“歸去來兮”的顏寧，到底在做些什麼？_風聞

大家好，我是谷智軒。本月初，在2022年深圳全球創新人才論壇上，著名結構生物學學者顏寧宣佈，將會辭去美國普林斯頓大學教職，全職回國，協助創立深圳醫學科學院（SMART），並出任創始院長。顏寧教授的經歷頗具傳奇色彩，不過本期《軒講》不聊她的經歷，而是聊聊她正在做的事情，包括科學研究上的，以及她即將在深圳開創的新事業。

我們先來看一下顏寧在普林斯頓大學分子生物學系的簡介，上面寫着，她的研究領域，是生物化學、生物物理學和結構生物學，具體的研究對象，是膜運輸和脂類代謝的結構與化學基礎。我給簡單解釋一下。細胞膜大家都知道吧，就是包在細胞外面的一層很薄很薄的膜，平均厚度不到10納米。別小看這層薄膜，它由脂類、膜蛋白、多糖構成，不但成分複雜，而且結構也非常複雜，還一直處於流動狀態。它的一項重要功能，就是隻允許特定的物質進出細胞，還會幫忙把這些東西運進運出。這個過程，就叫“膜運輸”。

那麼，這個過程是怎麼進行的呢？

我們都知道，油水不相容。油就是一種脂質。脂質分子不溶於水，有疏水性。細胞膜的脂質雙分子層，會像牆壁一樣圍住細胞，把一些親水性化合物，比如説糖、氨基酸、離子、藥物，統統攔住。那它們要進進出出，怎麼辦呢？只能走“大門”唄。細胞膜上面，有各種各樣的“門”。這些門一般由蛋白質構成，也就是膜蛋白。它們有各種各樣的形狀，開合的方式也不一樣。有的呢，一直打開着，只要形狀、大小、電荷對上了，就讓過。有的平時關着，受了刺激才打開。比如説，有遇到物理刺激打開的“機械門控”；受到化學物質刺激打開的“配體門控”；還有“電壓門控”，顧名思義，細胞膜電勢變化，“門”才打開，是不是聽上去就很高端？還有一種“門”，要更“負責”一點，有“門衞”守着。“快遞”來了，“門衞”認證、接手，再親自送到裏面。前面説的“門”，叫作“通道蛋白”，“門衞”，叫作“載體蛋白”，它們合起來，都叫“轉運蛋白”。

我們身體裏面，每個細胞的“外牆”上，都有許許多多這樣的“門”，幾乎針對每類物質，都有量身定製的“門禁”系統，還經常是好幾套“門禁”配合使用。你説這事複雜不復雜？但是不弄清楚又不行。因為很多疾病，都和這些“門”的功能失常有關。比如説，葡萄糖轉運蛋白（GLUTs），如果出了問題，就會影響葡萄糖的正常吸收，導致大腦萎縮、發育遲緩、癲癇等一系列疾病。再比如説，電壓門控鈉離子通道和鈣離子通道，和心率紊亂、癲癇等疾病有關。要治療這類疾病，首先就要知道，“門禁系統”是哪裏壞了，才能思考怎麼去修補。後面這半程，就是設計藥物、療法的過程，修補的位置，叫做藥物靶點。

顏寧團隊主要研究的對象，就是這些“門”，上面提到的葡萄糖轉運蛋白啊，電壓門控離子通道啊，都在其列，而且是研究的重點。再具體一點，這些科學家的工作，是用各種生物物理和生化化學方法，去琢磨這些蛋白質“門禁系統”的構造，以及它們放行的對象是誰、具體是怎麼運轉的。這也是為什麼説顏寧是結構生物學家。

結構生物學是一門用各種方法，研究生物大分子空間結構、動態過程和功能的交叉學科。轉運蛋白就屬於是一種生物大分子。不過，雖然叫“大分子”，它還是非常小，你們想，細胞膜才不到10納米厚，它上面的蛋白質，能有多大？這個大小，別説眼睛看了，光學顯微鏡都不頂用，因為光的波長都要幾百納米，用麻繩探針孔，能找着麼？電子顯微鏡倒是可以，但在觀察蛋白質方面，它的短板也不少。

首先，大生物分子，它是活的，會動，會改變姿態，在溶液裏也不老實待着，而是漂來漂去。咱們要仔細觀察活的動物，就説一條魚吧，是不是最好能想個法子，把魚給固定住？觀察有活性的蛋白質也是如此，要先把它們給固定住。比如説，把蛋白質結晶，也就是把蛋白質放到溶劑裏面，讓溶液過飽和，再通過降低溶解度，析出蛋白質晶體。但是，我説得簡單，實際上，蛋白質大分子的結晶是非常困難的，因為它們的分子鏈太長，非常容易扭曲、纏到一起，還有很多修飾，就像霧裏看花一樣。而且結晶的過程，還會受到大量因素的影響，不好控制。所以很多人都説，蛋白質結晶既是一門科學，也是一門藝術。

​像顏寧解析的葡萄糖轉運蛋白GLUT1，結晶就很困難。這種分子修飾很多，而且高度動態，結構很不穩定。自從1985年鑑定出它的基因序列之後，世界那麼多頂尖實驗室攻關了近三十年，都沒能搞明白它的三維結構。直到顏寧和她的團隊，先是通過改變了蛋白的一個氨基酸，去掉了GLUT1的糖基化修飾，又找到GLUT1的一種天然存在的致病突變體，把它多變的結構，鎖定到不容易變化的狀態，這才成功表達、純化、結晶，最後通過X射線衍射成像，分析出它的三維晶體結構。這項發現，也是顏寧最有份量的研究成果之一。

除了需要結晶、結晶困難之外，電鏡觀測蛋白質分子的難點，還在於兩個地方。一方面，蛋白質分子是比較脆弱的，如果照射過量電子，就會打斷化學鍵，破壞蛋白質的結構。這也叫“電子輻照損傷”。

所以，觀察蛋白質分子，要嚴格限制電子照射劑量。但是劑量不夠，觀察到的圖像，就看不清楚。這也是一個悖論。另一方面，只有在真空環境中，電子才能穩定有序地排列，用於觀察。但是蛋白質分子是泡在溶液中的，放到真空當中，溶液受到氣壓差，會流向電子顯微鏡，影響觀測。所以，為了解決這些問題，科學家們發明了一種的新裝備，叫做冷凍電鏡（Cryo-SEM）。原理呢，就是通過瞬間把樣品冷凍到零下170℃，將分子固定在一層薄薄的玻璃態冰晶裏面。這樣一來，不需要結晶，也能把蛋白質分子給“定住”。而且，也不存在溶液流向電鏡的問題。至於電子劑量太小，看不清楚圖像的問題，可以拍攝成千上萬張照片，再通過計算機處理來強化圖像，進行三維建模。

冷凍電鏡技術，在2010年前後基本成熟，開始大規模應用。這對於結構生物學家來説，那真是瞌睡了送枕頭。有了趁手的工具，他們的研究可以説是突飛猛進，成果井噴式增長。顏寧，以及她的恩師施一公，就是第一批將冷凍電鏡技術引進國內的學者。清華大學投資數百萬美元，引進設備，招募專家，早在2011年就搭建起了冷凍電鏡的核心團隊。而藉助冷凍電鏡，顏寧團隊接二連三地做出了重大成果。比如2013年，發表了與疼痛通路有關的辣椒素受體TRPV1蛋白結構；2015年，發表了與肌肉興奮收縮通路有關的電壓門控鈣離子通道複合物CAV1.1和RyR1的結構。之後，顏寧團隊還進一步解開了葡萄糖轉運蛋白GLUT1、GLUT3、GLUT4在不同功能狀態的結構，並繼續對電壓門控鈣離子和鈉離子通道的各種複合物的結構、功能進行探討。這些研究都對理解相關疾病的病理、找到潛在的藥物靶點，做出了很大貢獻。

諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼曾半開玩笑地説過一句話，“許多基礎的生物問題是非常容易解決的，只要能看到它們就行”。顏寧自己也説過，“結構生物學是打開人類觀測分子世界的眼睛”。阻攔我們解開很多疾病奧秘的最大攔路虎，就是我們看不見體內這個微觀世界正在發生什麼。所以，人類發明了各種各樣的工具去“看”，顏寧過去使用的X射線晶體衍射法，現在使用的冷凍電鏡，都是這樣的工具。不過，在目前階段，即使是再先進的工具，都有侷限性。所以，在得到蛋白質的氨基酸序列後，科學家們往往要通過各種方法，先對蛋白質結構進行一定的預測。比如説，從數據庫裏，找到與研究對象同源的已知蛋白質作為模板，再通過理論計算方法進行優化，得到預測的蛋白質結構模型。之後，他們再通過一系列的實驗設計，去觀測蛋白質，然後比對觀測信息和模型，不斷修正模型，最後得出結果。

從結構預測到實驗驗證，可以説每一步都要消耗大量的人力物力，而且很多時候，甚至是大多數時候，實驗結果會告訴你，你預測的結構不太靠譜，最好從頭再來一遍。所以，結構預測得準不準，很大程度上就決定了這種字面意思的“猜-測”過程，要重複多少回。這就是人、dollar和時間的事。那科學家們當然希望，這預測能做得越準越好，最好一“猜”一個準，只要拿到氨基酸序列，就能通過某種炫酷的公式啊、模型啊，把結構算出來。這樣，指不定連實驗都省了，完美！

不過，天底下哪有這樣的好事啊。雖然蛋白質的摺疊確實受物理規律的支配，但是蛋白質分子太複雜，含有的氨基酸從幾個到幾萬個不等——要知道，100個氨基酸組成的蛋白質，就有3的198次方種可能的穩定結構，這還不算它與周圍的溶劑分子相互作用。人類掌握的規律又那麼有限，要判斷這些氨基酸鏈的摺疊方式，談何容易？我打個比方，你知道一座房子有幾塊磚，幾根樑柱，也知道把房子建起來，要符合力學定律，還有很多限制條件，比如説房子的功能，周圍的環境，等等。那麼，你可以算出房子長什麼樣嗎？如果是一座泡在水裏的，有大大小小、成千上萬不同材料粘在一起的，用途尚不明朗的建築呢？我只能説，很難的啦。

幾十年來，科學家們一直在總結規律，儘量把不太可能出現的結構排除掉，縮小他們預測的範圍。現在他們的主要出發點，是一個叫“自由能”的概念。可以這麼理解，自由能越高，蛋白質就越不穩定，容易發生改變。所以，它會以自由能最小化的方式摺疊起來。從這條規律出發，算結構變得容易了一些，但也有限。諾貝爾化學獎獲得者理查德·亨德森就説過：“你可以通過能量最小化來做結構，最多可達60或70個氨基酸……但是一旦你想嘗試1000個氨基酸左右的蛋白質，答案就會迅速變得遙不可及。”

可能性太多，規律又太少，所以很長時間以來，預測蛋白質結構方面的進展，一直緩慢。科學家們還專門為了這個事情，辦了一個比賽，叫CASP，名稱翻譯過來，就是“蛋白質結構預測關鍵評估”大賽。主辦方出題，給出幾十個已經實驗測出結構，但結果還沒公開的蛋白質。參賽者答題，根據氨基酸序列，用自己的模型來算結構。然後由獨立評審，比較這些模型和主辦方的實驗結果，給模型打分，分出高下。這個比賽兩年舉辦一次，到今年剛好15屆。前13屆，進展都有限，慢到幾乎看不出來，大家給出的模型，差別也沒多少。直到2018年，突然蹦出了一個冠軍，成績比亞軍高出20%。這下無論是學界內外，都炸開鍋了。

這個冠軍，叫AlphaFold，和那個圍棋下贏世界冠軍的AlphaGo，來自同一家公司DeepMind。沒錯，它也是一個AI。

這還沒完。兩年之後，AlphaFold二代又參加了比賽，還是第一，分數比上次還高。而且，這個AlphaFold2不但參賽了，還在一年後開源了，數據集向公眾免費開放。到今年7月，它數據庫裏預測的蛋白質結構，已經超過了兩億個。包括植物、細菌、真菌在內，已知的100萬個物種、2.14億個蛋白質結構，全都進了它的數據庫。而從幾十萬到兩億，它只花了兩年的時間。

對比一下，生物學家們花了幾十年時間，實驗解析的蛋白質，大約是18萬種。

好傢伙，計算科學家搞出來的AI，不但搶了圍棋大師、藝術家的飯碗，現在又來搶結構生物學家的飯碗了。所以網上不少人陰陽怪氣，説顏寧現在回國，是因為被搶了飯碗，在美國混不下去了。

真是如此嗎？

不論是CASP大賽，還是AlphaFold，它們要做的事情，都是在提高預測蛋白質結構的準確度。我們前面説了，要了解蛋白質的結構、過程和功能，需要不斷地去“猜”和“測”。除非能保證百分之一百猜對，少0.1都不行，否則，還是需要通過觀測去驗證。而百分之一百，不要説看不見的微觀世界了，就算是看得見的宏觀世界，有無數定理規律可循，還是無法做到“百分之一百”。對不對，還是要試試才知道。而AlphaFold的準確度中位數，只有92.4，在沒有藍本的自由建模類項目中，只有87。科學家們也通過不斷地使用，發現了它的不少缺陷，和可以改進的地方。

比如説，運行AlphaFold神經網絡所需要的參數和權重，需要大量的數據進行訓練。這些數據來源於各大蛋白質數據庫中，幾十萬個實驗確定的蛋白質結構。有些複雜的結構，實驗還沒有解析出來，人工智能也就學習不到，也就預測不出來。而且，你白拿人家的研究成果來訓練AI，總不好還拿它掙錢吧？必須免費啊！當然，這對DeepMind來説是個缺點，對別人估計不是。

再比如説，蛋白髮揮功能是一個動態變化的過程。你光知道“門禁”長什麼樣沒用，還要知道它是怎麼工作的。算結構，相當於算一幅靜態畫面，算過程，相當於預測一部電影的走向，一幀都不能出錯。這個難度，就要大多了，還是老老實實，把電影看一遍吧。

所以，至少在很長很長的時間，計算不能代替觀測。結構生物學家，還是有很多事情要做的。被AlphaFold搶飯碗，主要是那些本身就是做結構預測模型的學者，以及幫助不斷試錯、重複實驗的“實驗室打工人”。預測結構更準確了，需要的實驗次數就減少了，他們的工作量也就少了。不過，哪怕是這一批人，也未必會失業。現在搞科研，是需要研究的東西多，做研究的人少。減少大量的重複勞動之後，他們可以把精力和資源，投入其他領域，進行創造性工作。我個人覺得，至少在科研這個方面，AI提高效率，目前來看，是利遠大於弊的。

至於顏寧教授會不會“失業”，在聽了上面這些分析之後，你們覺得像她這樣的頂級結構生物學家，普林斯頓大學終身講席教授，會“失業”嗎？相反，就像當年改變研究路徑，從X射線晶體學轉換到冷凍電鏡一樣，她一定會擁抱AI技術提供的助力，在科學研究上，更上一層樓。而且，此次顏寧回國，除了科研之外，另一個重要的目標，是“開宗立派”。

宣佈掛帥SMART之後，顏寧在接受採訪時，對這個選擇做出瞭解釋：她將人生分為吸納、證明和輸出三個階段，第一個階段是努力學習、充實自己，第二個階段是努力工作以獲得認可，而第三個階段是把自己的所學、所感傳遞給更多人、扶持更多人。在深圳，她將努力實現第三個夢想。顏寧過去曾不斷強調，一個好的科研環境，以及發達的科研相關產業，有多麼重要。試劑、設備不但貴，還買不到，好不容易獲得的成果，卻無法轉化，也得不到回報。這些情況，她都遇到過，也不希望更多的人遇到。而SMART運作靈活，有足夠的資源，卻沒有條條框框，不定編制、級別，自主設崗，學術自治，市場化薪酬、社會化用人。這無疑是她為中國生物醫藥產業豎起一座燈塔的理想平台。

在論壇現場，顏寧説：“經過幾代人的共同努力，在10年、20年之後，在世界生物醫藥的版圖上，深圳將會佔有重要的一席之地。在那個時候， 希望當大家説起生物醫藥的大灣區，首先想到的就是東半球的這裏。”豪言壯語，振奮人心，但做什麼，往往比説什麼更重要。顏寧的科研成就，舉世公認，她能否在中國這片土地上高舉火把、薪火相傳，我們拭目以待！

好了，以上就是本期《軒講》的全部內容。這檔節目現在會固定在我的個人號發佈，每週兩更，一般是在週三晚間和週六早上，還請各位點個關注。最後還是少不了大家喜聞樂見的吟唱環節：觀察者網是一家獨立而負責任的新聞網站，我們秉持全球視野、中國關懷的理念，為大家制作節目。想要支持我們的朋友，可以加入付費會員頻道觀察員，年費198，使用我的邀請碼007可立減十元。現在充值或續費，可領取復旦大學中國研究院出品的《東方學刊》第十六期和範勇鵬老師著作的《從公司到國家：美國製度困局的歷史解釋》，限量三百套，大家趕緊行動吧！