“泡”实验室 攻世界难题(三)——中国青年女科学家颜宁教授博文及有关资料选编

本刊编辑部

（上海交通大学，上海 200030）

“泡”实验室 攻世界难题(三)
——中国青年女科学家颜宁教授博文及有关资料选编

本刊编辑部

（上海交通大学，上海 200030）

文章首先介绍了人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的晶体结构的基本原理及其研究情况。提出科学研究离不开实验，良好的实验环境是科学研究的重要条件，进一步提出实验室工作中应注意的经验与教训;最后指出实验室建设工作中存在的问题与期望。

结构生物学;科学实验;葡萄糖转运蛋白;晶体结构;实验室建设

编者按:今年6月清华大学医学院颜宁教授研究组在世界上首次解析了人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的晶体结构，初步揭示其工作机制以及相关疾病的致病机理。论文通讯作者颜宁是一位杰出的青年女科学家，多年来带领一支年轻的研究团队，“泡”在实验室里，攻克了一个又一个结构生物学最前沿的世界难题。颜教授又是一位善于沟通交流的科学家，她建立了博客并写出许多精彩的博文。本刊主编夏有为教授阅读了她的博文，深感颜宁教授从事科学研究和实验室工作的亲身经历总结的宝贵经验，内容丰富、真切、感人，理念先进、创新、深刻，极富启迪作用，是不可多得的精彩文章。值得广大科研与实验室工作者学习与借鉴。经征得颜宁教授同意，本刊选取颜宁科学网博客部分文章及有关资料进行编辑整理，现予发表，以飨读者。文章内容较多，分期刊登，并诚恳欢迎广大读者反馈阅读的意见与建议。

7 实验室里的苦与乐

实验室工作引人入胜，但他也会给你苦和乐的。对于实验室的苦和乐，可以从2007年刚回清华的时候谈起。当时我给自己确立了几个明确的研究目标，前面讲的葡萄糖转运蛋白是其中之一，还有另外一个也非常有意义的课题，叫作电压门控钠离子通道，它是对于我们神经信号传递至关重要的一个蛋白。2011年，我们经过之前几年的探索，终于获得了一个细菌同源蛋白的晶体，结构解析已近在咫尺，就差最后一次收集重金属衍生数据了。为此我们准备了大量晶体，保存在可以维持低温零下170℃的液氮预冷罐中，寄到日本同步辐射，准备收集数据。

接下来，就是我永远不会忘记的日子，2011年7月11日。那是星期一，是在中国看到《自然》新论文上线的日子。我本来应该早上6点出门去机场，在5点55分的时候，我打开了《自然》在线，第一篇文章直接砸来，因为这篇文章的题目就是《一个电压门控钠离子通道的晶体结构》，这正是我们在做的课题，也就是说，我们被超越了。我们一直说科学上只有第一，没有第二。而现实是我们再也没有可能在这个课题上成为第一了，惨败!我把论文打印出来，交给了当时正在做这个课题的张旭同学，她立即泪崩。可是，我们别无选择，晶体还在日本等着我们。于是一切按照原定计划，我们飞赴日本。一路奔波，晚上7点赶到实验站的时候，那里的工作人员一脸凝重地对我说:“颜教授，你们寄过来的低温罐似乎出了问题。”我心里一沉，这意味着晶体可能出了大问题，这可是我们过去3个多月所有的心血结晶啊!在刚刚承受了被超越的打击之后，这个事故可真是“屋漏偏逢连夜雨”。

所幸我们做事一向未雨绸缪，随身还带了晶体，于是就地开始重新泡重金属，第二天早上到了正式收集数据的时候，果然，寄送过来的晶体全部阵亡，无一幸免。然而，就当我们花了十几个小时，即将绝望之际，前一天晚上刚刚处理好的一颗晶体给了我们需要的所有数据——质量是如此之好，以至在收完数据一个小时之内，我们就解出了结构!此时，发表论文的课题组还没有从数据库释放结构信息，所以于我们而言，又是第一次看到了这类蛋白的原子结构，对过去4年的努力是一个完美收官!那一刻，根本没有人会在乎论文会发在什么地方，当时只有在这个大悲又大喜之后，巨大反差带来的狂喜。

而事情还没有结束，就当我在凌晨三点打开邮箱，准备把新的结构发给实验室成员布置后续工作的时候，发现了一封来自美国Howard Hughes医学研究所的邮件，通知我，经过初选，我在全球800名申请人中过关斩将，战胜了745人，成为进入“Howard Hughes国际青年科学家”第二轮候选的55人之一，邀请我于11月赴美参加最后的角逐。那一刻，我脑子里瞬间显出这两句:“屋漏偏逢连夜雨，柳暗花明又一村”。这45个小时，从7月11日早上5点55分到13日凌晨3点钟，对于我和我的学生们而言真可谓惊心动魄，犹如坐过山车。也正因为此，对这个课题，我们远比对其他任何一帆风顺做的课题更加刻骨铭心。

但这依旧不是事情的最终结尾。因为这个课题，我有幸与我此前崇拜了将近10年的偶像级科学家、2003年诺贝尔化学奖得主MacKinnon教授合作，在与他的交流中受益匪浅，也终于圆了我在研究生时代想要与他一起工作的夙愿。更重要的是，我们的结构呈现出与已经发表的论文很不相同的状态，经过分析阐释，我们的这些新结果也在10个月之后发表于《自然》。我还提出了一个新的电压门控通道感受膜电势的全新模型，直到现在，我们仍然在创造新方法、发展新工具对这个模型进行构建。

我深切感受到，对你自己着迷的事情不但不会觉得苦，反而是乐在其中。当你通过无数次的实验揭示出大自然的奥秘时，你的满足感和成就感那是难以言喻的。这就是实验的苦和乐，“实验不到最后一刻，再难也决不放弃，有可能会‘柳暗花明又一村”;这就是科学研究的魅力:不向前走，你根本不能轻易定义成功或者失败。总有那么多的不确定、那么多的意外惊喜在等着你!

8 实验室“无他，唯用心耳”

长期的实验室工作，我也积累了不少经验与教训。这要从做研究生时谈起，回想那时候的一些经验和教训，似乎有两条比较可取，现在与大家分享一下。

8.1 用心学习实验

(1)用心学习他人实验。在实验室要用心观察senior成员的实验，不放过每一个参加实验室内部讨论的机会。记得上大学本科时，有一位教授在课上给我们讲本系毕业的牛人，好像提到的是钟毅，说他读研究生的时候，每次导师一到实验室谈课题，他就凑过去听，久而久之，他的见识就比同时进实验室的人强。后来他博士毕业，也没做博后，就在冷泉港拿到了教职。可能是出于对牛人的敬仰，我记住了教授的这句话。当我自己进了实验室，潜意识里总想着这句话，而且稍微扩展了一下，不仅是导师谈课题，我凑着听，其他的senior成员谈课题或实验技术时，我也特别留心。最初一年，只要我手头没实验，总喜欢旁观实验室里senior成员的操作。

图7 施一公教授

(2)严谨操作和大胆尝试统一。我的导师施一公教授(图7)做实验可以用“行云流水”来形容。他似乎脑海里早就设计好了各种操作，一旦做起来，一气呵成。并且有一些非常有意思的细节，甚至小到枪头的使用序列、标签纸的折角;看起来好像微不足道的“小手脚”，经他解释才知道，这些都是为了避免实验操作中由于瞬间分心而可能造成的失误。有时，一个小失误就可能让整个实验前功尽弃。施教授经常说“不是我们做实验操作快，而是我们犯错误少，弯路走的少。”并且，他让我学会了什么叫严谨操作和大胆尝试的统一。在课题徘徊不前的关键点，他经常会有一些出人意外的主意。我到现在还记得，在我读博士生的后期，自己因为一些连续的成功，变得很自信。在一个很艰难的课题上，我们为了一个实验设计争执不下。我在脑海里演示一遍，觉得基本上是浪费时间，拒不肯尝试。施教授于是自己去做，竟然成为该课题成功前的临门一脚。为此，我抑郁良久。但也从此让思路又打开了一大片。我深切地体会到，只要follow logic，有什么是不能尝试的呢?

(3)事先做好实验设计。在普林斯顿的时候，我还特别喜欢看师姐吴嘉炜做实验。她做事极其利落，工作台上一直都是有条有理，做完实验，立即收拾得干干净净。她的字又漂亮，看她的实验记录整整齐齐，一丝不苟，赏心悦目。而且，嘉炜基本不熬夜。她是实验室作息最有规律的人，可是工作量却不比任何一个人少，甚至更多。她教给我的是:实验设计基本上都是前一天晚上在家里洗漱时、或者休息前想明白的。在脑子里已经过了一遍，真正做起实验时，是不用再费心设计的。后来，我也学会了这个习惯。每天晚上先想好次日的工作;第二天做实验时，节奏感自然就出来了。

(4)敢于打破常规。我的同事柴继杰是我们实验室的大牛，也是最不科班出身的。但是我后来一直觉得他很聪明。我从他身上学到的是“天马行空”。和他一起做过不止一个课题，发现他经常不按“常理”出牌，会自创一些protocol(规章制度)。后来，当我的经验多起来了，不由得感慨，生物学研究里哪有这么多的“常理”?所谓规章制度，不过都是经验的积累。只迷信别人的经验，又怎么能创新?有好几个课题，都是因为他的不拘一格而突破了瓶颈。他的风格对我影响颇深，让我后来总以偶尔的“歪门邪道”为荣，并且屡屡成功。

(5)积极参与讨论。在实验室里不仅是看别人做实验，还要不放过每一个参加实验室内部讨论的机会，当实验室有任何课题讨论的时候，我总是尽可能地凑过去。耳融目染中，不仅“偷学”了我的导师施一公教授指导学生的方式，也从其他人那里偷学了不少。大家思考问题的角度，解决问题的方式，甚至一些trick(小诀窍)，我都会在脑子里打个转储存下来，并忽然发觉，那时候的记忆力是真好，基本过耳不忘，现在不行了。

“泡”在实验室几年下来，慢慢地发现，我也逐渐变成实验室里点子比较多、实验操作比较巧的人了(图8)。

图8 颜宁教授在实验中

8.2 不重犯每一个实验失误

长期的实验工作我还体会到要记住自己和别人的每一个实验失误，同样的错误绝不重犯，这对以后的实验室工作是大有裨益的。人非圣贤孰能无过，知错能改善莫大焉。在实验里犯错误不可避免，不论是刚进实验室的新兵，还是久经沙场的老将。我自认为的一个好习惯就是:我记住每一个错误，不仅是自己的，还有我听来的、看来的身边每一个人的操作失误，同样的失误绝不犯第二次。我一般对于失误过的操作都印象格外深刻，并且愿意告诉别人，也防止别人再犯。比如有一次，做gel filtration(凝胶过滤)，用SD200的柱子。我偷懒没设压力保护，而输入流速的时候，竟然把0.5设成了5。幸亏我当时就在旁边，立即停止了FPLC(快速蛋白液相色谱法)。尽管如此，不过几秒钟的时间，柱子已经矮了一截，幸好后来调试了一下，柱子没废，接着用下去了，但真让我心有余悸。这个错误告诉我两点:

(1)压力保护任何时候不能偷懒不设;

(2)在实验刚开始的时候，一定不能离开。

虽然这已经是10多年前的事了，我还记着。后来当然是一次再没犯过同样的错误了。

我对自己实验室的要求也是如此:你第一次犯错误，只要不有意隐瞒，我不批评;如果在组会上公开讲出来，我还要表扬你的诚实以及善意提醒他人;但如果同样错误犯两次，对不住，我不得不批评了。

当年，我在一年轮转后，进入实验室读博的3年多，第一年基本是在各种磕磕绊绊中走过;但是自从2003年1月11日我做成了一个极为复杂的assay(分析)，在以后的实验课题中基本是做啥成啥。也许，真的是在前面经过了所有能够经历的失误与失败，记住了，改过了，后面只要实验设计是合理的，做出结果便是水到渠成的事情了。

其实，说来说去一句话，在实验室“无他，唯用心耳”。

9 对实验室建设的期望

实验室的运行中我感到有些问题值得重视。例如，4年前我们实验室管理人员做的实验室一年财务报告，结果让我很吃惊。尽管我知道自己属于学院里给学生发补贴最高的实验室之一，但人工费只是占据了开销的20%左右，而最大的费用花在了试剂耗材上，占到了50%以上。由于最初建实验室买了一批仪器，所以这一年的仪器费用比例就比较少。这让我在思考一个问题，就是生物基础研究到底是否要多烧钱?在美国，对生物学科的投入非常之巨大，他们是犯傻吗?

目前生物基础研究作为重要的学科之一，与社会经济生活也密不可分。我们的经费主要投入在以下几个方面:仪器、耗材、测试、房租物业水电、人工费用(因为固定人员的工资是由学校负责，这里主要是对学生和技术人员而言)。这其中，人工费用等于是返还到了纳税人手中。我不知道某些经费资助部门怎么如此想不明白，非要给人工费设定一个这么低的阈值(不超过10%)。也许由于我自己经历的原因，我赞同给博士生、博士后高工资。大家都应该知道，博士生待遇在国内外的巨大差别也是我们对于缺乏吸引优秀学生竞争力的原因之一。何况物价涨的厉害，也只有生活上没了后顾之忧，才能专注于阳春白雪的科研。

实验中许多测试、房租水电，基本都是交给了国内公司或部门的手中，对于国家而言，没有流失任何财富，相反，还帮助了一些小的诸如测序公司的发展。所以我不心疼。而仪器、试剂这一块，是最让我心疼的!白花花的银子流往海外啊。我回国之初，信誓旦旦支持国货。凡是仪器试剂能用国产的一概不要进口的。可是残酷的现实逼得我在半年之后心灰意冷。同样是摇床，进口的可以保证内部整体恒温，而国产的则靠近出风口的一半E.coli(大肠杆菌)已经长到OD(外直径)1.0，远离的那一边只到0.5;快速 FPLC(蛋白液相色谱仪)、超速高速离心机等精密仪器压根就没有国产品牌，而低速小离心机，不是整天坏就是设计上使用不方便......。当然，国产的好处是报修方便，上午坏了，下午就有人修，但架不住老坏啊!不过，即便这样，我们还是能用国产仪器的就尽量用国产的。

仪器还好办，国产的再不好，也能凑合;进口的再贵，也是一次性投资。但试剂耗材这一块，真是无底洞。我们依旧是在一些要求不高的试剂上，什么氯化钠盐酸之类的，一概国产化。但是到了结晶等重要步骤，为了保证复制、reproducibility(再生)，还必须是通过Sigma。而实验室最花钱的却是 detergent(清洁剂)、medium(媒介物)、resin(树脂)等。我一直试图在国内找同类产品，但是没有。即使有，质量上也无法保证纯度和稳定性。可恨的是，在国内买这些试剂耗材，价格是国外的数倍。比如，我们买英杰公司(Invitrogen(Gibco))的 SF900细胞培养基，2006年在美国Princeton做到了20美元一升的单子，回国之初，一咬牙谈了一个大单子，270元人民币一升，说好分三期到货。结果第一批之后，对方单方面毁约，大幅提价，一下子涨到了500元一升，据说是为了和国内其他市场达到一致，真是不讲道理。抬价的原因，无非是要垄断。看看我们用的那些江浙一带小作坊生产的尖端tip、eppendorf tubes(埃彭道夫管)等等，我有时真是疑惑:为什么不能把质量做好一点，哪怕贵一些我也认了。在美国做生物研究，实验室烧钱，但整个国家在赚钱。因为大量的经费又回到了本国公司。本国公司的壮大又成功地攻占了外国市场，利润源源不断涌来。可在中国，因为我们精密仪器制造业的落后、试剂药品制造业的落后，确实是在把大把纳税人的金钱往国外扔。我这里只说了生物技术产业，至于生物制药，我不熟悉，也不敢妄评，只知道一个Lipitor一年的利润一百多亿美元。当然，许多原创性基础研究的成果也不能简单地用这些投入来做衡量。我在这里只是很简单地用经费支出的走向来分析我国在生物基础研究上的一个问题。生物基础研究，如果运作好了，不仅不是烧钱，不仅能够产出原创性的成果，其工作本身就是国家经济发展的助力;但运作不对，也就真是把纳税人的金钱拱手送人了。在基础生物研究的体量越来越大的现状下，希望我国能有自己的仪器、试剂品牌公司，真正把质量做上去。我依旧发自内心地希望支持国货。我希望，肥水不要流外人田。(编者注:异曲同工的是华中农业大学校长邓秀新院士在接受本刊采访时同样提出了国内存在的这个问题，强烈希望加强影响我国科研发展的仪器及试剂生产事业。)

(全文完)

(夏有为整理编辑、添加大小标题，经颜宁教授审阅)

人物介绍:

颜 宁(1977－)，女，教授、博导，2000年获清华大学生物科学与技术系学士学位，同年9月赴美国普林斯顿大学分子生物系师从著名结构生物学家施一公教授，2004年获分子生物学博士学位，随后继续在该校进行博士后研究，2007年博士后出站后回国受聘清华大学医学院，成为当时清华大学最年轻的教授、博导。她领导的结构生物学实验室主要利用结构生物学和生物化学手段致力于跨膜运输蛋白及植物脱落酸受体信号通路的结构与功能机理研究，承担和参与多项国家自然科学基金委项目及2项科技部重大科学计划项目。发表学术论文30篇，其中自2009年以来作为通讯作者在三大国际著名学术期刊《自然》(Nature)、《科学》(Science)、《细胞》(Cell)上发表学术论文11篇，成果于2009、2012年两次被美国《科学》杂志评选的“年度十大科学进展”重点引用，2012年入选中国十大科学进展。

颜宁2005年因为杰出的博士研究论文获得《科学》(Science/AAAS)和GE Healthcare评选的“青年科学家奖”(北美地区)，该奖项在全球范围内每年只有5人入选;回国后相继获得“贝时璋青年生物物理学家奖”、中国优秀青年科技工作者、谈家桢生命科学创新奖、中国青年女科学家奖(图1)、药明康德生命化学研究等奖励和荣誉。2012年获得国家自然科学基金委“杰出青年科学基金”，2013年入选首批“青年拔尖人才”;2011年成为美国霍华德休斯医学研究院(HHMI)评选的首届28位国际青年科学家之一。2014年被《细胞》杂志选为全球40位年龄在40岁以下的杰出科学家之一。

图1 颜宁教授获中国青年女科学家奖

颜宁教授的科学研究工作获得了国内外的广泛认可，她本人多次获邀在Gordon Research Conferences、Cold Spring HarborAsian Conferences、Biophysical Society Annual Meeting、Biomedical Transporter Conference等重要国际会议，以及美国普林斯顿大学、斯坦福大学、约翰霍普金斯大学，英国利兹大学等多所知名研究机构做特邀学术报告。2014年8月在澳大利亚召开的国际生物物理学会年会上获邀作大会主题报告。她还被邀请组织2013和2015年冷泉港亚洲学术会议系列之膜蛋白主题会议。目前担任国际著名期刊Cell Reports和Journal of Biological Chemistry(JBC)的编委。

2014年6月20日教育部杜占元副部长、科学技术司雷朝滋副司长一行专程到清华大学医学院看望了颜宁教授(图2)。听取了颜宁教授带领年轻的科研团队，攻克“人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的晶体结构与机理”世界难题和培养人才的工作汇报。

Staying at Laboratory to Conquer the Worldwide Difficult Problem of Structure Biology(3)

Editorial Department of Research and Exploration in Laboratory
(Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China)

This article first introduced the fundamental principle of the crystal structure of the human glucose transporter GLUT1 and the situation of research.Author was point out the science research can’t do without the experiment，and favorable laboratory environment is an important condition for science research，and future should pay attention to the experiences and lessons of laboratory work.Last，author put forward the problem and expectance in the work of the laboratory construction.

structure biology;scientific experiment;glucose transporter GLUT1;crystal structure;laboratory construction

G 642.0

A

1006－7167(2014)11－0001－05

颜 宁教授

2014－04－29

本刊编辑部。

图2 教育部杜占元副部长等一行专程到清华大学医学院看望颜宁教授