金帆:搭建观察细菌行为的光学仪器,为认识生命建立方法论_合成生物

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金帆:搭建观察细菌行为的光学仪器,为认识生命建立方法论

发布时间 2020-10-19 16:36点击次数 126次

从高分子物理学跨界到合成生物学,从中国科学技术大学导师到中科院深圳先进院研究员,金帆一直抱着“好玩”的心态不断拓宽着自己的科研边际。如今加入深圳先进院合成生物学研究所,金帆期待利用自己的物理学背景为这支学科交叉融合的团队带来新的研究方法与技术平台,让各种天马行空的想法能够付诸实践。


“合成生物学是一个非常开放、多元的学科,我们课题组专注于方法学的建立,比如搭建各类光学仪器和数据分析系统,寻找新的方法去研究其它课题组的前沿问题。”金帆感到在这种融合碰撞中,新的灵感与思维突破在不断诞生。


△ 合成所研究员金帆


结缘合成生物学

不少被合成生物学所吸引的“跨界”科研人员,最早接触合成生物学都是通过麻省理工学院创办的国际遗传工程机器大赛(International Genetically Engineered Machine Competition),简称iGEM。金帆便是在中科大指导iGEM参赛学生队伍时与合成生物学结缘,“通过构建生物模式去理解生命”这一全新的观点吸引了他。


在金帆2018年发表于《文化纵横》的文章中,他对合成生物学的重要意义进行了诠释。“合成生物学的研究探索及其技术开发应用正在突飞猛进,不但将对人类面临的环境、资源、健康、安全等严重问题提供革命性的解决方案,也对人类认识和解释生命本质和探索生命活动规律具有重要意义。”


金帆认为,随着合成生物技术的日益普及,进入合成生物学领域的门槛逐渐降低,对于科研人员而言,如何运用这一技术变得更为重要。“如何拼装基因片段?如何设计生物?更重要的是,如何实现基因拼接、生物设计的模块化?理念(idea)变得愈发重要,它正在倒逼科学家们加深对生命的认识。”


在金帆眼里,合成生物学不只是个“纯理科”,而应将对生命的宏观哲学认知与之相结合、相印证。他例举了一项有趣的研究内容——“微生物中的社会学”。“如果把细菌看作一个人或社会单元,会在实验中发现一些很有意思的行为,比如合作、利他、攻击、分工等。”在这些行为背后的规律中,展现出了不同层次生命体系间的相似之处。


打造会思考的“眼睛”

从顶层的生命运行规律,到具体的细菌机制,再到研究方法的创建,金帆课题组均有涉及。他形容自己为“任性型”研究人员,喜欢不断挑战新的问题,始终保持对科研的新鲜感。而在每一领域积累的学科背景经验,又互相交叉融合诞生新的研究思路,例如将仪器搭建的经验用于合成生物学研究。


“生物学的研究依靠一个个小实验,再把碎片拼装成完整的‘故事’,而我们从物理学背景出发,更希望设计一些能够直接得到答案的实验,使得研究逻辑尽可能严密。”金帆说道。


如何直接得到答案?从改造科研仪器入手。例如,显微镜对于传统的生物学者来说,只是一个放大镜,让人们能够看见实验片段。而金帆团队搭建的光学平台,则更多是个定量表征的仪器。


据他介绍,通过自动化集成与软硬件的控制,透过显微镜看到的将不只是一张图像,而是上千万张;不只是微生物的形貌,而能得到具体的数据及分析结果。


以细菌观察为例,光学平台提供的数据中包含着高纬度的信息,除了基本的光学吸光度外,还能够直观了解到细菌的生长情况,蛋白表达情况,以及相互聚集或攻击等行为,呈现出一个动态过程的复杂记录,这为生物学研究者创造了更强大的定量工具。


△ 团队自主搭建的光学仪器和数据系统


让合成生物学走进青少年

从中科大到深圳先进院,金帆最直观的感受是深圳的“效率”,这也转变了他以往的研究思路。


“以前开发出原理性的方法都会开源,认为无条件分享后就够了,来到深圳后发现人人都在往产业化方向发展,”金帆说,“从推广技术的角度来说,现在反而发觉将技术进一步完善,做成产品后会吸引更多人来使用,这是我来院一年来的最大转变。”


在中国科学院深圳理工大学(筹)的学科规划中,合成生物学被列为了重点学科,对此金帆也感到十分期待。他表示,合成生物学涉及的学科领域非常广泛,需要储备大量青年人才,期望通过大学的建设吸引更多年轻人加入这个学科。


同时,他也表示合成生物学这一概念应该往高中、初中下沉,向更年轻的孩子们普及,长久而言对于该学科的发展具有重要意义。


△ 金帆团队成员