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                      李棟:看清細胞更深處

                      發布時間:2022年07月21日

                      李棟在實驗室里調試設備

                      (記者 施 芳攝)

                        又是一個深夜,中國科學院生物物理所一間簡樸的辦公室里,李棟時而快速敲擊著鍵盤,時而盯著三個標準顯示屏大小的電腦屏幕凝神思考。身后的白板上,畫著光譜圖、光路和融合基因結構。

                        “生命科學是各個學科的交匯點,是一個蘊含著無限可能的研究領域”

                        李棟出生于云南個舊的一個彝族家庭,當護士的母親希望他學醫。2002年,填報高考志愿時,李棟對浙江大學光學工程專業很感興趣,便填報并成功被錄取。開學第一課,當看到老師用自主研制的高速攝像機拍攝的視頻時,李棟被深深地震撼了。

                        “我來對地方了,一定要像前輩們一樣干出一番事業來!”李棟暗下決心。大學4年,他除了去自習室學習,就泡在實驗室。他不滿足于掌握一個個知識點,而是下功夫梳理了學科的知識體系。后來,李棟攻讀博士時,開始接觸“生物光子學”這一交叉學科,“生命科學是各個學科的交匯點,是一個蘊含著無限可能的研究領域?!?/p>

                        相較電子顯微鏡,光學顯微鏡能對任意蛋白分子在活體條件下進行連續追蹤,對于生物學研究意義重大。但長久以來,光學顯微成像技術受制于阿貝極限,分辨率無法超過200納米,不足以看清動輒幾納米、幾十納米的生物大分子。

                        為了突破阿貝極限,2011年,在做博士后期間,李棟選擇了當時較為冷門的一條研究路徑——結構光照明。

                        兩個正弦函數相乘,波函數的頻率會增加。李棟從這個數學公式中找到靈感:給出兩個不同顏色的光源,讓它們的波峰與波峰互相疊加,從而突破原有的極限,就能大大地提高分辨率。

                        這一思路對光學系統的色差矯正極為苛刻。譬如,如何實現兩種激發光波函數的“波峰對波峰,波谷對波谷”?波函數的周期將近150納米,而光學顯微鏡的成像視野大概為50000納米,這就意味著,要在半根頭發絲粗細的成像視野中,調整兩個分別出現3000多個周期的波函數。倘若兩個波函數沒有對齊,又該如何檢驗?

                        將近兩年時間里,李棟閱讀了大量文獻,模擬計算分析,最終與合作者開發出新的軟件算法,僅需利用標準的光學元件,優化不同波長結構照明的周期,即可補償不同波長之間的色差,并開發出相應的高雄率校準流程,使得“結構光激活、結構光激發”的思路可以在工程上實施。

                        轉眼到了2012年年末,窗外下著大雪,實驗室內依然忙碌。取了樣本細胞,李棟開始測試新技術方案的效果。

                        顯微鏡下,從衍射極限分辨率100納米再到60納米,細胞內微絲骨架的脈絡逐漸清晰。盯著屏幕,喜悅從心底蔓延開來,李棟只覺得看不夠,索性把對比圖作為屏保,一遍遍地給同事們介紹。

                        李棟首創的高數值孔徑非線性結構光照明顯微鏡技術一舉打破了100納米局限,把活細胞高速成像的光學分辨率提高到60納米,讓科學家們有機會在活細胞中清晰地看到生命活動的精細動態。這一成果登上了2015年《科學》雜志封面。

                        “搞科研不能單打獨斗,需要科學家們攜手攻關”

                        2015年,李棟來到中科院生物物理所,從事超分辨顯微成像技術研制及其生物學應用研究。

                        物理、光學工程、自動化控制、精密機械設計……李棟所在團隊現有20多人,涵蓋8個學科方向。他們的工作包括物理原理應用、工程搭建、自動化控制、生物樣本制備觀測等多項內容。

                        “除了做好本職工作,李老師還要求我們掌握上下游知識?!敝锌圃荷镂锢硭毖芯繂T王新禹說,在每周的跨小組交流會上,大家互相切磋,取長補短。工作間隙,李棟常在不同辦公室之間走動,詢問研究進展,及時答疑解惑。

                        學科交叉的優勢逐漸凸顯:借助掠入射結構光超分辨成像技術,發現了多種細胞器互作新行為,這一成果入選科技部遴選的2018年度中國科學十大進展;開發深度學習超分辨顯微成像算法,在不同成像條件下均可實現最優的超分辨圖像重建效果;研制三維高時空分辨生物力學顯微鏡系統,將生物力三維測量的空間和時間精度提升了5倍……

                        “搞科研不能單打獨斗,需要科學家們攜手攻關?!崩顥澱f。多年來,李棟與國內外近30個實驗室開展密切合作,做出多項重大原創成果。

                        2019年的一天,李棟和同事晚飯后散步時,研究員高璞提到實驗中的一個有趣現象。李棟很感興趣,他們邊聊邊走進實驗室,然后深入研究這一問題。此后,他們又邀請同所的另一位同事鄧紅雨,一起全力攻關。2021年5月,研究成果在《分子細胞》發布。這項研究首次發現病原微生物可以調控宿主細胞內相分離的現象,拓展了人們對大分子相分離調控復雜性的認識。

                        “學習能力超強”,這是北京大學未來技術學院分子醫學研究所教授羅金才對李棟的評價。第一次見面,李棟就問了他許多生物學方面的問題。共同的興趣使得他們當即決定,運用李棟發明的活細胞超高分辨率成像系統去研究內皮細胞分泌過程中微絲骨架環的形成方式及其調控機制。2017年,相關成果在《自然通訊》發表,羅金才稱贊李棟“完全進入了生物學領域”,而李棟則稱自己為“二手生物學家”。

                        “時間不等人,我們只是剛剛出發”

                        留學期間,李棟發現國外的生物學家可以用最先進的光學顯微鏡乃至原理樣機進行觀測,而中國科學家常要等高端光學顯微鏡的原理樣機產品化后才能使用,這往往需要很多年。光學工程專業相對冷門,很多人中途轉行了,但李棟選擇了堅守,他想讓中國科學家盡早用上先進的光學顯微鏡。

                        走進李棟的實驗室,只見一個個工作臺上,密密麻麻擺放著各式各樣的顯微鏡。大量光學元件組成了復雜的鏈路,每一個元件的位置、角度,都經過了精心調試。

                        “這是我們研制的多模態結構光超分辨智能顯微鏡……”指著工作臺上一臺樣機,李棟如數家珍。這套系統集成了6種照明方式,可根據不同的生物問題,靈活選擇最合適的成像模態,達到最佳超分辨成像效果。通俗地說,可以用每秒684幅的速度(相當于27倍電影放映速度),用95納米分辨率(相當于頭發絲直徑的兩千分之一),呈現全細胞范圍內的生命過程。

                        為了提高系統穩定性,在樣機完成后,他們還不斷修改機械結構和光學結構,光圖紙就有100多個版本。兩年內,顯微鏡的體積縮小了3/4,設備穩定工作時間從一周延長到一年無需校準,他們成功地將一個試驗室使用的科研設備變成了通用的產品。從設想的提出到落地,整整花了11年時間。

                        最近忙不忙?忙!今天去不去實驗室?去!這是李棟和愛人在周末時常有的對話。李棟以攀登珠峰作比方:“時間不等人,我們只是剛剛出發,可能還沒有到達攀登科學高峰的大本營,也許連大本營在哪里都不知道?!?/p>

                        ■ 記者手記

                        心懷熱愛 勇攀高峰

                        生活中的李棟沉默寡言,可一談起工作卻有說不完的話。

                        看似矛盾的性格卻是一個科技工作者優秀品質的生動體現:對事業無比熱愛、心無旁騖、全身心投入。實際上,科研事業的成功不僅依賴于智力因素,更重要的是專注和勤奮。

                        “要把科研時時放在心上,這樣在生活中才會有不經意的驚喜?!边@是李棟經常叮囑學生的一句話。做科研唯有心懷熱愛,不計名利得失,不懼艱難險阻,才能抵達一個個高峰,取得不平凡的成就。

                        人物名片

                        李棟,1983年生,云南個舊人。中國科學院生物物理所研究員、生物大分子國家重點實驗室研究組長,主要從事超分辨顯微成像技術研制及其生物學應用研究,系統掌握了超分辨顯微鏡的關鍵技術,提出了新的成像方法,關鍵指標達到國際領先水平;研究成果“掠入射結構光超分辨成像技術發展與應用”入選2018年度中國科學十大進展;曾獲中國科學院青年科學家獎等多項榮譽。

                       

                      (原載于《 人民日報 》( 2022年07月18日 06 版))

                      (記者:施芳)

                       

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