首页 >> 烛光闪耀 >> [学者笔谈]林双君:我与天然产物生物合成研究[图]

■ 本科生的研究计划对他们来说非常有意义,因为他们可以通过这个过程去了解研究方向和自己的研究兴趣,有利于做出合适的决定。 

■ 在科学研究中思考与实验是同等重要的,如果只是一味地做实验,而不去思考,那么实验就缺乏方向性和有效性;如果只是思考而不通过实验去验证,那么就成了纸上谈兵,思考所得结论也就缺乏实效性,必须是二者的有机结合才会结出成功的果实。 

■ 面对生物技术的快速发展、新技术的不断出现,我们要不断地更新思维,瞄准领域前沿,使我们的研究向前稳步推进,并有所突破,实现天然产物的人工再生过程,为我国新药研究与开发做出自己的贡献。

 

我们每一位研究生在攻读研究生之前都会对自己将来要从事的研究专业或研究方向进行一次选择,或者在进入研究生阶段要对自己从事的研究方向进行细致的思考,如何可以顺利地完成学业及规划自己的未来。在这个过程中,一些人可以轻松地做出选择或者决定,而对一些人来说则非常关键,这将关系到他们的未来前途。我希望能借助“学者笔谈”把我的经历与我们的本科生和研究生来一起分享,给正处于该阶段的同学们提供一点参考或借鉴。

  天然产物是由活体生物包括植物、微生物、动物及海洋生物产生的具有一定生物功能的化合物。它是由生物体的次级代谢过程所产生,因此属于次级代谢范畴。天然产物产生于自然,其化学结构和功能在长期的进化过程中得以选择和优化,所具有的独特结构单元赋予了许多天然产物与特定靶点专一性结合的能力并表现出良好的生物活性,使之可以作为药物直接用于疾病的治疗,因此天然产物在医药及农药研究与开发中占据着重要地位,并为人们所熟悉和重视。

 

   勇敢地面对每次选择

  

  天然产物这个名词及所体现的意义,直到我真正地接触它,才有第一次真切的体会。记得大学毕业前,很多同学都在为自己的将来做着选择,有的选择到企业去工作,有的选择报考研究生继续深造。我也是其中的一员,选择攻读研究生。坦白地讲,当时的我还是懵懵懂懂,与现在的本科生完全不同,他们在本科期间利用学习之余就参与各种课题研究如PRP、大学生创新计划等等。对于进入交大任教时间不长的我来说,真实地感受到这些本科生的研究计划对他们来说非常有意义,因为他们可以通过这个过程去了解研究方向和自己的研究兴趣,有利于做出合适的决定。尽管那时的我对具体的科学研究还不熟悉,但是我对药物合成化学有着特殊的兴趣,因此选择了我国著名的医药研究单位作为我研究历程的第一站。做出决定只是走向成功的第一步,接下来就是如何去实践自己的选择。经过一番努力,我终于如愿考取了中国科学院上海药物研究所,但也有一点遗憾,我被分配到天然产物研究方向。这是我第一次直接接触天然产物,我国早期的天然产物研究主要集中于植物天然产物,这可能与我国的中医药有关。尽管没有从事自己所向往的研究方向,但是我没有气馁,而是勇敢地去面对。“当一个人‘干一行,爱一行’时,才会发挥出他自己最大的效率,而且也能更容易获得成功,因此我尝试着喜欢它”。“兴趣是科学研究的源动力”,于是我开始通过阅读文献去有意识地培养自己对天然产物研究的兴趣,渐渐地体会到天然产物在我们的日常生活中是如此关键,如目前大约50%以上的药物直接或间接来源于天然产物,而抗肿瘤和抗菌药物所占比例高达60%以上,此外天然产物还可以用作农用抗生素、化妆品添加剂、香料及食品防腐剂等。有了这些初步的认识,使我对课题研究有了动力。天然产物化学是化学、生物学、药学和医学等多学科的交叉学科。首先化学方面的研究是其他研究的前提和基础,即研究天然存在的化合物的结构和理化性质等。从表面上讲天然产物的分离纯化过程显得有些枯燥,其实它充满乐趣和挑战。因为每个化合物都有自己独特的性质,因此天然产物的分离纯化是技术、细心观察与分析及勤奋相结合的产物。记得每次获得一个纯化合物,或者采用新分离方法获得化合物都很兴奋,而每次把新获得的化合物送去进行核磁共振实验时,都会无比期待,期待着每份努力都能给出一份收获,期待着奇迹的出现。可见,天然产物研究同样有乐趣,充满悬念和挑战。

 

   实时调整研究方向和重点

  

    天然产物是生物体在次级代谢过程所产生的,通常是利用初级代谢形成的小分子羧酸或氨基酸为原料,经过一系列酶催化的级联反应后形成的。其奥秘在于在自然界中都存在着哪些酶催化的反应,而这些反应又是如何协同工作,最终合成了结构复杂的天然产物。这个科学命题最初出现于我的脑海是我正在冥思苦想解析四个新型生物碱化合物化学结构的时候,当时没有文献报道所采用的原料产生生物碱,然而所有的分析数据都表明该类化合物属于吡啶类生物碱。通过大量检索文献,明确了该类天然产物是通过一类糖苷水解酶催化形成前体化合物,而这些前体化合物再经缩合酶催化即可形成我们的目标化合物,这正与我们的发现相符。科学研究中往往会遇到前人未发现的事物或者理论,我们科研工作者在面对这样一个既是挑战又是机遇的问题时,应多发挥自己的能动性,为这些挑战找到解决方案。这一问题的解决为我明确了新的奋斗方向,即结构复杂的天然产物如何合成?对于一个化学专业且对生物学知之甚少的我来说,这无疑又是一个挑战。为了保证能够顺利地完成这个转变,我采取了渐进的方式,首先选择与化学更接近的酶催化有机不对称合成作为下一阶段的研究方向,初步地了解酶,这种特殊的催化剂催化化学反应的本质和过程。然后过渡到酶催化反应的机制,即构成酶蛋白的氨基酸在催化过程中的作用及酶催化反应的动力学在揭示催化机制方面的作用。在掌握了酶学的基础知识和酶学研究的基本操作技能之后,我开始了天然产物生物合成研究的探索。

  天然产物生物合成研究大体上分为三个阶段:第一阶段主要是在20世纪初到50年代之间,主要是根据化合物的结构特点结合化学性质提出生源假说;第二个阶段是在20世纪的50年代至80年代,主要是通过同位素标记前体化合物的喂养实验来推测可能的生物合成途径;第三个阶段主要是20世纪80年代之后,生物学技术的进步,尤其是天然产物产生体系的分子遗传学研究的深入和相关方法学的建立,促进了生物合成研究的飞跃发展,使之逐渐成为一个相对独立、以生物学技术解决生物体内化学问题的交叉研究领域。从天然产物生物合成研究的发展历程,及目前的研究热点,我们可以看出天然产物生物合成研究是以分子遗传学和生物化学为基础,结合了有机化学和天然产物化学的一个高度交叉的研究领域。

  在科学研究中,特别是开始一个新的研究领域往往会遇到一些困难,甚至是挫折或失败。而失败往往与成功只有一步之遥,如果在挫折或失败面前踌躇不前或是放弃,那么你将永远无法体会成功的快乐。在挫折或失败面前只要勇敢地、理性地坚持下去,那么你就朝着成功迈出了坚实的一步。所谓理性地坚持是指面对失败或挫折,在坚持的基础上要对失败或挫折进行合理的分析,进而采取正确的解决方案。在科学研究中思考与实验是同等重要的,如果只是一味地做实验,而不去思考,那么实验就缺乏方向性和有效性;如果只是思考而不通过实验去验证,那么就成了纸上谈兵,思考所得结论也就缺乏实效性,必须是二者的有机结合才会结出成功的果实。

  

    理性思考与大胆坚持

  

    在我从事天然产物生物合成研究的初期对此体会颇深。因为缺乏相应的研究经验,所以工作中遇到了不小的困难。当时我选择的研究课题是一个结构非常复杂的天然产物中一个结构单元的生物合成机制研究。这个结构单元是由六个酶蛋白催化合成的,其中三步酶催化反应的底物是一个载体蛋白连接的小分子,这些都是后来被证实的结果。在我们设计的第一步反应就遇到了难题,尽管我们已经验证了酶蛋白及辅因子和辅酶都处于正常工作状态,同时我们也验证了小分子正确地连接在载体蛋白上,但是我们就是没有发现底物的减少和产物的产生。这使我们陷入困惑状态,是坚持下去?还是放弃而选择别的课题?经过反复考虑:首先我们对这个课题已经有了较好的了解,如果深入细致地分析问题出现的原因,找到解决方案还是有可能的;其次如果我们开始新的课题,也不能保证没有新的问题出现,那么同样要面对。基于这些考虑,我们选择坚持下去,并经过对每一个步骤进行详细分析,我们觉得既然底物是一个载体蛋白连接的小分子,那么酶蛋白与这个载体蛋白之间就应该存在某种程度的相互作用,如果这个载体蛋白不是最优的,那么这种作用力就会被破坏。基于这样的考虑,我们对这个载体蛋白进行了优化,果真我们的分析和采取的策略是正确的,最终后来的系列研究证实了我们的结论。这个过程让我养成了一个非常好的习惯,在每天的实验过后都要静静地把一天的实验进行梳理和分析,分析这些结果的合理性或者不足之处,然后设计第二天实验工作和具体研究方案,甚至做到每一个微小的细节。这个研究习惯让我受益匪浅,明显地提高了工作效率,也真正体会到了思与行之间的辩证关系。

  2009年初我加入生命科学技术学院开始了研究生涯。对于每一个新的课题组来说确定研究方向是最关键的,既要有一定的基础,又要有突破,否则我们就无法实现科研创新。基于自身的研究经历及考虑到生命学院丰富的微生物资源,我确定了课题组的研究领域:一是关于微生物来源,具有显著生理活性的天然产物的发现及新药研究与开发;二是微生物天然产物的生物合成研究,这是我们的研究主体,在基础研究方面探索自然环境中存在着可能的生物催化反应类型和挖掘催化反应机制,在应用研究方面探索对目前的天然药物的结构改造和高产优化;三是酶催化反应的机理及在药物中间体合成中的应用。在这三个研究方向上可以给予研究生全方位的学习和锻炼。微生物天然产物研究涉及多学科、多领域的基础知识和研究手段的结合,包括微生物学、天然产物化学、有机化学、分子生物学和生物化学。针对学院研究生基本为生物学背景,因此在研究中要耐心地传授天然产物研究的知识和技术。对于实验科学来说,新的发现往往来自于实验,也就是研究主体——研究生或一线工作人员,因此在指导研究生的研究过程中注重培养研究生独立思考能力及解决问题的能力,力求充分发挥研究生的主观能动性。

  以现代生物技术为基础的天然产物生物合成研究自上世纪80年代Hopwood先生克隆放线紫红素的生物合成基因簇,确立了天然产物的结构与合成基因之间的联系至今,已经近30年。在这期间,大约有300个天然产物的生物合成基因簇被克隆,有些已经精确地解析了生物合成途径。随着高通量测序技术的发展,基因簇的确定也由以往的特定探针来筛选,过渡到基因组时代。生物合成途径的解析由过去的体内基因敲除和互补,考察突变株的生产情况过渡到体外生物化学表征及全合成过程,并进一步发展到利用各种生物元件在异源宿主中重新构建生物合成途径来生产天然产物——即合成生物学阶段,面对生物技术的快速发展、新技术的不断出现,我们要不断地更新思维,瞄准领域前沿,使我们的研究向前稳步推进,并有所突破,实现天然产物的人工再生过程,为我国新药研究与开发做出自己的贡献。

  

    学者小传

  

    林双君,上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室研究员,理学博士。2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。

  林双君1996年毕业于吉林大学化学系,获得理学学士学位;1999年于中国科学院上海药物研究所获得有机化学硕士学位;2002年毕业于中国科学院化学研究所获有机化学专业的博士学位。2002-2008年,先后在加拿大埃尔伯塔大学化学系和美国威斯康星大学药学院进行博士后研究,从事酶学和天然产物生物合成研究。2009加入生命科学技术学院。

  迄今为止,林双君研究员发表SCI研究论文40余篇,其中多篇发表于PNASJACSJBC等国际主流期刊上。目前承担多项国家自然科学基金委、教育部重大科学研究项目、科技部“973”项目等科研项目。曾担任2009年第15届国际放线菌生物学大会“Student Forum”中方主席,2012年第15届韩国国际生物技术研讨会“Microbial Natural Product Engineering”主席并作邀请报告。在2010年第四届全国微生物学青年学者学术研讨会、2011年全国微生物学大会、2012年第8届中美化学教授会议、中国工业生物技术发展高峰论坛等学术会议作学术报告。

 
 
 
 

[作者]: 林双君