点冒险,但他内心坚定:“如果我继续研究蚊子,能更快地找到教职。但是我更看重的是,我对鹦鹉非常感兴趣,新的技术手段意味着我们现在可以深入研究它的大脑,有一些重要的科学问题或许能通过研究鹦鹉得到解答。”

“一定要抓住这个机会”

对蚊子的好奇心,赵志磊在童年时就萌发了。

在他的家乡云南,蚊子特别多。一入夏,每个夜晚都不堪其扰,一觉醒来就是一身包——但神奇的是,他的父亲除外。“一家人一起看电视,蚊子甚至都绕过他来咬我们。”

赵志磊对此大惑不解。调皮的他甚至专门抓来蚊子,放在父亲手臂上,蚊子却都唯恐避之不及地逃窜。

蚊子吸血还挑人?如果咬人还有“选拔标准”,那这个标准是什么?这个问题,在赵志磊心中留下了一个大大的问号。

时光的指针来到2015年。从北京大学毕业后,赵志磊想要申请赴美攻读博士学位。

在遴选中他发现,普林斯顿大学一个实验室专门研究一种热带亚热带的蚊子——埃及伊蚊。这种最早起源于非洲的小蚊子,在不到一万年的时间里神奇地飞到了世界各地。而且,它们还变得越来越喜欢咬人,俨然是“咬人专业户”。

面试时,实验室的助理教授Lindy McBride给他展示了一个实验:让一百只饥饿的蚊子来选择咬人还是动物,结果几乎所有的蚊子都很快地选择人的那一边。

她告诉赵志磊,虽然大家很早就知道了这个现象,但蚊子到底是靠什么机制来区分人和动物的,一直是个未解之谜。

蚊子谜一样的操作让赵志磊非常激动,当场就决定加入这个实验室,去解谜!

随着对蚊子了解的加深,赵志磊除了好奇心,“身上逐渐多了一种使命感”。

蚊子不仅烦人,而且非常危险——它们可以高效地在人间传播致命病毒。在阅读文献时,赵志磊看到一组数字:据世卫组织统计,每年约有72万人死于疟疾、登革热等蚊媒疾病。

这简直就是一个天文数字!他心想:“如果我能弄清楚这些蚊子是如何准确区分人和动物的,那就有可能开发出高效的捕蚊驱蚊方法,从而减少蚊子给人带来的危害。”

其实,这个问题早已被研究了几十年,一直都没有很好的突破。究其原因,是科学家们能够在蚊子身上使用的技术方法有限。

然而,现在不同了。

赵志磊认为自己很走运:“在我加入蚊子研究的这个时间节点上,刚好有一批强大的技术出现,比如基因编辑技术和钙成像技术。我们当时意识到,把这些最新的技术应用到蚊子的研究中,就可能取得突破。”

这是个研究蚊子的黄金时期,赵志磊足够幸运,也足够“拼命”,他一定要抓住这个机会。

养蚊子要喂血?给,手臂

养蚊子是第一道关。

收集野外的蚊卵、带回实验室孵化都还好说,但,怎么养?或者说,怎么给它们喂血?

埃及伊蚊不喜欢动物的血,所以实验室常用的“用薄塑料膜模拟皮肤包裹兔血”的方法并不太奏效;最简单高效的方式,是直接把手臂伸入养蚊子的笼子。

这样危险吗?赵志磊向《中国科学报》解释说,这种喂蚊子的方法,是在了解蚊子生物学的基础上,经过伦理委员会论证通过的;当然同时,也是完全自愿的。

而且,别担心,这种方法并不会造成疾病的传播。

他解释说,蚊子只是病原体传播的媒介,并不是其产生的源头,也就不会隔代传播,所以实验室里从卵孵化来的蚊子是很“干净”的,并不携带病原体。同时,实验室有明确规定,同一批蚊子,只能由同一个人来“奉养”,所以并不会造成人传人的情况。

在Lindy McBride的实验室,有“狠人”同事创下了一天之内喂养3000只蚊子的纪录。

稍显瘦弱的赵志磊,纪录是1500只。第一次喂蚊子,他的手臂整个肿了起来,痒了很久。后来Lindy McBride让他用热水不断冲洗(可加速皮肤血液循环),才慢慢消了肿。

几个月后,赵志磊再用手喂蚊子就感觉不到痒了,他说,这是因为“免疫系统已经适应了”。

养了蚊子,接下来就可以去收集“人味”和各类动物气味,去寻找气味中的不同,进而通过蚊子来验证,他们到底对什么气味感兴趣。

赵志磊告诉《中国科学报》,他们收集“人味”的方式也很绝:需要整个人脱光之后躺进一个干净的塑料袋里,之后向塑料袋通入洁净空气,这样排出的空气里就有了“人味”。只是,这个过程略有些长,人要在塑料袋里躺上两个小时。

研究团队通过比较发现,和动物相比,人的气味并没有哪一种化学分子是特有的,只是有几种分子特别多,比如癸醛和甲基庚烯酮。

这两种分子是人的皮脂腺分泌的某些油性物质接触空气后,氧化分解而来的产物。这些油性物质,动物的皮脂几乎不分泌,这也解释了为什么“人味”如此特别。

接下来是要弄清楚,蚊子为什么如此喜欢“人味”?

“失败也是评价贡献的重要部分”

为了探究这个问题,他们的实验方案石破天惊:给蚊子做“开颅手术”,看看它的脑子里到底在“想些”什么。

如果能知道蚊子在闻到“人味”时的脑中哪部分脑区被激活,他们就可以进一步去考证,蚊子大脑是否对某些特定的分子(比如癸醛或甲基庚烯酮)情有独钟?

破解了这个问题,就不仅能一举解密蚊子选人的标准,还会非常有用——相比由上百种分子组成的“人味”,特定化学分子更容易被制造和储存,这将更便于制作新型的捕蚊器。

谜底确实在这个假设范围之内:他们此后的研究发现,蚊子喜欢体味中癸醛含量适中的人。

赵志磊解释说,一个潜在的原因是,人群中癸醛很少或很多的人是少数,如果蚊子倾向于喜欢这样的人,那它找到合适的人的概率就会降低,不利于其繁衍。

但在研究中,蚊子的“开颅手术”可不是那么容易做的——他们得让蚊子开颅后,还活着。

基因编辑技术让这个大胆的实验变得可行。

通过编辑蚊子基因,特异性地标记蚊子大脑中的神经细胞,让它们表达荧光蛋白。这样,当蚊子某个脑区的神经细胞被激活时,荧光就会增强,这样就可以知道哪个脑区被激活了。

然而,基因编辑蚊子的成功率太低了,连0.1%都不到。

赵志磊第一次做基因编辑,努力了近6个月,才筛选到几只发荧光的幼虫。当时他非常兴奋,以为马上就要成功了,但过了没几天,这些荧光幼虫就“全军覆没”了。

“那时心情很糟糕。但是静下心来仔细分析,其实负面结果也给我们后来的成功奠定了基础。”赵志磊表示,一个好的实验设计,不论结果是否符合最初预期,都提供了非常有用的信息,可以用来不断修正和完善我们对自然的理解,“这也是评价我们对这个领域贡献的重要部分”。

就这样,反反复复花了5年时间,研究团队才陆续制造了可供实验的转基因蚊子。

他们通过实验发现,人的气味里虽然有近百种化学分子,但是在蚊子的初级嗅觉脑区只有两个区域被激活。

他们配比了一个只含有两种化学分子的混合物来激活这两个脑区,发现它对蚊子有很强的吸引力,就像真实的人的气味一样。

“我们申请了专利,希望可以把这个混合物应用到捕蚊器中来吸引诱杀蚊子。”赵志磊透露,目前已经有几家开发蚊虫防治产品的公司在和他们洽谈专利的转让和合作事宜。

另外,赵志磊说,他的同事也正在探索另一个思路:如果可以筛选出一个化合物,它能够特异性地抑制那两个被“人味”激活的脑区,那么这个化合物就可能可以被当作驱蚊剂来使用——它会干扰蚊子对人的嗅探。

冒险的选择

从普林斯顿大学博士毕业后转向研究鹦鹉,赵志磊做了一个冒险的选择。

在此之前,赵志磊拥有一个“开挂”的人生。云南大理州的理科状元,考入北大学习生物工程专业;北大毕业后,去了普林斯顿大学研究蚊子;如今在康奈尔大学研究神经生物学。

他有他的理由。赵志磊对记者说,和蚊子类似,鹦鹉也拥有一项神奇的能力:在野外它们可以快速地模仿周围同类的叫声,而被当作宠物饲养时会模仿人说话。

“它们有着非常有趣的社会性行为和认知能力,这种强大的学习模仿能力在自然界中很少见。”赵志磊说,学术界有一派观点认为,人类之所以在演化中这么成功,就是因为人也能快速地学习模仿。因此他觉得,要研究学习模仿的大脑机理,“鹦鹉是一个非常好的模型”。

赵志磊透露,他目前的研究关注大脑中的多巴胺在这个过程中所发挥的作用。

前路充满未知,甚至挑战很大,但赵志磊自称“内心比较坚定”。

他告诉记者,自己兴趣很广、喜欢阅读科学史和人物传记,“这些平时的积累在做选择时可能蛮有用。因为脑子里有学科发展的一个大概面貌,所以对于什么是比较重要的问题、新的技术手段可以带来什么样的突破,能够有自己的理解。”

他还把过往成绩归于自己的幸运:“我觉得应该是选择、努力再加上一些运气吧。从个人层面来说,我幸运地出生在一个重视教育的家庭,一路走来得到了很多师长和朋友的提携与帮助。从大的方面来说,我非常幸运生活在一个崇尚科学、科技高速发展的时代。”

马上就要高考啦,赵志磊以“过来人”的身份,贴心地给将要参加高考的学弟学妹们送上了寄语:

“十二年前我参加了高考,改变了我的命运。我想说的是你们同样也可以做到!但是,我也希望告诉你们,高考是改变命运的机会,但绝对不是唯一的机会。踏踏实实的努力,高效的学习方法,应对压力的能力,这些一旦培养起来了,都是可以让人终身受用的。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04675-4

 
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