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青春榜样郭玉婷:科研就是要去探索无人知晓之地文山谦高洪有限公司

  • 创建时间: 2019-06-06
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编者按:

  体细胞克隆猴、人造单染色体真核细胞、DNA纳米机器人、宇宙射线能谱、马约拉纳费米子、水稻新品种、病毒实验室……这些不明觉厉的科学名词,均出自“2018年度中国科学十大进展”和“2018年度中国科技十大进展”榜单。在两个“十大”榜单中,9项科研进展,11次上榜,它们凝结着国科大师生的智慧与汗水。

  有多少“争分夺秒”的付出,就有多少“令人激动”的收获;有多少“竭尽全力”的拼搏,就有多少“值得自豪”的产出;有多少“持之以恒”的坚持,就有多少“柳暗花明”的惊喜……这些科研突破,聚焦前沿科学问题和难题,关注粮食、重疾等民生热点,挑战人类认知和视界极限,展现了中国科学家对世界科学发展的贡献。今日,国科大新闻网推出系列报道之科研成果背后的故事,让我们一同了解在国科大2016级细胞生物学博士生郭玉婷眼里,与超高分辨率显微镜为伴的科研日常究竟什么样?

  眼睛、显微镜,都可以用来看世界。只不过,不是每个人都有机会看到一台超高分辨率显微镜下有多么奇妙的世界,你也不一定见过,正在观察这个显微现象的目镜后又有双怎样的眼睛……

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郭玉婷使用超分辨显微镜进行活细胞样品采集

  郭玉婷,中国科学院大学2016级细胞生物学博士生,有双明亮的眼睛,谈起自己的科研工作,她眼中闪着光。这项值得她为之闪“光”的开创性工作——可探测细胞内结构相互作用的纳米和毫秒尺度成像技术,登上了“2018年中国十大科学进展”榜单,而她也作为该项成果的重要贡献者,收获了人生中的第一篇发表在顶级学术期刊《Cell》上的共同第一作者研究论文。这是一项由中国科学院生物物理所研究员、中国科学院大学博士生导师李栋课题组和霍华德休斯医学研究所Eric Betzig博士、Jennifer Lippincott-Schwartz博士合作开展的科学研究。科研人员通过掠入射结构光照明显微镜(GI-SIM)技术,挑战超分辨观测极限,捕捉和再现了活细胞内细胞器的运动方式和轨迹,揭示了多种细胞器间相互作用的新行为,为探索细胞内微观世界变化提供了新的视野。

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郭玉婷与导师讨论课题

  一个人有多少细胞?答案是约40万亿—60万亿个。一个细胞是一个世界,细胞中线粒体、内质网、溶酶体等“细胞器”们都在“纳米”“毫秒”的微观尺度下呼吸运动,完成着我们不曾觉察的能量和物质交换……郭玉婷很荣幸,可以看到活细胞内线粒体与内质网的“相爱相杀”,可以看到运动状态的溶酶体能引起管状内质网的瞬时断裂,可以看到哺乳动物细胞中不同种细胞器间的“搭便车”(Hitchhiking)现象……她能看到这一切,不仅因为她有一双明亮的、对未知领域充满探索欲的眼睛,还因为她有一个给力的“大家伙”——超高分辨率显微镜。

  这可不是一台普通的显微镜,它是由几十种不同的光镜组成,且每个光镜的摆放的位置、角度都很有“讲究”。完成它的搭建足足花了一年功夫,而这一年有个人功不可没——这篇《cell》的另一位共一作者李迪。他2016年来到中国科学院生物物理研究所,成为李栋老师课题组的助理研究员。在李栋的指导下,这台通过掠入射结构光超分辨成像技术(GI-SIM)搭建的结构光超高分辨率显微镜,在李迪手中历经“百转千回”的反复调试,终于为观测细胞内生理过程打开了一扇窗。这扇窗可以在不破坏细胞内环境的情况下,对活细胞内部高度动态而又有组织的相互作用进行长时程、高时空分辨、低背景噪声的成像,展现出一个从未如此清晰可见的微观世界。这台GI-SIM显微镜,相比如今生命科学研究领域常见的共聚焦类显微镜,它有2倍更高的空间分辨率以及10倍更快的成像速度;而与其它超分辨成像技术相比,在细胞尺寸的视场范围内,GI-SIM具有10倍更快的成像速度,以及10-100倍更长的成像时程。没错,郭玉婷就是在这台“大家伙”的帮助下,看到了动起来的细胞器。

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郭玉婷与课题组成员合影

  怎么养细胞?怎么让不同的细胞器能够更直观地被人眼观察?郭玉婷起初并不清楚,只能自己一点点摸索。对她来说,每天除了吃饭睡觉,基本上就是实验。

  虽然看上去身材娇小,郭玉婷身上却有股韧劲儿。在国科大读研的第二年,郭玉婷开始进入中国科学院生物物理研究所。在这里的前半年,她可以说主要就做了一个实验——为小鼠的心脏主动脉做结扎手术。小鼠的心脏只有半个小拇指般大,心脏主动脉找起来都费劲,更别说进行结扎、再缝合。有时小鼠在被打开胸腔后不到三分钟就会死了,有时下手重了小鼠漏血而亡,有时下手轻了又完成不了手术……总之,郭玉婷很“崩溃”,经常一边哭着,一边练习。

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郭玉婷

  半年过去,郭玉婷也说不清究竟什么原因,小鼠的心脏主动脉结扎手术就成功了,这一次,郭玉婷又哭了,是激动的哭,当时整个实验室能听到她喊,“我成功了,我也做成功了。”嗯,好在她没放弃。

  这股韧劲儿也延续到了这次科研攻关中来。哪怕经历了无数个毫无头绪的夜晚,郭玉婷也从来没想过要放弃。显微镜搭建成功后,郭玉婷就开始将自己构建的近400个质粒DNA逐个导入到细胞中进行成像。因为不同荧光蛋白可发出不同波长的光,使用不同荧光蛋白标记不同的细胞器的话,他们之间交流、运动便容易在镜头下被捕捉到。

  郭玉婷一般早上9:00前就坐在了显微镜前,开始观察细胞中内质网、线粒体、溶酶体等各个细胞器之间的新现象。她一张张地拍照,通常一拍就到深夜。在郭玉婷的办公桌下,有一个内存量有13T的“硬盘柜”,里面是她一年多以来收集到的图像。

  收集不易,观测更不易。郭玉婷需要把一张张照片通过软件叠加成一个动态的图像,并把不同的细胞器加上不同的伪色,有的看起来像绚烂的星云,有的像朵花,有的有说不出的震撼……有时对着一段不到10秒的图像,她会反反复复看十来遍,无数段的图像她更是一看就是一整天。但她觉得自己一点也不累,在她眼中,“细胞很好看,很神奇,在小小的细胞里,细胞器会有条不紊地各做各的事,从来不会乱。”

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郭玉婷在生化实验室构建质粒

  有人看山便是山,看细胞就是细胞,看线粒体还是线粒体。但郭玉婷从中看出很多新的“门道”。比如先前几十年以来,科学家普遍认为内质网只有两种延伸方式,但郭玉婷却观测到内质网的另外三种延伸方式,包括微管解聚端牵引延伸、搭便车延伸和非依赖微管的延伸。郭玉婷说,自己能观察到新现象一方面是要不断去查相关资料去学习已有的知识,“有了积累,就更有可能发现些新的现象”,另一方面她觉得也是运气好。但若不能蹲守至深夜,谁又能有幸一睹乍放的昙花?

  郭玉婷也喜欢花花草草,她喜欢“一切美好的事物”。有时觉得累了,郭玉婷会给自己养的植物浇浇水,周末也会去逛逛街或在家收拾下家务、做大餐,让自己调整好状态再出发。在这一点上,她也很感谢自己的导师李栋,可以让自己根据自己的节奏去进行实验,“累了,他会让你去休息休息,不会说继续给你施压。卡住了,导师肯定是第一个跳出来指导你的”。郭玉婷说,有时一个图像中只呈现一秒的小箭头、一张PPT上的字体,导师都会特别细致地纠正、指导。

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郭玉婷

  就这样两年时间过去,郭玉婷通过GI-SIM显微镜发现了多种细胞器互作新行为,“这是生物学和物理学的完美交融,这些微观现象或许会为探究人类生命的奥秘打开一扇窗,我相信这只是个好的开始。”郭玉婷说。

  即将毕业的郭玉婷会继续留在中国科学院生物物理研究所探究细胞中的奥秘。在她看来,科研就是要不断去探索那无人知晓之地,要经常和国内外同行交流,或许会更容易有新的发现、新的突破口。同时,郭玉婷认为,做科研虽然压力很大,但要保持一种轻松的心态,“心情放轻松负担才会少一些,思维也才会更活跃。” 

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