作者:张晴丹 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/9/28 20:55:55
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“双非”高校博士首发顶刊:搞出个“零”的突破!

 

文 | 《中国科学报》记者 张晴丹

除了家人外,陈凯最牵挂的就是他的重要小伙伴——蚕。近日,这个最好的“搭档”为他带来了学术生涯中第一篇PNAS文章。

陈凯所在的江苏科技大学生物技术学院、农业农村部蚕桑遗传改良重点实验室谭安江教授团队,首次实现了在家蚕体内合成植物化合物甜菜红素。陈凯为该论文第一作者。

这些年,通过以蚕作为模式动物进行研究,陈凯已收获数篇论文。问及做科研的心得,他认为,做研究之前,一定要想清楚自己是否对这个工作有兴趣,否则勉强下来会很累,做科研最怕应付。

陈凯

第一次在动物上合成植物色素

何为甜菜红素?

甜菜红素是一种天然植物色素,最早提取于一种长得很像萝卜的甜菜根,又名甜菜头。甜菜红素在很多蔬菜、水果中都有,比如我们常吃的红心火龙果。因其具有抗氧化、防便秘、降血脂、提高免疫力等功效而深受人们喜爱。

“以前,甜菜红素主要从植物中提取,最主要的原料是红甜菜。传统提取技术效率低、纯度低,后来研究人员虽对技术进行了升级,但提取纯化过程仍旧烦琐,且存在残留问题。”江苏科技大学副教授陈凯在接受《中国科学报》采访时表示。

谭安江研究员很早就有了在动物上做植物色素研究的想法。2021年,从中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士毕业的陈凯,加入到谭安江团队,开启了这项研究。

这是一次零的突破,在此之前从未有人在动物里合成过甜菜红素。因为天然植物色素的生物合成通路很复杂,在动物体内表达非常困难。

“蚕是天然的生物反应器,我们以酪氨酸为底物,通过遗传转化在蚕体内导入关键的3个基因,分别是CYP76AD1、DODA和Glucosyltransferase,经过3个酶促反应和一些自发反应,靠蚕体自身合成甜菜红素。”陈凯介绍。

这些甜菜红素主要在幼虫丝腺中合成并积累,伴随着吐丝过程分泌到蚕茧中,形成的蚕茧呈现明显的红色。

普通蚕茧与含有甜菜红素的红色蚕茧

并且,只要把这些红色的蚕茧在水里泡一下,这种植物色素就能析出溶解在水里。通过这种方法很容易就能把甜菜红素提取出来,其含量是14.4微克/毫克。

“经过我们的检测,提取了甜菜红素后的蚕茧品质并未受影响。该研究不仅破解了甜菜红素的提取难题,还可以实现2种收益:一是蚕丝本身,二是额外获得的甜菜红色素,大大提高了蚕产业价值,可谓一举两得。”陈凯说。

更重要的是,科研团队证明了可以在昆虫中成功实现跨界之间的异源表达,为天然化合物的异质生物合成提供了一个重要参考。

投稿最顺的一次,仅用了2个月

在2021年研究初启时,陈凯从没想过自己的研究会登上顶刊。在此之前,他也不具备向顶刊投稿的经验。

但是,当团队在蚕茧上获得了甜菜红素时,大家怀着激动的心情,决定冲一冲PNAS。毕竟,这是史无前例的发现。

2022年年底,团队已经基本完成数据的采集工作,今年初又补做了一些实验。文章经过两个多月的打磨,终于在4月19日投出。

这篇承载着诸多期许的文章一经投出,陈凯的一颗心就再也没有安稳过。他天天查看文章的实时状态,当看到被送审时,紧绷的神经终于稍微松快了一些。“我研究过别人投顶刊的经验,像PNAS送审的概率大约是10%,只要送审了希望就很大。”

投稿一个月后,团队收到了两位审稿人比较正面的意见,这相当于成功了一半。两位审稿人都认为这项研究很有意思,并提出了一个相同的问题:通过遗传转化把3个基因导入蚕体内发生反应,在表达甜菜红素后,是否会影响蚕的健康生长、正常孵化,对蚕本身是有益还是有害?

为了回答审稿人的疑问,团队补充做了一些实验,捕捉到表达甜菜红素的蚕更加抗饿。针对生长影响的问题,他们又补充做了相关实验,统计了蚕的生长曲线、孵化率。得出的结论是,表达甜菜红素的蚕完全可以健康生长和正常孵化。

审稿意见回复发出后,审稿人都比较满意。这篇论文仅用了2个月时间,在6月27日就被提示接收。这是陈凯投稿最顺畅的一次,他认为有一定的运气加持。

回想起自己写人生第一篇论文时,无论写稿、投稿都是举步维艰。“最后拿去让师姐和导师看的时候,都感觉写得像垃圾一样,后面又花了很多精力,改了半年左右才投稿。我只能自我宽慰,做科研没捷径,而且自己也不是天才,这些困难都是必经之路。”

为了不受困于英语表达,在写作上拖后腿,陈凯埋进了一堆堆的文献里,模仿别人的遣词造句和行文逻辑。日复一日练习,第二篇、第三篇……越写越顺手,这条沟壑终于成功迈过。

对他来说,这篇发表在PNAS上的文章,既是一份满意的答卷,也是一个崭新的开始。

谭安江团队

如果有机会,想去更广大的天地开阔眼界

陈凯与蚕结缘于2015年。从西北工业大学本科毕业的他,考到中国科学院分子植物科学卓越创新中心硕博连读。刚到实验室,他的第一件事就是学养蚕。

最初,看着那些以果蝇为模式动物的同行们,陈凯总是投出羡慕的目光。比起养蚕,养果蝇更轻松些,果蝇相对比较“皮实”,放置半个月不闻不问也无大碍,而且生长周期很短,有利于提高研究效率。

蚕可“娇贵”得很。比如,当蚕处于幼年时,所用的桑叶要非常嫩,当长大一点儿则需要用老一点儿的桑叶;当蚕在蜕皮时,需要让它所处的环境保持干燥。养蚕可是一门精细活。

“每天得喂两次,早上去实验室,自己还饿着肚子,却先惦记着喂蚕。”陈凯说,有一次去苏州玩,早上出发前到实验室喂了蚕,玩了一圈晚上再赶回来喂第二顿。

若碰上出差,陈凯只能将这些“心上蚕”交由学生照料。但有些学生因为经验不足,养死了一批,令他很是心疼。因为蚕的生长周期相对较长,失去一批很影响研究进度。所以,能亲力亲为的事情,陈凯都不愿假手他人,至今依然如此。

一向做事细致的他,已然练就了能马上识别蚕是否有异样的“火眼金睛”,通过看就能判断蚕是否感染细菌或病毒。他笑着说,可能这辈子都要跟蚕打交道了。

陈凯一直认为自己并非天赋异禀的人,更多靠的是重复积累经验。他曾经也有过一阵难熬的阶段。“在读博第二年下学期开始,我很想做出成绩,但基本毫无进展,心里有些着急,因为所剩的时间不多了,于是开始疯狂做实验。那段时间经常从早上七八点一直干到凌晨两三点。”

主要做什么呢?就是反复练习显微注射,这是今后研究中每一次做转基因都要用到的基本技能。

显微注射虽然很基础,但是对刚入门的人来说比较困难。按每天要注射10个基因、每个转基因要打500粒卵来算,也就是每天要注射5000粒卵,如此大的工程,非常耗时耗力。

虽然过程很单一,每天都在机械地重复,但陈凯从不应付了事,他说自己是靠着内驱动力撑下来的。无论是培养基础技能,还是去天马行空地搞创新,人的心理素质一定要好,要学会乐观积极面对。

“压力肯定有,各行各业都有压力,只要你想做得更好,肯定要付出更多的精力和代价。虽然来到高校任职相对比较自由,但我现在除了吃饭、睡觉外,基本都‘泡’在实验室,科研作息还是和在研究所时一样,已经习惯了。”陈凯说。

陈凯心里还埋藏着一件憾事,博士毕业那年正逢新冠疫情,他失去了出国做博士后的机会。“老在一个地方待着,眼界会受限。如果有可能,我还是想到更广的天地去学习,让科学研究碰撞出更多的火花。”

论文链接:

https://doi.org/10.1073/pnas.2306322120

*文中图片皆由受访者提供

 
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