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樊春海院士:倘徉于學科交叉的“界面”
發布:Iron_MAN10   時間:2019/11/29 8:07:37   閱讀:135 
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11月22日,2019年中科院新增當選院士名單公布。上海交通大學化學化工學院王寬誠講席教授樊春海榜上有名,當選為中國科學院院士。

“界面”,是物質相與相的分界面。兩相交界處是物質傳輸、能量交換和信號轉化的場所。樊春海往往喜歡從界面入手尋找科學問題??蒲系男呂礪?、新發明的產生,新的工程技術的出現,經常是在學科的邊緣或交叉點上。在他看來,“界面”就是“交叉”,學科交叉就是學科的“界面”。

初露鋒芒展頭角,“學科交叉”乃初心

1992年,準備參加高考的樊春海報考了南京大學生物化學系。“當時選擇生物化學很盲目,一點也不了解。但是隱約感覺生物化學既有生物,又有化學,這個名字很酷!”樊春?;匾淥?。

當時的生物化學系有著名的百歲教授鄭集先生,以及我國生物制藥技術研發的開拓者之一和肝素、尿激酶工業的創始人朱德煦先生等知名學者。朱德煦時任系主任,著力推動學科交叉。“學不好化學,就做不好生物化學”是當時系里的口號。在此濃郁的學科交叉背景下,化學系陳洪淵先生的分析化學博士李根喜成為了朱先生的博士后。

陳洪淵是我國著名分析化學家、中國科學院院士、生命分析化學概念的創導者和生命分析化學國家重點實驗室的創始人。他也是著名的教育家,桃李滿天下。2015年,陳洪淵被授予《自然》杰出導師終身成就獎。李根喜于1996年留在生物化學系任教,樊春海在此時恰好進入實驗室做畢業設計,在他的建議下決定跟隨朱德煦、李根喜兩位導師攻讀研究生。

由此,樊春海在科研生涯的早期就幸運地得到了朱德煦、陳洪淵兩位先生的耳提面命,從兩位學術大師在生物化學和分析化學兩條學術傳承線的交叉點上起步。他在研究生期間從事的電化學生物傳感器研究延續至今,二十余年來始終為其實驗室的研究主線之一。

2000年,樊春海在南京大學獲得生物化學與分子生物學博士學位。當年的諾貝爾化學獎授予了圣芭芭拉加州大學艾倫·黑格(Alan J. Heeger)等3位開創了導電高分子領域的教授。樊春海偶然閱讀到《先進材料》雜志關于黑格的一篇專訪。他表示,在獲獎后希望做一些以往不敢做的事,比如生物學,特別是生物傳感是最重要的一件事情。這使樊春海受到極大的鼓舞,鼓足勇氣向黑格申請博士后并獲得認可。

在來到風景秀麗的加州海濱城市圣芭芭拉之后,樊春海才發現黑格居然是物理系教授,而且他始終認為自己是物理學家。一位物理學家獲得了諾貝爾化學獎,然后開始做生物學,這使樊春海感到非常震撼。很多年后,黑格在中國的一次演講中謙虛地說:我當時對生物一竅不通,連DNA分子這樣最基本的知識都是春海教我的。然而,在黑格實驗室的博士后經歷,使樊春海從一個初出茅廬的年輕研究者一下跨入到了學科交叉的前沿。“黑格教授給我留下的最深印象是看問題的眼光非???,而且他特別推崇學科交叉。”樊春海說。

在黑格實驗室工作期間,繁雜的科研工作曾讓樊春海一度感到應接不暇。他向黑格請教如何在復雜多變的形勢下做事。黑格很干脆地說:“很簡單,你就挑最重要的事情做。”簡單的一句話為樊春??儷鲆惶跚邐牡纜罰?ldquo;這句話我記憶猶新,對我的影響也最大。”

在黑格指導下,樊春海陸續取得了一些研究進展,相關研究工作在美國《國家科學院院刊》和《美國化學會志》等權威雜志上發表。其中,他們發展出了一種被命名為E-DNA的電化學DNA生物傳感器,得到了國際同行的廣泛好評。美國化學會C&E News將其評為2003年重要化學進展之一,《生物技術趨勢》雜志連續發表兩篇評論論文進行點評,其中一位評論作者即2019年新任《科學》雜志主編的H. Holden Thorp教授。

梅花香自苦寒來,科研之路多崎嶇

博士后經歷極大地拓寬了樊春海的眼界,并堅定了他從事學科交叉的信心。當時國內正處于學科建設的起步階段,需要大量新生血液。2004年1月,樊春海在中國科學院百人計劃資助下加入了中國科學院上海應用物理研究所。

湊巧的是,在他入職答辯的那一天,正值研究所承擔的上海同步輻射光源項目在歷經十年艱辛籌備后獲批。這是當時中國最大的科學研究設施,可謂舉世矚目。樊春海當即決定選擇應用物理所并于第二日簽約。在后來被稱為“上海光源精神”的引導下,這一國際先進水平的同步輻射光源僅用五年時間即落成。2009年,《自然》雜志以“中國進入世界級同步輻射俱樂部”為題專題報道。而這五年也正是樊春海從零開始、白手起家建設實驗室的五年。

深受上海光源精神鼓舞的樊春海希望能做出同樣具有國際影響力的研究工作。研究所李民乾先生和胡鈞研究員是國內納米生物交叉研究的早期探索者。在他們的指導和幫助下,樊春海結合自身在DNA研究方面的背景,逐漸明確了以DNA納米技術為抓手來形成研究特色。DNA納米技術是利用DNA分子卓越的自組裝和識別能力,將其作為一種納米材料實現精確的納米構筑。

2006年,樊春海、胡鈞與上海交通大學賀林院士等合作,共同創制了DNA分子組裝而成的納米尺度“中國地圖”,并發表于《科學通報》中英文版。這成為“DNA折紙術”這一前沿交叉領域中第二個發表的工作,并以中國特色的形象在國際上亮相。經過多年積累,樊春海團隊發展了DNA自組裝結構誘導納米尺度精準礦化的新方法,在保持DNA納米結構精巧設計的前提下顯著提升其力學性能,為仿生納米孔道的構建與分析應用打開了新的大門。該工作于2018年在《自然》雜志發表,實現了中國研究者在DNA納米技術領域的首次突破。

樊春海并沒有滿足于僅僅用DNA來制造漂亮的納米圖案,而是始終想著如何將納米思維引入到生物傳感研究中,希望通過DNA納米技術來提升生物檢測的性能。不忘初心,方得始終。在不懈的探索中,他們團隊于2010年實現了突破。針對界面生物分子識別的復雜性挑戰,樊春海獨辟蹊徑提出將DNA四面體結構用于電化學傳感界面的調控,建立了“先組裝、后檢測”的框架核酸傳感新方法,突破了界面限域組裝與識別的難題,對促進生命分析化學的發展做出了貢獻。

眾人拾柴火焰高,“學科交叉”須合力

為了推動國內DNA納米技術領域的發展,樊春海與學術界同行積極開展國際交流,努力在國際學術界發出來自中國的聲音。例如,他與劉冬生、王樹教授自2009年起創辦了“DNA納米技術國際研討會”系列,吸引了包括DNA納米技術領域之父西曼(Nadrian C. Seeman)教授在內的一批頂級學者參加。2017年,他專程赴美國參加在奧斯丁得克薩斯大學舉行的第23屆DNA計算與分子編程國際會議(“DNA23”)。這是領域內最重要的國際學術會議,他作為中國代表發表演講并承接了第24屆在中國舉辦的任務。他與唐波、劉冬生教授作為共同主席于次年舉辦了 “DNA24”,該次大會被會議執行委員會贊譽為規??漲暗木藪蟪曬?。

基于研究所的科研基礎和對國際學科交叉動向的領悟,樊春海、胡鈞、黃慶等在上海應用物理所領導支持下于2008年組建了物理生物學研究室(物理生物學所級重點實驗室),樊春海擔任研究室主任。

物理生物學是利用新近發展起來的物理學新概念和先進技術,以化學為橋梁,使生物學建立在定量基礎之上的新興前沿交叉學科。物理生物學實驗室則是該交叉學科領域國內第一個成建制的研究單元。物理生物學研究室的建立為充分利用上海同步輻射光源等先進物理手段并開展多學科合作打開了局面。

兩相交界的表界面是物質、能量交換和信號轉化的場所,卻又是常規手段難以研究的區域。特別是,界面上的微量生物分子往往難以探測,更難確定其分子構象和取向。物理生物學研究室系統研究了生物分子在宏觀及納米尺度上與無機材料界面的相互作用,并利用同步輻射等先進表征技術,深化了對傳感界面上生物分子吸附、組裝和識別等物理化學過程的理解。他們通過對界面的功能設計與調控,顯著提高了生物傳感過程中的生物分子識別能力;通過界面共組裝精確調控了蛋白質、DNA等生物分子及細胞在宏觀和納米界面上的吸附和可控耦聯,從而顯著提高了生物傳感過程中生物分子的識別效率,并建立了生物傳感識別與生物檢測性能之間的關聯。相關成果總結為“生物分子界面作用過程的機制、調控及生物分析應用研究”,并于2016年獲得國家自然科學獎二等獎。

物理生物學研究室不僅可以充分利用同步輻射這樣的先進科學裝置,更有機會組建融合物理、化學和生物于一體的多學科研究團隊。這種獨特的學科交叉研究氛圍不僅使生物傳感研究能夠快速推進,而且能夠拓寬更多前沿的研究方向。樊春海團隊近年來更是將體外檢測的生物傳感探針應用到細胞內部,致力于發展框架核酸細胞成像技術。他們還依托上海光源,在國家自然科學基金委重大儀器研制項目的支持下自行研制顯微鏡,積極推動活體分析和腦成像研究。

《自然—化學》在2019年以“化學求索之路”(Charting a course for chemistry)為題發表了紀念創刊十周年的專題論文,樊春海作為全球50余名受邀作者之一提出化學領域的挑戰性問題:“一個令人激動的學科前沿是理解人工設計的核酸結構如何在活細胞和動物體內組裝并發揮作用。創造新的工具來控制活細胞內的天然和人工核酸分子的組裝過程,將有可能為核酸化學領域帶來革命性的變化,從而推動納米診療和精準醫學的發展。更長遠考慮的話,另一個大有可為的研究方向是探索和發展具有人工智能的DNA或RNA機器人,并在動物和人體內工作。”

2018年4月,樊春海以王寬誠講席教授身份正式加盟上海交通大學化學化工學院。在學校和學院的全力支持下,樊春海以新落成的轉化醫學國家重大科技基礎設施為基地建設“框架核酸設計與納米醫學診療”實驗室。

這是新起點,也是新征程。樊春海希望在二十余年從事生物傳感基礎研究的基礎上,將發展起來的核酸分析新方法在實際臨床中得到轉化和應用。特別是他得到了中國科學院院士、上海交通大學分子醫學研究院院長譚蔚泓的鼎力支持,在仁濟醫院積極與臨床醫生開展合作,嘗試將生物傳感器用于前列腺癌早期預警,并探索發展低成本醫療檢測的可能。


來源:中國科學報

 
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