5月中下旬，籌備3個(gè)多月、關(guān)于高端科研儀器的香山科學(xué)會(huì)議順利召開。參與會(huì)議籌備的紀(jì)偉一回到研究所，就扎進(jìn)一間偏僻的平房。這里曾是間鍋爐房，由于防震條件較好，被改造成精密光學(xué)儀器實(shí)驗(yàn)室，也是他最常待的地方。
紀(jì)偉是中國科學(xué)院生物物理研究所（以下簡稱生物物理所）研究員，曾是正高級(jí)工程師。通常，這兩個(gè)職稱不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)人身上，但在紀(jì)偉身上，工程開發(fā)和基礎(chǔ)研究兼而有之，二者和諧統(tǒng)一。近日，紀(jì)偉獲得了第五屆中國科學(xué)院“科苑名匠”稱號(hào)。
從“慢半拍”到“快半拍”
2015年，紀(jì)偉再一次錯(cuò)失發(fā)表頂刊論文的機(jī)會(huì)——國際同行搶先一步發(fā)表。
自2010年博士畢業(yè)留所工作后，這樣的場景已經(jīng)出現(xiàn)過很多次。該團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)剛整理出來，或文章還在審稿中，國際同行的研究成果就已經(jīng)發(fā)表了。
感到十分憋屈的紀(jì)偉陷入沉思。
他認(rèn)為，自己的科研思路沒問題，團(tuán)隊(duì)執(zhí)行力也很強(qiáng)。多年來，他們團(tuán)隊(duì)研制改造的科研儀器，不僅能為生物物理所的研究提供支撐，還能填補(bǔ)國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的空白。然而，每當(dāng)這些成果拿到國際舞臺(tái)上較量，總是慢半拍。
“一個(gè)重要原因是，我們儀器的關(guān)鍵核心部件需要進(jìn)口，從有好的科學(xué)思路到訂購進(jìn)口零件再到搭建儀器，至少需要半年時(shí)間。而國外同行‘近水樓臺(tái)’，省下了這個(gè)時(shí)間，于是總領(lǐng)先我們半拍?！奔o(jì)偉對《中國科學(xué)報(bào)》說。
因此，在工作后的9年中，他只發(fā)表了幾篇 “小文章”，沒有成果在重量級(jí)雜志上發(fā)表。
“要想追上國際同行的速度，就要比他們多想一步、多做一步，爭取‘快半拍’?！卑凑者@個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求自己，紀(jì)偉需要付出更多努力。他主動(dòng)出擊，改進(jìn)國內(nèi)生產(chǎn)的光電器件，使其用于生物顯微成像領(lǐng)域。比如，他與蘇州一家激光器廠家磨合了近10年，終于使該廠家的產(chǎn)品基本取代同類型進(jìn)口激光器。通過這些努力，紀(jì)偉逐漸追回了那半拍。
17世紀(jì)，荷蘭科學(xué)家安東尼·菲利普斯·范·列文虎克用自制的顯微鏡，第一次觀察到了單細(xì)胞生物，人類從此打開了微生物學(xué)的大門。但光學(xué)顯微鏡分辨率因受衍射限制，一直保持在幾百納米，很難突破。
直到300多年后的本世紀(jì)初，超分辨熒光顯微鏡才被發(fā)明出來，并獲得了2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，它使人們可以在幾十納米尺度上觀察亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。不久后，冷凍電鏡單顆粒技術(shù)又獲得2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，這兩項(xiàng)技術(shù)讓人們對生命科學(xué)的認(rèn)識(shí)有了翻天覆地的變化。然而，這仍不能滿足科學(xué)家日益增長的對細(xì)胞原位生物分子觀測的研究需要。
“做超分辨顯微鏡這類高端儀器，對分辨率極限的追求是無止境的?！奔o(jì)偉說，“生物物理所有個(gè)生物大分子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，科研人員從事核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子研究，這些生命活動(dòng)的基本單元有著復(fù)雜精密的組裝結(jié)構(gòu)，對分子觀察得越清晰，對生命奧秘了解得越深刻。”
多年來，紀(jì)偉全身心撲到了對顯微鏡“微”之極限的追求中。
進(jìn)一步突破光學(xué)顯微鏡分辨率
與電鏡相比，光學(xué)顯微鏡的最大優(yōu)勢是透視能力，如果能精細(xì)獲取細(xì)胞內(nèi)的三維結(jié)構(gòu)，便能進(jìn)一步探究其生理病理機(jī)制。這不僅可以滿足基礎(chǔ)科研的需要，也有助于推動(dòng)臨床醫(yī)學(xué)的進(jìn)步。
為了突破光學(xué)顯微成像極限、實(shí)現(xiàn)高端科研儀器自主可控，十幾年來，紀(jì)偉一直致力于單分子定位成像儀器技術(shù)研究。
在早期復(fù)制出獲得諾獎(jiǎng)的、分辨率為20納米的單分子定位顯微鏡，填補(bǔ)了國內(nèi)空白后，紀(jì)偉發(fā)現(xiàn)這個(gè)分辨率仍不能滿足生命科學(xué)研究的需要。
“分辨率還能不能進(jìn)一步提高？”紀(jì)偉常常問自己。
在中國科學(xué)院院士、生物物理所研究員徐濤的指導(dǎo)下，紀(jì)偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)向具有更高分辨率的顯微鏡技術(shù)發(fā)起挑戰(zhàn)。
在兩年多的攻關(guān)過程中，紀(jì)偉等人面臨的最大難題是單個(gè)熒光分子發(fā)光時(shí)間短，無法滿足相機(jī)高速成像的要求。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過反復(fù)討論與實(shí)踐，又借鑒爆炸物理實(shí)驗(yàn)中的高速攝影策略，最終創(chuàng)造性設(shè)計(jì)出基于諧振振鏡的干涉條紋快速切換成像光路。
“這相當(dāng)于給顯微鏡裝上北斗導(dǎo)航精確定位系統(tǒng)，用幾個(gè)干涉條紋像‘衛(wèi)星’一樣交叉定位熒光分子，得到高精度的細(xì)胞地圖?！奔o(jì)偉說。
2019年，這一干涉單分子定位顯微鏡的研究成果登上《自然-方法》，將基于寬場顯微鏡的XY方向成像分辨率提升至5納米以內(nèi)。后來，他們又將Z方向分辨率也提升至5納米以內(nèi)。
“在提高分辨率方面，我們做到了事無巨細(xì)、極致追求。”紀(jì)偉說，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年努力，終于做到了國際領(lǐng)先，并圍繞這些技術(shù)申請多項(xiàng)專利，取得了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
既是“工程師”又是“研究員”
在追求光學(xué)顯微鏡極致分辨率的同時(shí)，紀(jì)偉帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)雙線并行，又在冷凍電鏡原位成像方面取得突破。
利用冷凍電鏡在“原位”觀察分子是近幾年新興的發(fā)展領(lǐng)域。這就像人類想了解野生動(dòng)物，在自然中觀察遠(yuǎn)比在動(dòng)物園中觀察更真實(shí)、更準(zhǔn)確，但前者實(shí)現(xiàn)起來往往更加困難。
為了實(shí)現(xiàn)原位觀察，人們發(fā)展了冷凍電子斷層成像技術(shù)，但其電子束只能透過約200納米的生物樣品成像，因此需要對細(xì)胞進(jìn)行減薄處理。這相當(dāng)于給冷凍電鏡配一把鋒利的“刀”，用這把“刀”可以從細(xì)胞中切出一張薄片，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)研究和觀察。
可是，這把“刀”如何能保證精準(zhǔn)切出含有目標(biāo)分子的薄片呢？經(jīng)過多年實(shí)驗(yàn)研發(fā)，紀(jì)偉團(tuán)隊(duì)為這把“刀”裝上了“導(dǎo)航系統(tǒng)”，研發(fā)出冷凍熒光導(dǎo)航減薄技術(shù)。
“茫茫人海中，想找到一個(gè)特定的人很難，但如果這個(gè)人在夜晚舉著火把，我們就能一下子找到他。同樣，在細(xì)胞內(nèi)部，想找到特定的分子并進(jìn)行切片很難，但如果讓它發(fā)出熒光，我們就能輕松定位，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)切片?！奔o(jì)偉解釋說。
這項(xiàng)成果又讓紀(jì)偉多了一項(xiàng)“代表作”。博士畢業(yè)至今，他見證著我國高端科研儀器研發(fā)從跟跑到并跑，再到部分領(lǐng)跑的過程，更是其中的重要參與者。
在此過程中的2020年，是紀(jì)偉“打破常規(guī)”的一年。
從那年起，紀(jì)偉的頭銜從正高級(jí)工程師換成了研究員、課題組長，這意味著，他不僅能夠作為研究所科研平臺(tái)人員為基礎(chǔ)科研提供支撐作用，也可以成立課題組，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行高端科研儀器的自主研發(fā)和自由探索。
如今，紀(jì)偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)正在對已有的顯微鏡系統(tǒng)進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)，努力將其打造成穩(wěn)定易用的產(chǎn)品。
前不久結(jié)束的香山科學(xué)會(huì)議讓紀(jì)偉很是感慨：“與會(huì)專家都覺得高端科研儀器的研發(fā)到了一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，今后需要我們一起努力，使產(chǎn)業(yè)生態(tài)和產(chǎn)業(yè)鏈越來越完善，真正使我國實(shí)現(xiàn)科研儀器技術(shù)的自主可控。”
