探究“軟物質(zhì)”魅力的“追夢(mèng)人”

徐強(qiáng)

我們的生活中充斥著各種軟物質(zhì)，包括生命體系物質(zhì)、聚合物、膠體、液晶、膜、泡沫、顆粒物質(zhì)等。隨處可見(jiàn)的橡膠、膠水、墨汁、洗滌劑、涂料、化妝品等都屬于軟物質(zhì)，不一而足。軟物質(zhì)不僅具有巨大的市場(chǎng)，在現(xiàn)代生物醫(yī)藥和特種材料領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，更是魅力無(wú)窮的科學(xué)世界。軟物質(zhì)王國(guó)是熵主宰的，生命則更是一場(chǎng)與熵之間的周旋和戰(zhàn)斗。由于軟物質(zhì)特殊的性質(zhì)，人們?cè)谘芯克墓δ軙r(shí)往往需要從軟物質(zhì)的結(jié)構(gòu)著手，因此在物理領(lǐng)域，凝聚態(tài)物理逐漸產(chǎn)生了一個(gè)集物理、數(shù)學(xué)、生物、化學(xué)、計(jì)算機(jī)和工程學(xué)為一體的交叉學(xué)科新方向—軟凝聚態(tài)物質(zhì)大分子顯微成像和結(jié)構(gòu)與功能研究，并得到了巨大的發(fā)展。該方向的主要研究?jī)?nèi)容就是利用先進(jìn)的透射電子顯微鏡器材，發(fā)展和應(yīng)用下一代軟硬件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟物質(zhì)對(duì)象（尤其是結(jié)構(gòu)活性高和分子量小的生物大分子，特別是具有極大生物醫(yī)藥學(xué)價(jià)值的蛋白質(zhì)大分子）的納米尺度的高分辨成像，并重構(gòu)研究對(duì)象的高分辨三維結(jié)構(gòu)，揭示其結(jié)構(gòu)與功能，傳遞給下游工業(yè)的各種商業(yè)化開(kāi)發(fā)。

奇花初胎，矞矞皇皇；干將發(fā)硎，有作其芒。本文的主角—西安交通大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系張磊教授，是國(guó)內(nèi)軟凝聚態(tài)物質(zhì)大分子顯微成像和結(jié)構(gòu)與功能研究領(lǐng)域的杰出代表，長(zhǎng)期致力于該領(lǐng)域的研究，尤其是在單分子透射電子顯微鏡領(lǐng)域，取得了一系列原創(chuàng)性成果，逐漸成長(zhǎng)為探究“軟物質(zhì)”魅力的“追夢(mèng)人”。

立志求學(xué)，開(kāi)啟追夢(mèng)之旅

勤學(xué)功深心似鏡，苦練日久手出靈，勤勉好學(xué)的張磊博士于西安交通大學(xué)一氣呵成拿下應(yīng)用物理學(xué)學(xué)士、理論物理碩士、凝聚態(tài)物理博士學(xué)位后，一路高歌猛進(jìn)，通過(guò)美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校聯(lián)合培養(yǎng)項(xiàng)目獲得了蛋白結(jié)構(gòu)與功能方向的深造，而后在美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從事蛋白結(jié)構(gòu)與功能的單分子透射電子顯微鏡博士后研究并最終進(jìn)職為項(xiàng)目科學(xué)家。2015年張磊博士載譽(yù)回國(guó)，擔(dān)任西安交通大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系物理學(xué)教授，奉命組建西安交通大學(xué)的冷凍電鏡平臺(tái)，繼續(xù)發(fā)展軟物質(zhì)大分子顯微成像和結(jié)構(gòu)與功能的研究方向。

學(xué)之染人、甚于丹青，由博返約、精修一門(mén)，在治學(xué)之路上不停求索的張磊博士科研成果碩果累累，已陸續(xù)在包括Nature Chemical Biology、Nature Communications等國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表論文30余篇，書(shū)籍章節(jié)1篇，獲得美國(guó)醫(yī)藥類(lèi)專(zhuān)利一項(xiàng)；科研工作成果在頂級(jí)綜合性國(guó)際會(huì)議及其他專(zhuān)業(yè)國(guó)際會(huì)議、學(xué)術(shù)專(zhuān)訪活動(dòng)中給邀請(qǐng)報(bào)告、口頭報(bào)告、海報(bào)等40余次，獲得了外界充分的肯定。

搏擊風(fēng)云，強(qiáng)健夢(mèng)想羽翼

張磊博士在美留學(xué)期間曾參與多項(xiàng)美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院、美國(guó)國(guó)家能源部及大型醫(yī)藥企業(yè)項(xiàng)目，開(kāi)創(chuàng)和應(yīng)用多種透射電子顯微鏡技術(shù)，提出了系統(tǒng)研究蛋白質(zhì)等生物大分子的空間動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的方法，填補(bǔ)了多項(xiàng)科學(xué)空白，解決了多個(gè)生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的難題，產(chǎn)生了重大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，憑借所得成果獲得了包括美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生院（兩個(gè)R01項(xiàng)目）和美國(guó)輝瑞制藥公司在內(nèi)的數(shù)百萬(wàn)美元的多項(xiàng)資金支持。

一是開(kāi)創(chuàng)和應(yīng)用多種透射電子顯微鏡技術(shù)，揭示了運(yùn)載人體膽固醇的膽固醇酯轉(zhuǎn)移蛋白（CETP）的結(jié)構(gòu)與機(jī)理。通過(guò)開(kāi)創(chuàng)性的針對(duì)脂蛋白的特殊負(fù)染色電子顯微鏡技術(shù)并結(jié)合高動(dòng)態(tài)蛋白結(jié)構(gòu)的電子顯微圖像篩選與三維重構(gòu)技術(shù)、正交測(cè)量顆粒尺寸隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)分析方法，蛋白結(jié)合位點(diǎn)的抗體測(cè)量法，以及兩種獨(dú)立的分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段，系統(tǒng)地完成了CETP的結(jié)構(gòu)功能研究，揭示了CETP與脂蛋白結(jié)合的結(jié)構(gòu)與機(jī)理，指出了CETP在傳遞膽固醇時(shí)的關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)，對(duì)于人類(lèi)心血管疾病類(lèi)藥物的研發(fā)提供了戰(zhàn)略性的指導(dǎo)和應(yīng)用信息，是歷史上首次利用電子顯微鏡對(duì)人類(lèi)脂蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行的系統(tǒng)研究，推動(dòng)了透射電子顯微鏡在生物醫(yī)藥研發(fā)領(lǐng)域的系統(tǒng)應(yīng)用。

二是應(yīng)用透射電子顯微鏡的電子斷層成像技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了一整套測(cè)定單個(gè)蛋白質(zhì)等軟物質(zhì)大分子納米三維結(jié)構(gòu)的方法：IPET方法和FETR算法，獲得了迄今為止最高分辨率的單個(gè)蛋白質(zhì)大分子的空間結(jié)構(gòu)，使得該方法成為研究蛋白質(zhì)及其他軟物質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)變化、動(dòng)態(tài)特性和功能的基本方法之一。此項(xiàng)研究首次系統(tǒng)地完成了對(duì)人體抗體及其藥物復(fù)合物的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡三維結(jié)構(gòu)研究。

立足教學(xué)科研，明確夢(mèng)想航向

胸懷萬(wàn)里世界、放眼無(wú)限未來(lái)，揮灑曠世奇才、重上瑤臺(tái)、天地為之驚駭。圓滿完成學(xué)業(yè)后，2015年9月張磊博士回國(guó)發(fā)展，受聘于西安交通大學(xué)理學(xué)院物理學(xué)科任教授職務(wù)，開(kāi)啟了他“春播桃李三千圃，秋來(lái)碩果滿神州”的新征程。

憑借著精湛的專(zhuān)業(yè)背景和堅(jiān)韌的拼搏精神，依托著西安交大理學(xué)院、生命學(xué)院以及學(xué)校各相關(guān)部門(mén)的關(guān)懷與支持，在不到一年時(shí)間里，張磊博士打造出了一支擁有1名在職高級(jí)工程師、1名博士后、1名博士研究生、1名碩士研究生，配備了價(jià)值數(shù)百萬(wàn)元的樣品制備、儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)處理工作站等設(shè)備的能夠獨(dú)立開(kāi)展以研究軟物質(zhì)（包括有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合物）納米分辨率的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)、挖掘軟物質(zhì)材料的功能機(jī)理的精致團(tuán)隊(duì)，在拓展和深化透射電鏡在軟物質(zhì)大分子結(jié)構(gòu)確定領(lǐng)域的應(yīng)用方面取得了系列成果，并將針對(duì)非對(duì)稱(chēng)性的分子量較小的軟物質(zhì)大分子的成像技術(shù)和圖像處理方法，應(yīng)用在脂蛋白等典型的軟物質(zhì)大分子的結(jié)構(gòu)與功能研究方面以期取得更為突出的成績(jī)。

三尺講臺(tái)三寸舌，三千桃李三寸筆，十年樹(shù)木十載風(fēng)，十萬(wàn)棟梁十載雨。過(guò)去的成績(jī)沒(méi)有使張磊博士安于現(xiàn)狀，而是為自己定出了更高的目標(biāo)。當(dāng)一場(chǎng)以科學(xué)研究為先導(dǎo)，以課堂教學(xué)為核心，以學(xué)生發(fā)展為突破的新課題擺在年輕教師面前時(shí)，張磊博士又開(kāi)始投入到了“新角色”的洪流中，以一名海歸教師的國(guó)際視野、卓越理念，將自己在海外求學(xué)期間積累的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、砥礪勤勉的科研態(tài)度毫無(wú)保留地教授給學(xué)生，將精神的浩瀚，想象的活躍，心靈的勤奮融匯在科研治學(xué)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，將海外自由靈動(dòng)的授課方式與國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)高校教育相互融合，緊跟信息時(shí)代步伐，勇于探索、求真務(wù)實(shí)，推動(dòng)學(xué)科建設(shè)和科研創(chuàng)新協(xié)同發(fā)展，增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)能力，為西安交通大學(xué)理學(xué)院物理學(xué)科科研水平的提高發(fā)揮著青年教師的“尖兵”作用。