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【转载】《科学新闻》专访:谢晓亮的科学人生

时间:2011/10/13   放大字体 放小字体 打印

 

谢晓亮简介:
 
1962年出生于北京。1984年毕业于北京大学化学系。1990年获美国加州大学圣地亚哥分校化学博士学位。1990~1991年在美国芝加哥大学从事博士后研究。1992~1998年在美国太平洋西北国家实验室(PNNL)环境分子科学实验室工作。1999年受聘哈佛大学化学与化学生物学系正教授,2009年受聘哈佛Mallinckrodt讲席教授。2011年5月当选美国科学院院士。他还获选美国艺术与科学院院士、美国物理学会会士、美国科学促进会会士、美国生物物理学会会士和中国化学会荣誉会士。
 
作为室温下单分子荧光显微技术的开拓者之一,谢晓亮教授推动和带领了单分子研究在生物学中的应用。他是单分子酶学的奠基人,开创了活细胞中的单分子研究。他主导研制的以快速拉曼散射为主的高灵敏、无标记光学成像技术,为生物医学研究提供了全新的方法。
 
2009年,谢晓亮获得美国能源部颁发的欧内斯特·奥兰多·劳伦斯奖。颁奖词写道:“该奖是表彰谢晓亮教授在非线性拉曼显微学和高灵敏度分子振动成像领域的创新研究,在创立单分子生物物理化学领域中的科学领导地位,以及他在酶反应动力学和活细胞基因表达领域中的杰出工作。”
 

2010年11月,谢晓亮接受美国能源部颁发的2009年劳伦斯奖时,与美国能源部部长朱棣文在颁奖典礼上合影。

 
2010年12月21日BIOPIC 成立仪式庆祝会上谢晓亮与BIOPIC的年轻研究人员在一起:(从左至右)张韵、黄岩谊、谢晓亮、汤富酬、许鹏亮、孙育杰
 

2011年6月,BIOPIC召开首届国际学术评审会,BIOPIC的各位研究员与评审委员会合影留念。                                                                                      
 
前排左起:饶毅、Stephen Quake、David Bensimon、Tom Maniatis、庄小威、施一公;后排左起:孙育杰、赵新生、苏晓东、谢晓亮、黄岩谊、汤富酬
 
2011年5月3日,华裔物理化学家、哈佛大学讲席教授谢晓亮当选美国科学院院士。日前,他接受了《科学新闻》的专访,讲述了自己的科学人生。
 
回顾过去,谢晓亮说他的实验室主要有三方面的贡献:“第一是基础研究:在单分子水平上理解酶的动力学反应及定量描述细胞内基因表达和控制;第二是技术发明:DNA测序新方法和快速灵敏的无标记光学成像技术,在医学检测上有重要应用;第三是培养了人才:我的研究组已经培养了20多位博士生和50多位博士后,他们或者在美国大学当教授,或者投身高科技产业,其中有些人可能成为未来科学技术上的领军人物。”
 
从北京大学的本科生到留学美国的博士生;从美国国家实验室的高级研究员到哈佛大学的讲席教授;从回到北大兼职到当选美国科学院院士,谢晓亮百折不挠,一步步向科学高峰攀登,在不断追求中缔造出自己不平凡的人生。
 
在北京大学成长的岁月
 
1962年,谢晓亮出生在北京的一个书香之家,父亲谢有畅和母亲杨骏英均为北京大学化学系教授。从幼儿园、小学、中学到大学,他一路在北大的校园里长大。
 
谢晓亮说:“父母对我的影响是潜移默化的。他们为人正直,生活简朴,工作上精益求精。他们热爱科研和教学,我常常看到科研教学成果为他们带来的喜悦。他们从未给我请过家庭教师,而是鼓励我独立钻研问题。”
 
“我从小就喜欢科学,小学时最爱玩无线电收音机、遥控飞机、遥控轮船,还帮朋友修车。我动手能力比较强,所以后来做实验科学,仪器在我手里像玩具一样。上中学时,我已经有了当科学家的理想。”
 
1980年,谢晓亮考入北京大学化学系,大学四年,他成绩优秀,但不追求最高分。他的兴趣十分广泛,在读化学系同时,还花很多时间旁听了物理系和数学系的课程,如统计物理、量子力学、电磁学、统计学、概率统计、计算机编程等,虽然这些课程不记学分,但是可以拓展知识面,对谢晓亮后来的科研很有帮助。他还利用暑假到实验室做实验,学有机合成,又写计算机程序做化学计算。
 
在拓展知识面的同时,谢晓亮深入钻研科学问题。在修基础课的过程中,他经常探讨一些超出课堂知识的深奥问题,给自己出一些研究课题,一旦解决了,就非常高兴。他由此养成了深入思考问题的习惯,“后来从事科研后体会到,科研中最重要的是想到别人想不到的地方。”
 
大四的时候,谢晓亮跟随蔡生民教授做毕业论文。“他是一位电化学家,实验能力很强,我跟他学了很多如何研制仪器的本领,特别是电化学的高灵敏度测量。做毕业论文研究时,我写了一个计算机程序来控制一个电化学反应,这是我在实验室做研究的第一个小成果。”
 
1984年大学毕业时,他和大学同学、女朋友宋琳一起参加了CGP留美考试,这个项目当时每年在中国挑选50位杰出的化学专业学生到北美攻读研究生。“宋琳考上了,我没考上,因为当时对实验室的研究很感兴趣,没有花时间准备。”他开始联系自费留学,被美国几所大学录取,他选择了加州大学圣地亚哥分校。
 
在美国留学的日子
 
1985年夏,谢晓亮抵达美国,开始了在加州大学圣地亚哥分校的学习,他选择了从事超快激光研究化学动力学的约翰·西蒙(John Simon)教授做自己的导师。谢晓亮说,“在研究中西蒙给了我许多指导,也给了我很多自由。西蒙的实验能力非常强,当时激光还很难调,他手把手地教我搭激光器,我研究生时的大部分时间都是在实验室里调激光,调不出来时,我就去找西蒙,他往那一站几个小时,最后总能调出来。我向他学到了许多实验技巧。”
 
一天晚上,谢晓亮开夜车做一个西蒙建议的光分解的实验。第二天早晨8点,他将数据留在西蒙的办公室,回家睡了一会,中午12点回办公室时,西蒙高兴地说:“晓亮,这是你的第一篇论文。”
 
做出第一个成果后,他开始想自己找题目做。研究生第二年时,他给西蒙写了一个项目建议书,用快速圆二色性光谱检测生物大分子构象。西蒙非常支持,让他按自己的主意独立研究。经过努力快速圆二色性光谱成功了,成了他的博士论文题目,谢晓亮将它应用到生物物理的几个不同体系,也因此对生物学产生了越来越大的兴趣。
 
1989年博士毕业后,谢晓亮去芝加哥大学著名物理化学教授格雷厄姆·弗莱明(Graham Fleming)的实验室做博士后。临走前,西蒙告诫他不要继续做圆二色性,要学新东西。谢晓亮当时不理解,因为他非常喜爱自己发明的新技术。但现在回过头来看,他很感谢西蒙的好建议。到了芝加哥,弗莱明问他“你想做什么?”谢晓亮记住了西蒙的忠告,对弗莱明说:“我现在还没有成熟的想法,你能不能给我一个建议?”弗莱明建议他学荧光测量技术。他很快为弗莱明搭建了一个飞秒分辨率的荧光光谱测量装置,将它用于光合作用机理、电子转移和能量转移快速过程的研究。他说:“这对我后来做单分子研究很有帮助。”
 
在美国国家实验室起步
 
在弗莱明的实验室,谢晓亮的博士后工作还没有到期,一个机会就找到了他——美国太平洋西北国家实验室(PNNL)邀请他参加工作面试。
 
PNNL始建于1965年,主要服务于汉福德基地的应用研究,而汉德福基地正是第二次世界大战“曼哈顿工程”中生产出第一颗原子弹的核材料的地方,但是核材料的生产也污染了环境。20世纪80年代末冷战结束,美国联邦政府每年投入20亿美元用于环境治理,并于1986年耗资2.5亿美元在PNNL创建了环境分子科学实验室,希望从基础研究入手解决环境治理问题。1989年PNNL请来了耶鲁大学教授史蒂夫·科森(Steve Colson),负责实验化学物理项目,组建研究团队。科森找到了约翰·西蒙,西蒙推荐了谢晓亮。
 
当时激光领域有一个很大的突破——钛宝石激光技术面世了,谢晓亮马上建议弗莱明试用这个技术,结果在租来的新激光装置上,谢晓亮很快做完了所有想做的实验,包括以后想要在PNNL做的实验。他开始思考新的研究方向。
 
在PNNL面试前的两个星期,谢晓亮在《科学》上读到了贝尔实验室埃里克·白兹格(Eric Betzig)一篇近场光学显微镜的论文。“我当时在研究做光合作用,很希望有一个空间分辨率比较高的成像办法能够看到生物膜中光合作用蛋白的分布。看到这篇论文后特别兴奋。”谢晓亮还知道,美国和法国化学家分别在1989年和1990年做出了低温单分子实验;1990年美国化学家在溶液里用激光检测到了单个分子的荧光,但没有成像。
 
在这种背景下,谢晓亮开始想怎么才能在室温下做单分子成像,因为只有在室温下的单分子实验才可以用于生物学研究。这成为他在PNNL面试时提出的新方向。但是单分子研究原来并不是PNNL的方向,而且面试委员会的科学家们大都怀疑这个技术能否突破。
 
PNNL副主任道格拉斯·雷是当年面试委员会的成员之一,他说:“晓亮提出要做室温下单分子光谱成像技术,这在当时是一个难以置信的大胆想法。但他如此优秀,又受过很好的训练,他让我们相信,如果有人能做出这个技术,那么这个人就应该是他。因此科森决定聘请他。科森选拔人才的观点是,寻找最好的人才,帮助他们建立团队,给他们最好的支持,放手让他们干。”
 
PNNL最终向谢晓亮发出了加盟邀请。谢晓亮成为自PNNL1965年成立以来的第一位来自中国的科学家。
 
1992年初,谢晓亮和妻子宋琳来到了PNNL所在地、华盛顿州东南部的沙漠小镇里奇兰德。
 
科森用充足的研究经费支持他,告诉他在研究超快光谱的同时,可以在业余时间做单分子研究。终于可以做单分子研究了,谢晓亮非常兴奋,开始寻找博士后。
 
他想到了自己在西蒙研究组时的师弟鲍勃·邓恩(Bob Dunn)。“研究生时我曾教过邓恩搭激光,他的实验能力很强。”然而,邓恩当时已经获得名校的博士后职位。谢晓亮努力说服邓恩加盟,邓恩终于成为他的第一个博士后,于1992年夏来到了里奇兰德。
 
他们开始用的是贝尔实验室发展的近场光学成像技术在室温下观察单个分子。在最初一年多的时间里,他和邓恩没日没夜地做实验,没想到还是被贝尔实验室抢了先。“1993年10月,在加拿大温哥华的一次会议上,埃里克·白兹格宣布单分子成像获得成功。当时我在听众席上,觉得很遗憾。我走出会议厅,打了两个电话,第一个安慰邓恩,第二个向科森报告。”
 
科森在电话那头说:“没关系!这只不过是一个技术,很快会有更好的技术。最重要的是你用这个新技术解决什么科学问题。”
 
“这不单是安慰,也是我科研生涯中得到的最重要的建议之一。从这以后,我们一直将发明新技术和解决重大科学问题结合起来。”在贝尔实验室的论文发表几个月后,他和邓恩的论文发表在《科学》杂志上,这项工作首次用荧光观察到单分子在室温下的动态过程,此论文后来为邓恩赢得了一个教授职位。
 
正如科森所料,近场光学成像很快就被更先进的远场光学成像所取代。1998年,谢晓亮和博士后路洪通过远场荧光实时观测到单个酶分子的随机生物化学反应。这项工作为单分子酶学领域的发展做出了奠基性贡献,并成为单分子DNA测序技术的基础。路洪也因此成了一位大学教授。
 
在做单分子实验的同时,谢晓亮也努力做PNNL原定的研究方向,搭建超快激光研究分子的振动光谱学,但没有获得成功。在PNNL同事的帮助下,他改用这台超快激光器做非线性光学实验,1999年获得新突破,开发出相干反斯托克斯拉曼显微成像技术(CARS),相关论文发表在《物理评论快报》(PRL)上。这又是一项重大的创新性成就:基于分子本身的振动频率,在无标记的情况下高清晰度的成像分子图像。一个崭新的领域被打开了。
 
因为在PNNL的杰出成就,美国多所大学向谢晓亮发出加盟邀请,他最终选择了哈佛大学。“我喜欢PNNL,没有想过用它做垫脚石。但我觉得到哈佛可以更好地开展生物医学研究。我很幸运能在PNNL开始我的职业生涯。如果我是在大学里开始,开始时经费不足,我可能不会去做那么难的工作,也许就不会有我的今天”。
 
在哈佛大学的新挑战
 
1999年,谢晓亮夫妇带着3岁的儿子来到哈佛大学。36岁的他成为自改革开放以来第一位获得哈佛大学终身正教授职位的大陆学者。
 
谢晓亮很快喜欢上哈佛的新环境:“这里的条件很好,哈佛给了我大量经费和很大的实验室。哈佛拥有来自世界各地的优秀研究生和博士后。我喜欢与学生交流。我觉得教学对科研很有帮助。 做出突破性研究需要回到基础问题上。”
 
初到哈佛,“最大的担心是没有足够的经费做研究。”第一年谢晓亮一口气写了6个申请书,全部获得资助。他说:“美国学术系统最大的优点是,有能力的年轻人能够获得很大支持。我只需在申请报告里说我是初次申请经费,审评人都很同情。”
 
谢晓亮在哈佛的新挑战是如何用单分子技术去解决生物学中的重要问题。他相信单分子实验是研究生物学基本过程基因表达的关键。他一方面开始招具有生物学背景的博士后,一方面和自己的学生们一起旁听分子生物学的课程。
 
到哈佛的第一年,谢晓亮的同卵双胞胎女儿出生了。女儿们的成长更让他痴迷于生命之谜:“她们有着相同的遗传基因,却有完全不同的性格!这是基因表达的随机性吗?”他想,能否用单分子方法实时看到活细胞中基因的表达,进而拍出功能大分子如DNA、转录酶等在细胞中活动的电影?
 
博士后肖杰的到来助了他一臂之力。肖杰当时刚从美国赖斯大学获得分子生物学博士学位,申请了谢晓亮的博士后职位。在她之前,好几位有分子生物学背景的博士后候选人都被谢晓亮的激光和显微镜吓跑了。肖杰则不怕,2002年她来到哈佛后,先后教会了小组其他成员分子生物学技术,并与博士后俞季合作攻关。另一位刚入学的博士生蔡龙(Long Cai)初生牛犊不怕虎,成为基因表达项目组的第一位研究生,事实上,用单分子方法实时观测活细胞中基因的表达最终成为他的毕业论文。
 
2004年,作为9位入选者之一,谢晓亮获得了美国国立卫生研究院(NIH)的先锋奖,在之后五年中每年获得50万美元的自由支配经费。基因表达项目有了足够的资金。 谢晓亮说:“先锋奖给了我珍贵的机会做我最大胆的探索研究,对我的学生们而言,这也是一次宝贵的经历。做意义大、风险高的研究很不容易,但只要成功一次,就容易再获成功,成功得越多越有瘾。”
 
“基因表达的实验开始时遇到了很多困难,做了三年都没有结果,但我们认为这个方向意义重大,要坚持做。”2006年,他们同时在《自然》和《科学》杂志上发表论文,报告在单分子水平上看到了单细胞中蛋白质的诞生,这项成果使得量化描述基因表达成为可能。这之后,谢晓亮实验室又做出了一系列新的重要成果,高风险再一次获得了高回报。
 
如今,肖杰是约翰斯·霍普金斯大学生物物理和生物物理化学系助理教授,蔡龙是加州理工学院化学系的助理教授,俞季则是康涅狄格大学健康中心的助理教授。
 
虽然荧光标记成像在生物学研究中发挥了重要作用,但有许多小分子、特别是用作药物的小分子比荧光分子还小,不适合用荧光标记,而且荧光标记可能会改变分子的性质。谢晓亮想在无荧光标记的情况下增加拉曼光谱的灵敏度,甚至来检测单分子。
 
但是这个项目实在太难了,谢晓亮几乎无法说服学生们来尝试。最终来自北京大学化学系的博士生闵玮接受了挑战。这个项目启动时,正好是谢晓亮在哈佛大学的第一个学术休假年,他没有去别的地方,回到自己的实验室和大家一起攻关。
 
闵玮与一位德国的研究生Chris Freudiger终于取得了突破。他们通过探测受激拉曼散射信号获得了无需荧光标记的生物医学显微图像;通过受激发射光谱,闵玮和同事们又看到了拥有不可探测荧光发色团的生物分子图成像;他们还检测到了室温下单分子灵敏度的光谱吸收。这些工作成果分别发表在2008年的《科学》、2009年的《自然》和2010年的《物理化学通讯》上。受激拉曼散射显微成像技术成为超越传统拉曼散射及PNNL的相干反斯托克斯拉曼显微成像的新兴技术,很快被世界上多个小组应用于生物医学研究。据介绍,受激拉曼散射显微镜将很快进入市场,可望在医院里用于临床检测。
 
2009年,谢晓亮受聘哈佛大学Mallinckrodt讲席教授,闵玮则成为哥伦比亚大学化学系助理教授。谢晓亮说:“与优秀的学生和博士后在一起工作是极大的享受,与他们携手攻克科学难题是一种莫大的乐趣。他们开始时可能需要我的一点帮助,但他们经过努力都能做出出色的成果。他们中许多人已经得到和我差不多的职位,有希望成为所在领域新一代的领军人物。”
 
“BIOPIC:年轻人的好机会”
 
出国二十多年来,谢晓亮一直心系祖国,不仅亲自培养了许多来自中国的博士和博士后,还经常回国为国内的学术发展和学科建设献计献策。他多年来一直与北京大学合作, 希望促进国内单分子领域的发展。
 
2001年,谢晓亮受聘北大化学学院客座教授;2009年,北大生命科学学院特聘谢晓亮为长江讲座教授。2009年 12 月,谢晓亮在北京呆了一个月,访问了北京生命科学研究所的王晓东教授和清华生命科学学院的施一公教授,发现有些归国的年轻科学家在几年内就能做出国际领先的工作。谢晓亮想起二十多年前他初到美国时,加州大学伯克利分校教授、世界著名的物理化学家伽伯·索莫杰(Gabor A. Somorja)曾经对他说过的一番话:“年轻人,欢迎来美国!这里有许多机会,如果你努力工作、做得好,就会有很好的机会;如果你做得更好,你会有更好的机会。”谢晓亮觉得这番话现在在中国也有了现实基础,非常受鼓舞。
 
在那一个月里,谢晓亮与北大生科院饶毅院长和苏晓东教授开始着手组建生物动态光学成像中心(BIOPIC),得到了北大校方的大力支持。在短短一年内,各项准备工作就绪,2010年12月,BIOPIC 正式宣布成立,由谢晓亮主持中心工作。
 
“生物学新的发展趋势是从定性的科学转变为定量科学,从数据不足的科学转变为数据丰富的科学。生物学的进展会越来越依靠新的物理手段。BIOPIC要发展和利用最新的生物光学成像和DNA测序技术,通过跨学科研究来促进生命科学的发展。具体来讲我们要发展的技术是活体内单分子检测、超高分辨率成像、无标记光学成像和新一代DNA测序技术。”谢晓亮在名家云集的成立仪式上这样宣布。
 
据了解,BIOPIC 目前已经拥有五个研究组,其中两个由年轻的研究员领导,他们是黄岩谊博士和汤富酬博士。黄岩谊本科毕业于北大,四年前从斯坦福大学回到北大,是微流控和光学成像技术领域的专家;汤富酬本科也毕业于北大,去年从剑桥大学回到北大,是干细胞和基因组学领域的专家。“这样的年轻骨干是我们中心未来的希望,我们希望有更多的年轻人加盟。”谢晓亮说。
 
仅2011年上半年,谢晓亮已经7次回国。7月底他将再次回到北京,主持第八届相干拉曼散射显微学研讨会。这是他在哈佛创建的学术会议,每年一次,已经在哈佛大学成功举办过七届,在该领域享有盛誉。今年是该研讨会首次在哈佛之外举行。谢晓亮希望北大能够成功移植该研讨会。
 
不断创新 服务社会
 
2011年7月,《自然―方法学》在线发表了谢晓亮哈佛实验室的最新成就——快速、灵敏的高通量DNA荧光测序技术。
 
今年是人类基因组测序项目完成十周年,在过去十年里,测序价格的降低和测序速度的提高均快于半导体工业中的摩尔定律,但是完成一个人的全基因库测序仍然需要耗费数千美元,相当昂贵。“我们的技术可以进一步降低成本,提高速度。满足个性化医疗的需要。”谢晓亮说。
 
这个项目的主要完成人Peter Sims 是谢晓亮另一位知难而上的博士生,最近他也来到BIOPIC,帮助BIOPIC复制了一台在哈佛实验室的测序仪。“美国已经有很多测序技术和测序仪公司,而中国缺少拥有自己技术的公司。我们正在考虑在中国把这一技术产业化。作为一位科学家,我最大的愿望就是可以为社会做出贡献。”
 
最近谢晓亮哈佛研究组的另外两位成员宗诚航和路思嘉在单细胞基因组放大上又有所突破,大大提高了单个细胞的基因组测量的可行性。这一技术可广泛应用于医学研究比如癌症研究,因为个体癌组织内的各个细胞会有不同的基因组。路思嘉最近也来到BIOPIC开展合作。
 
在哈佛和北大之间来回奔波,动力何在?“一方面是我愿意为国家和北大做一些事情,另一方面,我也发现面国内有越来越多的研究机会。比如我昨天还与岩谊和富酬讨论问题,产生了新的想法。”谢晓亮说。
 
因为工作繁忙,谢晓亮常不在家。他非常感谢妻子宋琳对自己的支持,“我和孩子们的感情很好,虽然我们在一起的时间不多,但我出差时常带他们去旅游和滑雪。我希望给他们创造良好的条件,对他们有积极的影响。我的长子Kevin在上中学,他也对科学感兴趣。”
 
谢晓亮说:“我热爱哈佛的工作,也喜欢为北大服务,生活虽然忙碌但很充实,因为科学研究是我的嗜好,不断创新是我的追求,造福人类是我的愿望。”
 
(来源:科学时报社王丹红,原文链接 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2011/8/250485-1.shtm