作者:孟凌霄 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/12/15 20:29:47
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死磕11年,他从“垃圾箱”捡出一篇重磅论文

 

“宁在一点打井,不可到处挖坑。”回忆起过去10余年的科研之路,刘超培感慨颇深。

2010年博士毕业后,刘超培曾以两年“闪电战”的速度发表了重要成果。紧接着便是“超长待机”般的沉寂。在11年间,以他为第一作者和通讯作者的论文数量仅有2篇。在向《中国科学报》介绍履历时,刘超培坦言:“在过去11年里,我只想把一个问题弄清楚。”

今年,刘超培耗时11年的研究终于登上Science,这一研究破解了染色质结构和DNA复制领域30多年的难题。审稿专家高度肯定了这项研究的价值,并称其“开拓出新的方向”。作为第一作者兼通讯作者,他在朋友圈写道:“坚持总会有收获,虽然来得晚了点。”

刘超培告诉《中国科学报》,他的底气来自一个耐心、有远见的科研环境。在中国科学院生物物理研究所,他能花11年时间打赢这场科研“持久战”。

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刘超培发表的论文。图源Science

从“五年计划”,到11年的“持久战”

2010年夏天,刘超培从中国科学院高能物理研究所毕业,来到大屯路15号。

这里坐落着中国科学院生物物理研究所。博士期间,刘超培参与过生命科学的交叉研究,于是决定在表观遗传结构生物学领域的领军人物许瑞明的实验室开启博士后研究。
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刘超培与许瑞明
两年后,刘超培就打赢了在表观遗传学领域的“第一仗”:成功解析了组蛋白变体与伴侣蛋白复合物的结构,解决了领域内困扰多年的变体识别问题,并以第一作者身份将该成果发表在《自然-结构与分子生物学》杂志上。
接下来,初战告捷的刘超培把目光瞄准了领域内的“终极问题”。
上世纪70年代起,染色质结构和DNA复制的关系日益被重视。1989年,美国冷泉港实验室生物化学家Bruce Stillman首次发现了CAF-1,这一复合物紧随DNA复制复合体之后,负责染色质的组装。然而,其结构一直未得到解析,使得许多关键问题无法解释。这是组蛋白伴侣研究方向中被公认的难啃的“硬骨头”。
2012年末,刘超培在深入思考之后,准备主动接受这个挑战。他清楚,如果能真正看清CAF-1复合体的结构,将会极大促进对核小体装配过程的认知,“要做就做最难的”。
有了博士后期间打赢“闪电战”的自信,他给自己定下了“五年计划”,希望5年内能在这个问题上取得突破性进展。
起初两三年,研究“顺利得超乎想象”。
刘超培采取“分段”的研究方法,将不同片段组合的CAF-1进行大量结晶条件筛选,成功解析了CAF-1核心部分3.5埃的晶体结构,从而揭示了CAF-1自身的柔性结构:大亚基“像一根柔软的绳子蜿蜒展开”,两端分别拴住两个球状的小亚基。
“这是一个很好的开始,证明我们的方向对了。”刘超培告诉《中国科学报》,研究初期的成功让团队对解析CAF-1与组蛋白复合物的结构信心倍增,胜利的曙光仿佛近在眼前。

那时的他远没有预料到,接下来的研究会很快陷入僵局,“五年计划”将演变为一场最终耗时11年的“持久战”。

“垃圾箱”里变出宝藏数据

那几年,科研中的刘超培像是一个“患上高度近视的人”。

“结构生物学要眼见为实,如果一直看不清,就无法进一步了解结构和作用机制。”刘超培介绍,与博士后阶段的组蛋白识别研究工作不同,此次研究包括组蛋白的传递、修饰和最终装配过程,有许多因子参与其中,研究难度也呈指数级上升。

在解析CAF-1的三元晶体结构后,刘超培引入了组蛋白试图得到完整的复合物,这意味着样品性质更不稳定、结晶条件更难筛选。另外样本颗粒物太小,同样也落在冷冻电镜的“视觉盲区”。

在不断地尝试中,研究迟迟没有进展。直到在一次蛋白纯化的实验中,刘超培发现一条杂带怎么也去不掉,质谱鉴定结果显示该杂带是杆状病毒的PCNA蛋白(增殖细胞核抗原)。他立刻联想到,在染色质结构重建和DNA复制期间,CAF-1、组蛋白、PCNA和DNA都起到重要作用。如果把它们装配到一起,会碰撞出什么样的火花?
实验结果很快就出来了,不出意外又是“失败”——在引入更多变量后,不但没有得到理想中的大型复合物,反而更为复杂、更难以观察。
但其中一个现象引起了刘超培的注意:在数据处理过程中,某些碎小颗粒的分辨率有改善的迹象。他大胆推测,也许DNA在其中起到了缓冲剂的作用。
于是,他立刻尝试用不同长度的DNA片段进行测试,当试到30-bp DNA时,冷冻电镜下的CAF-1图像登时清晰可辨。当用更长的147-bp DNA时,他竟获得了意外之喜:右手螺旋核小体中间态。
在刘超培看来,这次误打误撞的灵感时刻,宣告着所谓“垃圾数据”的胜利。
他介绍,在许瑞明实验室,数据不会被贴上“有用”或“垃圾”的标签。即使实验没有得到预期的结果,也不意味着失败;相反,只要数据足够靠谱,都可以尝试从看似无用的“垃圾数据”中挖掘有价值的线索,以帮助后续课题推进。
“另外,合作也很重要。”刘超培感慨,研究的最终突破离不开所里其他课题组的鼎力支持,大家齐心协力把CAF-1的结构与功能做出了完美的诠释。
2022年夏天,经过整整10年的探索,刘超培所在团队终于向Science编辑部提交了论文。
出乎意料的是,他们收到了一封拒稿信——尽管这项研究引发了审稿人的浓厚兴趣,但由于这是前所未有的突破性发现,编辑部要求研究团队提供更为详细的证明,建议补充数据后重新投递。
在补充实验的一年里,刘超培每天必做的事就是搜索领域进展,看工作是否被全球一起竞争的同行抢发。
现在看来,那时的刘超培似乎多虑了。因为直到今年,国际同行新发的CAF-1论文仍停留在雾里看花的阶段,与生物物理所CAF-1研究的“集大成者”还有很长一段距离。
经过一年的修改,他们的第二次投稿终于被顺利接收。审稿专家高度肯定了这项研究的价值,“该研究开拓了新的方向”,仅两个月,论文便在Science正式见刊。
发表并不是研究的终点。刘超培告诉《中国科学报》,解决了一个问题,并不意味着研究已经结束,反而会引出更多新的问题、新的视角。接下来,他将继续深耕这一领域。
“萌芽已经出土,参天大树未来可期。”北京大学生命科学学院教授李晴作为点评专家,为这项历时11年的研究写下注脚。
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生物物理所秋景。图源:研究所官网

“宁在一点打井,不可到处挖坑”

在许多人看来,如今的刘超培当属“轻舟已过万重山”。

但熟知他的人知道,黎明曙光到来前,已经历了11年的长夜,未来的他更不会在科研路上放慢脚步。

他的朋友圈记录了这样一个夜晚:在显微镜前彻夜“蹲守”实验数据,直到凌晨3时许。他写下一句勉励自己的话:“咬定青山不放松,不破楼兰终不还。”

壮语之下,艰辛不足为外人道也。

写下这句话的2017年,本该是“五年计划”的收官之期,但在真正破解CAF-1的“终极难题”之前,刘超培又鏖战了整整6年。
一项研究的资助周期通常是3到5年。在研究前几年,也有朋友劝他将现有结果整理发表,然后转到更容易的方向,刘超培却坚持“必须要有更深入的研究才行”。在他看来,如果“打一枪换一个地方”,短期内可能会发不少论文,但那不是他真正想要的科研。
“如果做了很多年,一直没有结果怎么办?”
“那就继续研究。”
刘超培告诉《中国科学报》,他能花11年时间打赢这场科研“持久战”,底气来自一个包容、务实的科研环境。
即便在研究陷入僵局的那几年,实验室也从未间断过对该项目的资助,许瑞明老师更是给予刘超培极大的支持与鼓励,并让他“保持平常心,继续探索”。
一直以来,刘超培所在的实验室秉承着“宁在一点打井,不可到处挖坑”的科研理念。在确定一个研究方向后,必须系统解决领域内的重大问题,不轻易换课题与方向。
如今,刘超培已经在生物物理所工作了10多年。对他来说,这里是一个承载着许多回忆和收获的地方。他清楚记得,第一次来大屯路15号,还是10多年前的博士后面试时。那时这里只有几幢独立的小楼。
如今,实验室窗外的乔木已亭亭如盖。
相关论文信息:
https://doi.org/10.1126/science.add8673
 
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