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美国院士庄小威:希望可以知道细胞里分子咋运作

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网易科技讯1月15日消息,未来论坛2017年会暨首届未来科学大奖颁奖典礼在北京举行。哈佛大学讲席教授,哈佛大学高等成像中心主任,霍华德-休斯医学研究所(HHMI)研究员庄小威在论坛上发表了主旨演讲,她认为随着成像技术的发展,可以帮助我们推动其他技术的发展。庄小威表示,自己所拥有的一个梦想是,希望某一天,我们可以获得关于细胞的全方面的认知,包括了解到细胞当中的分子,还有分子内的原子,有了这些信息可以大幅度地帮助我们增进对生命和疾病的了解。

庄小威早年毕业于中国科技大学少年班,34岁时成为了哈佛大学的化学和物理双学科正教授,是哈佛物理系和化学系少有的双科教授。2012年庄教授当选为美国国家科学院院士,刷新了美国科学院最年轻华人院士的纪录。她所研发的超高分辨率技术STORM与诺奖得主Eric Betzig的成果不相伯仲。(温泉)

以下为演讲速记:

庄小威:我真的是感到特别高兴能够来到这里,我要感谢会议的主办方邀请我加此次非常重要的,而且非常激动人心的盛会来庆祝科学界所取得的成就。

会议的主办方真的是特别好,邀请了我参加这个环节,我的女儿并不是那么好,直到有一天我们谈到不同种族人不同头发的颜色,以至于到学校有褐色头发,还有金黄发的头色,还有黑色头发的人,我就问我的女儿,你觉得我的黑头发怎么样?我的女儿说,妈妈,你的头发现在已经变白了。非常感谢主办方觉得我还是年轻人,邀请我参加“青年领袖:科技改变未来”这样一个环节,今天早晨我刚刚从欧洲飞过来,今天晚上从波士顿飞到欧洲参加那里的活动,我还有一点时差,如果我讲话不合逻辑的话,请大家原谅我。

我会给大家介绍一下,生活当中不可见的东西,现有呈现的技术都是无法看到的。正因为如此,还有很多的生物科学都是那么神秘,我们无法理解。大家知道人体,还有其他的生物体是由分子所组成的,分子又由原子组成。如果我们能够进行人脸的识别,我们能够了解这些组成生活的组件的空间的组织架构,可以帮助我们更好地了解生命和疾病。

多年前开展了非常多的工作,还有结构生物学的发展。在过去和现在都取得了长足的进步。有这么多的分子,我们已经知道了它们的结构,我们也知道了一些原子的结构,由于我们了解了原子的结构,我们现在可以更多地了解分子是怎么运作的,出现疾病的时候,它们会出现什么样的异常。

相对来说,我们对于下一个层级的结构了解得就不那么多了。比如说,我们仍然不太了解这里有哪些不同类型的分子在我们的身体当中,而且空间的结构,还有他们的互动,我们知之更少。从本能上来说,我们在这个层级了解的就更少了,在我们的身体当中有多少类型的细胞,我们也不是很了解,我们现在只是对细胞进行了粗略的分类,我们不知道有多少类型的细胞,还有一些亚型和子型,我们甚至根本就不知道它们存在,这样的话,我们就不知道它们空间当中是怎样分布的。

如果我们能够了解空间的结构,还有所有这些组成我们生命的组分的空间架构,我们可以更好地了解他们,我们也知道在出现疾病的时候,会出现什么样的状况,但是做起来比较难,有非常多的挑战,时间有限,我只能够给大家提其中的一个。

假设我们可以扩大人体,把它扩大成像地球这么大,一个细胞的大小应该是多大呢?基本上就像是故宫那么大。再看分子,不要被这个图片给愚弄了,我并不是说一个分子的大小会和这样一个非常漂亮的太和殿一样大,实际上按照这样的比例尺,分子的大小实际上是太和殿下面的人的头那么大,是那个小绿圈表示出来的。如果有一个外星人拿着非常强大的望远镜,可以看到人体当中的分子。我们是否能够研发出这样的望远镜呢?实际上是非常难的,这里有非常多的要求,不仅仅是涉及到分辨率。这里有这么多,各种各样类型的分子,我们希望图象也能够展示出各种类型的分子,所以我们想要知道它们的身份,这就是一些要求,我只是举两个例子,当然还有更多其他的要求,因为它们具体的规格已经有很多的科学家在研究了,我们需要对它们贴上不同的标签,有一个例子就是所谓的发光蛋白质。

发光蛋白质也是可以通过基因的方式和分子联系起来的,在它进化的过程当中我们也看到,因为它不断地分裂,它其实是在不断进化,不断演化的,在显微镜下我们可以非常清楚地看到这样的过程。这个分子有可能衍生出来的东西,本身本分子的大小还要更大,这也是有可能的。

一个世纪以来,我们在这里遇到的约束、局限性,目前也正在被我们所克服,正在被我们所突破,我们采用了很多不同的办法来做这样的研究。有基于单一分子的分子分化研究理论。我也可以跟大家讲一下细节,具体的变革是怎样来发生的,以及什么样的技术是运用到了这样的实验当中去。我们可以看到,右手边是显微镜下面的分子,我们也是因为有了显微镜技术的巨大发展,才能让我们看得清楚这么细小的身体的成分。像左边比较模糊,因为显微镜比较局限,没有办法看得清楚,当然,也有很多其他的科学家在这方面都有做研究,我也借鉴了他们很多的研究。比如说他们做一些自然分化的研究,做一些生物物理方面的研究,所以我们可以达到纳米级的清晰度,从这种显微镜看下去,我们可以看到很多之前没有看到的现象,或者是成分。比如说清晰度,它的清晰度有可能达到纳米级,这样的技术我们目前已经运用到了不同的领域当中去。

近期,我们最新的发展是由Stanford Hall引导的,他做的是一个纳米级的技术革新。为了研究清楚这样的一个技术,我们研究了非常多的生物研究,我们从细胞到细胞结构,再到分子,再到原子,保证它们的量子研究、核子研究等等。这样的话,让我们可以看到更清楚的图片,让我们可以看到更清晰的视频。当然之前我们也运用到了很多其他比较粗糙的结构来进行这个研究,在这个技术发展之前。我们发现,这种骨架结构,它也是一个周期性出现的结构,这是在我们的神经元当中会存在这样的结构,这个结构可以让我们知道,这个神经元会对什么东西产生自发的抵抗,可以把什么东西抵在神经元之外,不让它们侵入,以及外界有入侵的时候,摩擦发生是什么样的状况。当然,在很多成像技术当中,我们用到的显微镜,或者是成像镜,显像镜都是不太一样的,我们不仅有最新技术可以看到分子的,还有一些传统的,比如说光电成像技术,可以看到不同的东西,比如说可以看到光谱,而不是看到分子或者是原子的结构,大部分的生物结构因为目前辅助设备的发展,目前已经研究得比较透彻了,但是我们不能为每一种不同类型的分子贴上一个标签,因为分子的类型太多了,我们有成千上万种不同的分子,它们的结构其实都是不一样的,把它们放在一起的话,互相之间很可能会产生反应,他们会有一个交互的过程,所以它也是一直在发生改变的。我们今后可能要从基因的角度进行更加深度的研究,在基因研究方面我们目前还没有取得太多的进展。所以,我觉得今后我们要走的路其实还是非常长的。

大屏幕上我们可以看到,它时时刻刻都在发生改变,它的结构也在发生改变。再来看一下下一个层面,细胞的组成,在人体当中,细胞是怎样组成各种不同的器官的。我们可以看到,这边的比例其实是比较大的,但是这个细胞虽然它展示的比较大,可能大家看上去还是非常陌生。我们可以看到,我们人体当中大概有多少细胞呢?有30万亿个细胞组成了一个人的身体。如果没有这些细胞的话,我们所有的人都不可能非常正常地生活,像今天一样自由地移动、自由地生活、自由地交谈。细胞的组织其实是非常重要的,对于我们人体的组织,对于我们人体的器官来说,都是至关重要的。所以我们可以想象一下,如果我们能够对细胞的研究更进一步的话,我们是不是就可以对我们人体的运行规律有更好地了解呢?如果我们能搞清楚我们身体当中30万亿个细胞,每一个分别的作用是什么,那么我们对身体的了解是不是又会往前迈进一大步呢?当然,所以这是非常有趣的,也是非常振奋人心的一件事情,在寻找答案的过程当中,我们也经历了非常多的突破。比如说现在我们做的一些研究就非常有前景,我们可以看一下,细胞是怎样变得让我们肉眼可以看见的,因为我们的很多观众他们都不是生物学家,所以我在这边还是跟大家稍微讲一下。

人为什么会有不同的行为呢?首先,在我们的身体当中,我们最先有DNA,我们的基因首先是通过RNA来进行表达的,RNA组成了蛋白质,蛋白质是支持我们身体运转非常重要的一项元素,也是一种营养。对于我来说,我身体当中的这些基因,每一个基因都不是完全一样的,但是它们都是类似的。因为它们的不一样,所以有的时候我可能做出来的事情和我大脑里想做的事情是不一样的,我要说的话可能和我潜意识里想要表达的意思也不一样,这就是因为我们的基因是不一样的。

有了蛋白质之后,我们就能够来研究基因资料。比如说我们可以做RNA的测序,单一细胞RNA的测序,这样的实验可以让我们掌握人身体当中DNA的详细信息和资料。但是如果我们想知道他们的组织,还有细胞的构成,我们不仅仅需要基因测序的表达,我们还更加需要模拟图像的功能,我们需要把做完测序的这个基因,它是怎样来模拟人的思维,人的行为、动作、语言这样的过程给它搞清楚,这才是最重要的一点,也是我们后续发展的目标。

这是基于不同成像技术得出的一个单一细胞RNA测序,我当然不会具体跟大家讲解这样的实验是怎样完成的,但是我们现在在做的一些数字信息传播,其实和这样的原理是相通的,因为我们有成千上万种不同的细胞,他们进行信息传递的时候,也是非常不一样的,就像我们在做一个动作和一个语言表达的同时,我们会要调动两到三种不同的基因,我们在做更加复杂的动作,或者是行为的时候,可能会牵动更多不同的基因。多年之前,我提出了这样的概念,就是我们在做成像技术的时候,可能需要用到不同的方式,这样的话,能够从多维度来看一下最终的成像是否都能够间接地证明我们所推测的,比如说疾病的诊断。我们在这里给它们贴上不同的标签,根据这样的测序。

第一组贴标签的过程当中,我们是从1开始的,并不是从0开始的。第二组是把它称之为2号成像,后面是3号、4号成像。这样的结果就是最终在很多轮的成像之后,我们会得到很多的点,因为每一个点在这边都代表一个分子,每一个分子它都有一些生物理论在里面,它是能够和人体的某一组DNA或者是RNA联系起来。通过这样的方式,我们可以得出一个非常简单的数学公式,我们可以知道身体对于冷这一自然现象能够作出的反应有哪些?比如说我们通过16组的成像技术研究,就能够测试出身体中存在的所有不同的RNA,因为这大概就是我们身体当中所有RNA的规模。

我这边要给大家展示两张非常令人兴奋的图片,这两幅图片其实是非常重要的,在图片当中的每一个像素,我们都能够做到非常精确,哪怕我们有16B的分子,或者是像素的话,我们也能够做到每一个点都是非常精确的。我也想跟大家解释一下这样的方式,我们也从数字传播、数字通信的科学当中找到了很多启发,包括我们现在用微信、用手机来做交流,我的同事跟我说,你必须要用一下微信,要不然你就太落后了。但是我现在还是没有做,因为我怕浪费在朋友圈或者是微信上太多的时间。过去,我们会收到很多短信或者是邮件,但是现在我们发现,在邮件发送和短信发送的过程当中,其实出现错误的概率非常小,那是因为我们解码和编写代码的科学技术有了非常大的进步。在生物学也是一样的,目前我们的成像技术可以支持大概1000个RNA物种单核细胞的高效研究。所以,这样的技术,比如说单一细胞的RNA测序,或者是成像技术,都非常有希望能让我们学到更多的东西,更多的信息。也就是说,在我们的身体当中,究竟有多少种类型的细胞。这些细胞在人体内,在空间上是如何组成的,他们之间是如何沟通的,来形成我们的生命。

从某种意义上来说,也许是和这样的简单类比相比,并不是特别难,就像我们要去了解电力一样,看看车的电能,是来自于哪里,来看看它的电机,和电机在汽车当中是如何组装的,和这样的类比是非常相似的。可以帮助我们了解生命的真谛,也可以帮助我们了解疾病的形成,生活在这样的环境下,我们可以利用这些技术来去绘制肿瘤当中所存在的细胞,这样的话,可以帮助我们去回答一些问题,哪些细胞有可能会造成扩散,哪些细胞可能会造成运移,哪些细胞可能会产生耐药性,哪些细胞可能是癌症,这样的超大型的项目,不可能由一个单一的实验室来完成,因此有一个全球的倡议称之为“绘制人体细胞图”,这个项目是正在开展的。

接下来再回到这个图,给大家分享一个愿景,随着成像技术的发展,可以帮助我们推动其他技术的发展。我所拥有的一个梦想,希望某一天,我们可以获得关于细胞的全方面的认知,包括了解到细胞当中的分子,还有分子内的原子,有了这些信息可以大幅度地帮助我们增进对生命和疾病的了解,如果大家有一些疑虑的话,我希望给大家分享一下来自19恩世纪美国的一位建筑师的引言,即Louis.Sullvan的引言,他说你们所有的有机和无机的生物,所有的物理和原物理的生物,人类和超人类的生物,我们必须要认识到我们生命的存在,还有生命的表达,一种形式永远都是跟着功能的,即功能永远是跟着形式,这就是所有的生物的法则,在形式之后永远都有功能。我们必须要了解到这些形式,这些结构,这样的话,我们才可以了解到他们是如何运作的。

我想,在现代技术当中,有一个广为人知的原则,在建筑领域当中也有一个原则,Sullvan并不是生物学家,他并不了解生物学家对于他的说法,我们可以去争论一下,这样的原则是否也是适用于生物学的,非常感谢各位,这就是我的介绍。

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