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“雙非”高校博士首發(fā)頂刊:搞出個“零”的突破!

文 | 《中國科學(xué)報》記者 張晴丹

除了家人外,陳凱最牽掛的就是他的重要小伙伴——蠶。近日,這個最好的“搭檔”為他帶來了學(xué)術(shù)生涯中第一篇PNAS文章。

陳凱所在的江蘇科技大學(xué)生物技術(shù)學(xué)院、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蠶桑遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室譚安江教授團(tuán)隊,首次實(shí)現(xiàn)了在家蠶體內(nèi)合成植物化合物甜菜紅素。陳凱為該論文第一作者。

這些年,通過以蠶作為模式動物進(jìn)行研究,陳凱已收獲數(shù)篇論文。問及做科研的心得,他認(rèn)為,做研究之前,一定要想清楚自己是否對這個工作有興趣,否則勉強(qiáng)下來會很累,做科研最怕應(yīng)付。

陳凱

第一次在動物上合成植物色素

何為甜菜紅素?

甜菜紅素是一種天然植物色素,最早提取于一種長得很像蘿卜的甜菜根,又名甜菜頭。甜菜紅素在很多蔬菜、水果中都有,比如我們常吃的紅心火龍果。因其具有抗氧化、防便秘、降血脂、提高免疫力等功效而深受人們喜愛。

“以前,甜菜紅素主要從植物中提取,最主要的原料是紅甜菜。傳統(tǒng)提取技術(shù)效率低、純度低,后來研究人員雖對技術(shù)進(jìn)行了升級,但提取純化過程仍舊煩瑣,且存在殘留問題?!苯K科技大學(xué)副教授陳凱在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示。

譚安江研究員很早就有了在動物上做植物色素研究的想法。2021年,從中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士畢業(yè)的陳凱,加入到譚安江團(tuán)隊,開啟了這項研究。

這是一次零的突破,在此之前從未有人在動物里合成過甜菜紅素。因?yàn)樘烊恢参锷氐纳锖铣赏泛軓?fù)雜,在動物體內(nèi)表達(dá)非常困難。

“蠶是天然的生物反應(yīng)器,我們以酪氨酸為底物,通過遺傳轉(zhuǎn)化在蠶體內(nèi)導(dǎo)入關(guān)鍵的3個基因,分別是CYP76AD1、DODA和Glucosyltransferase,經(jīng)過3個酶促反應(yīng)和一些自發(fā)反應(yīng),靠蠶體自身合成甜菜紅素。”陳凱介紹。

這些甜菜紅素主要在幼蟲絲腺中合成并積累,伴隨著吐絲過程分泌到蠶繭中,形成的蠶繭呈現(xiàn)明顯的紅色。

普通蠶繭與含有甜菜紅素的紅色蠶繭

并且,只要把這些紅色的蠶繭在水里泡一下,這種植物色素就能析出溶解在水里。通過這種方法很容易就能把甜菜紅素提取出來,其含量是14.4微克/毫克。

“經(jīng)過我們的檢測,提取了甜菜紅素后的蠶繭品質(zhì)并未受影響。該研究不僅破解了甜菜紅素的提取難題,還可以實(shí)現(xiàn)2種收益:一是蠶絲本身,二是額外獲得的甜菜紅色素,大大提高了蠶產(chǎn)業(yè)價值,可謂一舉兩得?!标悇P說。

更重要的是,科研團(tuán)隊證明了可以在昆蟲中成功實(shí)現(xiàn)跨界之間的異源表達(dá),為天然化合物的異質(zhì)生物合成提供了一個重要參考。

投稿最順的一次,僅用了2個月

在2021年研究初啟時,陳凱從沒想過自己的研究會登上頂刊。在此之前,他也不具備向頂刊投稿的經(jīng)驗(yàn)。

但是,當(dāng)團(tuán)隊在蠶繭上獲得了甜菜紅素時,大家懷著激動的心情,決定沖一沖PNAS。畢竟,這是史無前例的發(fā)現(xiàn)。

2022年年底,團(tuán)隊已經(jīng)基本完成數(shù)據(jù)的采集工作,今年初又補(bǔ)做了一些實(shí)驗(yàn)。文章經(jīng)過兩個多月的打磨,終于在4月19日投出。

這篇承載著諸多期許的文章一經(jīng)投出,陳凱的一顆心就再也沒有安穩(wěn)過。他天天查看文章的實(shí)時狀態(tài),當(dāng)看到被送審時,緊繃的神經(jīng)終于稍微松快了一些?!拔已芯窟^別人投頂刊的經(jīng)驗(yàn),像PNAS送審的概率大約是10%,只要送審了希望就很大?!?/span>

投稿一個月后,團(tuán)隊收到了兩位審稿人比較正面的意見,這相當(dāng)于成功了一半。兩位審稿人都認(rèn)為這項研究很有意思,并提出了一個相同的問題:通過遺傳轉(zhuǎn)化把3個基因?qū)胄Q體內(nèi)發(fā)生反應(yīng),在表達(dá)甜菜紅素后,是否會影響蠶的健康生長、正常孵化,對蠶本身是有益還是有害?

為了回答審稿人的疑問,團(tuán)隊補(bǔ)充做了一些實(shí)驗(yàn),捕捉到表達(dá)甜菜紅素的蠶更加抗餓。針對生長影響的問題,他們又補(bǔ)充做了相關(guān)實(shí)驗(yàn),統(tǒng)計了蠶的生長曲線、孵化率。得出的結(jié)論是,表達(dá)甜菜紅素的蠶完全可以健康生長和正常孵化。

審稿意見回復(fù)發(fā)出后,審稿人都比較滿意。這篇論文僅用了2個月時間,在6月27日就被提示接收。這是陳凱投稿最順暢的一次,他認(rèn)為有一定的運(yùn)氣加持。

回想起自己寫人生第一篇論文時,無論寫稿、投稿都是舉步維艱?!白詈竽萌プ寧熃愫蛯?dǎo)師看的時候,都感覺寫得像垃圾一樣,后面又花了很多精力,改了半年左右才投稿。我只能自我寬慰,做科研沒捷徑,而且自己也不是天才,這些困難都是必經(jīng)之路?!?/span>

為了不受困于英語表達(dá),在寫作上拖后腿,陳凱埋進(jìn)了一堆堆的文獻(xiàn)里,模仿別人的遣詞造句和行文邏輯。日復(fù)一日練習(xí),第二篇、第三篇……越寫越順手,這條溝壑終于成功邁過。

對他來說,這篇發(fā)表在PNAS上的文章,既是一份滿意的答卷,也是一個嶄新的開始。

譚安江團(tuán)隊

如果有機(jī)會,想去更廣大的天地開闊眼界

陳凱與蠶結(jié)緣于2015年。從西北工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)的他,考到中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心碩博連讀。剛到實(shí)驗(yàn)室,他的第一件事就是學(xué)養(yǎng)蠶。

最初,看著那些以果蠅為模式動物的同行們,陳凱總是投出羨慕的目光。比起養(yǎng)蠶,養(yǎng)果蠅更輕松些,果蠅相對比較“皮實(shí)”,放置半個月不聞不問也無大礙,而且生長周期很短,有利于提高研究效率。

蠶可“嬌貴”得很。比如,當(dāng)蠶處于幼年時,所用的桑葉要非常嫩,當(dāng)長大一點(diǎn)兒則需要用老一點(diǎn)兒的桑葉;當(dāng)蠶在蛻皮時,需要讓它所處的環(huán)境保持干燥。養(yǎng)蠶可是一門精細(xì)活。

“每天得喂兩次,早上去實(shí)驗(yàn)室,自己還餓著肚子,卻先惦記著喂蠶?!标悇P說,有一次去蘇州玩,早上出發(fā)前到實(shí)驗(yàn)室喂了蠶,玩了一圈晚上再趕回來喂第二頓。

若碰上出差,陳凱只能將這些“心上蠶”交由學(xué)生照料。但有些學(xué)生因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)不足,養(yǎng)死了一批,令他很是心疼。因?yàn)樾Q的生長周期相對較長,失去一批很影響研究進(jìn)度。所以,能親力親為的事情,陳凱都不愿假手他人,至今依然如此。

一向做事細(xì)致的他,已然練就了能馬上識別蠶是否有異樣的“火眼金睛”,通過看就能判斷蠶是否感染細(xì)菌或病毒。他笑著說,可能這輩子都要跟蠶打交道了。

陳凱一直認(rèn)為自己并非天賦異稟的人,更多靠的是重復(fù)積累經(jīng)驗(yàn)。他曾經(jīng)也有過一陣難熬的階段?!霸谧x博第二年下學(xué)期開始,我很想做出成績,但基本毫無進(jìn)展,心里有些著急,因?yàn)樗5臅r間不多了,于是開始瘋狂做實(shí)驗(yàn)。那段時間經(jīng)常從早上七八點(diǎn)一直干到凌晨兩三點(diǎn)。”

主要做什么呢?就是反復(fù)練習(xí)顯微注射,這是今后研究中每一次做轉(zhuǎn)基因都要用到的基本技能。

顯微注射雖然很基礎(chǔ),但是對剛?cè)腴T的人來說比較困難。按每天要注射10個基因、每個轉(zhuǎn)基因要打500粒卵來算,也就是每天要注射5000粒卵,如此大的工程,非常耗時耗力。

雖然過程很單一,每天都在機(jī)械地重復(fù),但陳凱從不應(yīng)付了事,他說自己是靠著內(nèi)驅(qū)動力撐下來的。無論是培養(yǎng)基礎(chǔ)技能,還是去天馬行空地搞創(chuàng)新,人的心理素質(zhì)一定要好,要學(xué)會樂觀積極面對。

“壓力肯定有,各行各業(yè)都有壓力,只要你想做得更好,肯定要付出更多的精力和代價。雖然來到高校任職相對比較自由,但我現(xiàn)在除了吃飯、睡覺外,基本都'泡’在實(shí)驗(yàn)室,科研作息還是和在研究所時一樣,已經(jīng)習(xí)慣了。”陳凱說。

陳凱心里還埋藏著一件憾事,博士畢業(yè)那年正逢新冠疫情,他失去了出國做博士后的機(jī)會?!袄显谝粋€地方待著,眼界會受限。如果有可能,我還是想到更廣的天地去學(xué)習(xí),讓科學(xué)研究碰撞出更多的火花?!?/span>

論文鏈接:

https://doi.org/10.1073/pnas.2306322120

*文中圖片皆由受訪者提供

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