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程和平:抢占生命科学研究的关键制高点

编者按:2020年11月3日,何梁何利基金颁奖大会在京举行,北京大学程和平、颜学庆、季加孚等三位教授获得何梁何利基金科学与技术进步奖。北京大学校报采访了三位获奖者,讲述他们的科研学术之路和教学育人的故事。

2020年金秋,何梁何利基金颁奖大会在北京隆重举行。北京大学分子医学研究所程和平院士获得“何梁何利基金科学与技术进步奖”,奖掖他在生物医学基础研究和高端科研仪器的自主研制领域所作出的突出贡献。

程和平近照

作为“钙火花”和“超氧炫”等生命现象的发现者、2.2克微型化双光子荧光显微镜研发团队领军人和“多模态跨尺度生物医学成像”项目的首席科学家,程和平在生命科学的理论、技术与应用的多层面颇有斩获。在他朴素而明亮的办公室里,程和平接受了校报记者的专访,分享了他近40年学术生涯里的艰辛、惊喜与感动。

交叉背景——从未名湖畔到马里兰

1980年,程和平从家乡安徽桐城进入北京大学力学系求学。初入燕园的青涩少年大概很难预想,就在不久的将来,自己将会成为北大交叉培养的“实验品”。

“我在北大有三位导师,力学系的吴望一先生、生物系的陈守良先生与无线电系的王楚先生,他们是我跨学科研究的三位引路人。”本科攻读力学的程和平最早与生物学结缘,就是在陈守良的生理学课上。“生理学是讲原理的,讲逻辑和实验论证的,陈先生又补充了很多科学发现和历史人物故事,我觉得特别有兴趣。”程和平笑谈,当时有一个章节的考试难度较大,“同学们都考趴下了,我力学系的数理底子不错,一下子获得了老师的青睐。”

攻读硕士之初,吴望一先生在未名湖畔偶遇陈守良先生,“他们决定拿我做个实验,想要交叉培养。”因此,程和平在跟随吴老师学习生物力学的同时,还在陈先生的指导下研修生理学专业课程,此外,吴老师还规定他要在北医修人体解剖课。当时北大开始设立双学位,申请只对本科生开放,在两位老师的积极争取下,我有幸入选,修完了生理学和生物力学的课程”。1987年获得硕士学位的同时,程和平拿到了“001”号本科第二学位证书。

为了进一步锻炼实验能力与动手能力,硕士毕业的程和平在无线电系担任助教。第一年旁听王楚先生的电子学原理和电子线路实验课,第二年在数字电路教研室做“数字电路原理”课程的助教,为本科生大实验课设计PID温控实验。在这个过程中,勤学敏思的程和平还发表了多篇小论文。谈及在北大的“坎坷”学术经历,程和平感慨良多:“在北大的九年打下了良好的基础,后来在美国做科研,这些年学的‘十八般武艺’都用到了。”

1990年,程和平追随妻子肖瑞平的脚步远赴美国留学。如果说燕园九载为他奠定了求学之基,那么在马里兰大学的学术浸染则是将他带到了学科发展的最前沿。“在美国,我接触到尖端的科学技术,见识到一批科学大家,并在文化的交融中视野更宽广,体会到科研从发现现象到提炼概念与原理的真谛。”

程和平至今对他在美国的导师心存感激。第一次拜访导师时,他就“坦白”了自己的学成回国意向。“我当时告诉导师,我一定要回到中国去,希望您不要失望。”让程和平意外的是,他的导师对此非常支持,导师的鼓励使得程和平在学海的搏击愈发坚韧自信。

成就斐然——从“钙火花”到“超氧炫”

马里兰大学生理系实验室的门口至今仍挂着一个牌匾——“钙火花诞生地”,以纪念1993年程和平和他导师师徒三人的着名发现。钙离子是细胞内重要的信使物质,1992年冬天,正在攻读博士的程和平利用一台自主改装的二手激光扫描共聚焦显微镜,发现静息状态的大鼠心肌细胞中存在自发性的微点钙释放现象,并将其命名为“钙火花”。1993年,相关论文发表于《科学》 (Science) 杂志,这也让程和平在生物学界一举成名。

钙火花的发现使得在微纳米尺度研究钙信号的分子过程成为可能,也给众多疾病的病因、病理探索带来了新的契机。此后的20余年中,程和平及其团队在“钙火花学”这一新兴领域开展纵深研究。2008年,程和平应《生理学评论》 (Physiological Reviews) 杂志之邀,对这一新兴领域的研究进程撰写了近五万字的综述。

程和平告诉记者,在美国做实验时共聚焦显微镜还是稀有物品,一般人也不会用。“发现了新现象后,还有大量的编程问题、图像处理问题,还要数学建模。因此需要动手能力、图像处理能力和数理能力的多管齐下。我在无线电系旁听过图像处理课程,恰好还派上了大用场。”

1998年,程和平开始协助北大建设生物膜与膜生物工程国家重点实验室。2006年,他辞去美国国立卫生研究院(NIH)高级研究员的终身职位全职回国。“我是下了决心要回来找“根”的。母校支持我,投入大量资金购买了设备,还成立了分子医学研究所。有了设备和平台,Ping(肖瑞平)和我终于可以回母校为祖国做点贡献了。”程和平说道。

重返燕园,程和平、肖瑞平夫妇决定在转化医学领域闯出一片天地。“她当时提出来要做转化,我很支持。国家投入了那么多钱,应该研发出新药物、新装备、新的诊疗方法来回馈社会。我们的‘上篇’是做基础研究,‘下篇’就要做转化。”这一设想得到了许智宏校长、林建华校长等校领导的大力支持,但在研究所草创阶段,依旧困难重重:“分子医学所是一项非常超前的事业,整个系统那时并不成熟。比如我们做灵长类研究,就得从建动物房、去全国各地‘抓猴子’开始,还要建国际最高标准的实验动物管理体系。” 程和平回忆道。

程和平在分子医学所主持“钙信号转导实验室”,继续在“钙火花学”领域做探索。在线粒体钙信号的研究过程中,程和平团队意外观测到心肌细胞内的单个线粒体会随机爆发式地产生超氧信号,这一现象被他命名为“线粒体超氧炫”。“超氧炫”是广泛存在、高度保守、量子化的线粒体信号事件,以之为靶点,有望发展出调控生理病理过程的相关策略。2008年,《细胞》 (Cell) 杂志发表了程和平团队的相关进展,这项成果也入选了2008年度“中国高等学校十大科技进展”,并被收入《中国科学发展报告(2009)》中。

大科学平台——从怀柔科学城到江北新区

程和平告诉记者,生命科学是一门前沿科学,复杂的、发现型的实验科学在很大程度上就是技术与手段的竞争。“大科学平台是能改变生命科学研究范式的核心动力,我们要建设航空母舰级的大科学平台,为未来的生命科学创新抢占一个关键制高点。”

早在求学阶段,程和平已然深刻体会了高精尖仪器的重要性。“倘若国内的前沿设备始终依赖进口,或者我们的科学家只能去外国做实验,那么将错失许多具有开创性价值的成果。”结合自己的理学与工学背景并响应国家的需求,程和平将研究重心逐渐向生物医学成像技术倾斜。2017年,他的团队推出了自主研制的重仅2.2克、高时空分辨的微型化双光子显微镜(FHIRM-TPM)。

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程和平(右三)与团队成员在一起

在美国求学时,程和平曾赴康奈尔大学世界上首个双光子实验室,做了最早的双光子细胞成像实验。“那里的机器太大了,贵且笨重,还特别娇气”,他又去看了斯坦福大学研发的微型单光子显微镜,但比起双光子显微成像,存在成像深度浅、没有“光学断层效应”等缺点。“我们就想研发出微型化双光子显微镜,通过一个佩戴式装置就能看到小鼠脑中的各种变化。”一开始这被视为不可能完成的任务,但在程和平团队的不懈努力下,双光子显微镜的核心部件逐步降低至2.2克,可以轻松将其佩戴在小鼠或者小鸟头上。变不可能为可能——程和平团队站到了脑科学成像领域的最前沿。

目前,他正在领衔建设 “多模态跨尺度生物医学成像设施”,这项位于北京怀柔科学城的“国之重器”倾注了程和平的大量心血。“力争今年全面封顶,明年装备入驻,后年开始试运行,五年之内建成并通过国家验收。”程和平告诉记者,该平台前后建设投入20多亿人民币。“大科学平台将带来生命科学研究的范式创新,我们希望能够挖掘到‘大科学发现’,培育年轻一代的‘大科学思维’”。他们正在面向全国科学家征集具有前瞻性的原创科研构想,以制定富有价值的、依托大设施的研究计划。

另一个让程和平倾力推动的项目是转化平台的落地。2019年4月,北京大学与南京江北新区管委会签署合作协议,共建校地合作科研成果转化项目——北京大学分子医学南京转化研究院。转化院分为“脑园”和“药园”两个部分,由程和平、肖瑞平分别领衔“高端生物医学成像装置”“重大疾病创新药物研发”两大科研方向。“‘脑园’汇集中国科学家原创独有的成像技术,从整体大脑到神经环路再到活体细胞与分子,揭示大脑这个‘小宇宙’内部的景象。所以,我们给它取名为 ‘南京脑观象台’”程和平告诉记者。

桃李春风——从“一对佳人”到“一批将军”

今年七夕,程和平与肖瑞平的爱情故事在北大官微一经推出迅速收获了“10万+”的点击量,官微后台更是收获了读者满满的祝福。这对“神仙眷侣”放弃美国优厚待遇回国、在事业和生活上相互扶持的故事温暖了整个燕园。

程和平坦言,一路走来最感谢的还是妻子肖瑞平。“我们一个是金星,一个是火星。”学术伉俪彼此提携与欣赏,高度互补的研究领域与思维方式常常碰撞出别样的灵感。“当然,我们也常有冲突争吵的时候,但争吵也是交流的一种方式。”程和平笑道。

为中国、为北大培养新一代科研人才,是夫妻俩回国伊始就坚定起的志向。归国从教十余年,程和平精心培育了一届又一届燕园学子。尽管学生们对程和平的评价是“可爱”“随和”“没有任何负担”,但是程和平却认为自己是个“急性子”,甚至有时候觉得对学生有点过于严格。“不少女同学都被批评哭过,有的学生哭了五年半,因为科研成果非常理想,笑着毕业了!”程和平笑着说。

程和平对北大学生有着很高的期许。他将科研攻关形象比喻为打仗,每打一个大仗,就要出一批将军。“学生们一进实验室,我就会告诉他们,我们是要培养‘将军’的。”程和平说,“受益于严格的学术训练模式,学生们毕业后在世界各地,在祖国大江南北,取得了非常优秀的成绩,我为他们欣慰。我也鼓励学生多元性的选择,如果你愿意从政,为百姓做些实事,也是一样很有价值,我为他加油。”

在程和平看来,现在的中国年轻的科研工作者非常幸运。伴随着国力的增强与国际影响力的提升,中国本土的科研条件正在改善,中国学人也拥有了更多立于世界学术之林的自信。但在当下,相较于前辈师长,青年学子们更需修炼一颗不急不躁的沉潜之心。“北大的学生和我上学那会儿比,本质上没有什么不一样,他们三观都很正,也愿意为国家和事业奋斗。大方向是正的,人生才能有境界。我愿意尽己所能,为学生‘打工’,我的老师怎么带我,我就怎么带自己的学生,也希望他们将来把这种精神传承下去!”程和平由衷地说。

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