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21世纪是生命科学的世纪,但是千万不要进生物系 | 专访欧阳颀院士

时间: 2016年08月24日 | 作者: admin | 来源: 环球科学
北京大学教授、中科院院士欧阳颀谈合成生物学研究、科研和教育。


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“国内合成生物学的路,一开始就走偏了。”

“很多大学的生物系不是在做education,而是在做de-education。”

“用现在的方式培养出来的生物学家来推动21世纪的科技革命,那差得太远。”

 

北京大学教授、中科院院士欧阳颀以直率、敢说著称,但他的这些犀利评论,不能说不是反映了国内该领域科研和教学的一些现状。出身清华大学化学系,现在北京大学物理学院做生物学相关研究的他,在系统生物学与合成生物学研究方面都走在中国乃至世界前列。

 

近期,他受“未来论坛”之邀,在中国科学技术馆做了一场题为《科学、科学家和科学前沿》的主题演讲,讲座结束后,《环球科学》就合成生物学研究、科研和教育等方面的问题,对他进行了专访。

 

《环球科学》:我们一直非注合成生物学的发展,在近十年来该领域也取得了非常多的进展,像人造生命、合成酵母染色体等,这些都是很重要的成果。但是,从公众层面来讲,很多人对这门学科了解还不够,能不能首先介绍一下合成生物学及其要实现的目标?

 

欧阳颀:合成生物学大概是在2000年左右出现的。合成生物学主要的观点是什么呢?就是我们可以用理性设计的方法来创造或者改造生命体,以为人类服务。在当时的情况下,合成生物学有三个主要发展方向:

 

一个方面是基因合成,比如美国科学家文特尔(J.Graig Venter)合成了病毒、合成支原体的基因组,现在中国也参与合成了酵母菌的染色体。今年又有一些科学家开会说要合成人类基因组,这引起了很大的恐慌,后来科学家解释说不是合成人类基因组,而是研究人类基因组。实际上,我们合成基因组,摸索出合成基因组的最佳方法,并了解合成条件和成本,实际上也是在为以后的合成生物学做准备。这是合成生物学的一支。

 

另外一支就是以凯斯林(Jay D. Keasling)为代表的,对生物的代谢系统做改造,让生物产出原来不产的东西,这方面的比较典型的工作有两个。一个是凯斯林的代表作——合成青蒿素前体。青蒿是一种植物,之前为了得到青蒿素,我们必须种青蒿,然后提取,屠呦呦因此获得诺贝尔奖。凯斯林所做的,就是用细菌去大量生产青蒿素前体。他一直在做这个,自称花了2000个“博士后年”才把这个东西做出来,最终真的能用酵母菌产生青蒿素前体了,这是一个很大的突破。最近一个是有位叫斯莫尔克(Christina Smolke)的研究人员用酵母菌生产可卡因,她这个研究也是在对生物的代谢系统做改造。

 

第三条路,就是从理性设计的角度出发来重新搭建生物,即用可预测的方法来从下到上地构建一种生物。类比到电子工业,电子工业的基础元件是三极管,在三极管的基础上搭建逻辑门,在逻辑门的基础上再来搭建模块,在模块的基础上再发展计算机网络等等。那么,生物学上有一部分人就想用电子工程的设计理念来搭建模块,这是我主要从事的工作。目前的情况,可以基本上说有些元器件可以做到定量运算了,对于简单的逻辑门,我也可以做到定量运算,但再往上就不行了,这是目前的程度。国际上现在也是这个程度,可以说在这方面,我们和国际上处于同一水平。

 

《环球科学》:如果拿一天24小时作类比的话,24时表示学科已经发展得比较完全了,那么合成生物学现在的发展程度相当于什么时刻?

 

欧阳颀:凌晨四五点钟吧。就是说,我们还没有掌握合成生物学所需的基本方法,对这门科学的内在规律的掌握还不是很完善,但是我们已经积累了经验。在原核细胞中,在今后10到20年内可能会实现定量操作,也就是说,设计和生产能够实现分家。

 

《环球科学》:现阶段合成生物学的发展存在瓶颈吗?瓶颈是什么?

 

欧阳颀:瓶颈在系统生物学上。怎样定量预测一个像细胞一样的复杂系统的运动规律,这个我们做不到。这不是合成生物学的任务,是系统生物学的任务。系统生物学做的主要是科学上的事情,主要关注生命体的运动规律是什么;合成生物学的主要任务是我怎样用这些规律来设计一个生命体或者改造一个生命体,来完成我们希望它完成的任务,主要是工程方面的。

 

《环球科学》:上述工作大多是其他国家的科学家做的,那么国内的合成生物学有何进展呢?

 

欧阳颀:国内合成生物学是从七八年前开始的,可能还要更早些。虽然开始的时间和国际上相差无几,但是一开始这条路就走偏了。

 

为什么呢?因为以前没有多少人在做合成生物学,更没有多少人知道合成生物学的精髓是什么。对于合成生物学的先导项目,国家给了一大笔钱,一部分给了做结构的,另外1/3到2/3给了做代谢工程的。给了这些领域的科学家之后,他们基本还是用传统的方法来改造细胞,很少有合成生物学的意思。所以,虽然现在国内的合成生物学看起来有了很多成果,但很多都只是酶工程、代谢工程、微生物工程方面的工作,这只是一条路,也就是凯斯林走的那条路,但是凯斯林也提倡理性设计。所以我认为合成生物学的路在中国从一开始就走偏了,合成生物学基础研究明显不足,我实际上一直在纠偏。

 

那么合成生物学在中国是什么状况呢?从我刚才讲的可以看出,我们与世界顶尖水平的距离还有扩大的趋势。

 

《环球科学》:是因为路走偏了所以差距越来越大?

 

欧阳颀:至少有一部分不理解合成生物学的人占了合成生物学的资源,所以我对中国的合成生物学是担忧的。

 

《环球科学》:在中国,真正在做合成生物学的有哪些团队呢?

 

欧阳颀:我的团队算一个,我是研究基本问题的(我也不需要多少钱,不给我合成生物学的钱我也可以做)。另一个是赵国屏院士,他是真正做了一些事情。我认为他做的最值得称道的事情是做了一个信息平台,可以把世界前沿的合成生物学资源及时介绍到中国来。另外,他还想建立一个合成生物学的元件库,但还不是十分成功,当然,他自己也做了很多基础的东西。还有邓子新院士,他在代谢系统基因模块化方面有独到的工作。

 

清华大学的陈国强也在用合成生物学的理念来改良他的细胞。他主要是用细菌来生产一种工程塑料前体,这是一种很重要的材料。外界的评论也认为,陈国强做的研究最像合成生物学。另外就是中国科学院微生物研究所的娄春波,他是我的学生,他在研究一些基础问题的同时,也关心合成生物学成果的转化。

 

《环球科学》:在合成生物学领域,iGEM大赛有着广泛影响力(大赛全称是“国际遗传工程机器设计大赛”,主要面向全球的大学本科生,旨在培养合成生物学人才,并促进交流与合作),国内有很多高校队伍参加,并且取得了非常好的成绩,因此走上合成生物学的道路的优秀学生多吗?

 

欧阳颀:我从2007年就开始带北大的iGEM队伍。娄春波就是2007年iGEM队伍的队员,他现在在中国科学院微生物研究所的主要研究方向就是合成生物学,而且做得非常好,这是一个例子。还有一个例子也是我的学生(张浩千),他今年年底博士毕业,2009年参加了一届,2010年作为领队又参加了一届。娄春波那届是得了世界第一的大奖,2010年那次北大学生是得了第二名,比第一名只差一票。张浩千现在已经建立了一个合成生物学的公司了,而且他现在开始盈利了,这些都是做合成生物学的。

 

当然,不是说所有参加iGEM的同学都从事合成生物学,但是确实有做得好的,在研究和产品开发领域做得比较好。

 

《环球科学》:那么如果我们可以留住这些优秀的年轻科学家的话,我们能不能缩小差距?

 

欧阳颀:这个我就不太清楚了。恐怕不是一代人的事儿,现在的话,刚才那两个就是例子。

 

《环球科学》:我们来聊一聊你的故事吧。你出身化学系,然后学习生物学,后来加盟物理学院,这样多样化的背景是怎么形成的?

 

欧阳颀:兴趣!就是你对某一个方面的问题感兴趣,这个问题可以从化学、物理、生物学角度去探索,从哪个方面去探索更好就去哪里。从化学层面到物理层面简化后,你发现还有复杂的东西,就到生命科学方向去探索。

 

《环球科学》:所以是你对交叉学科的问题感兴趣,还是你感兴趣的问题使你选择了交叉学科?

 

欧阳颀:我觉得任何一个真正的问题都不只是一个学科的问题。就是说一个问题,我们可以从各个层面去研究它。你可以从物理的角度去研究它,比如从基本的原理出发怎样做出经典物理模型;你可以从化学的角度出发,从化学热力学、化学动力学的角度去探究;你也可以从生物的角度来研究。哪个角度的研究方便,你就到哪个方面去,这是问题驱动的。

 

“做科研最重要的就是要有好奇心,一个好的科学家就是能把做科研看成玩儿。”

 

《环球科学》:在北大物理学院,有非常优秀的本科生(比如年级第一)找你当导师,做本科生科研。你认为能做好科研的学生应该具备哪些素质呢?

 

欧阳颀:其实还是我所说的,要有好奇心。好奇心就是他觉得这个东西好玩儿,就是玩儿心。一个好的科学家就是能把做科研看成玩儿。别人打游戏的时候觉得好玩,我觉得做科研也很好玩。这是最重要的,他对这个感兴趣就去做。

 

另一方面,是必须要有一定的基础科学知识,这个基础实际上高中是不具备的,高中的教育实际上是扼杀这种基础的。我说的基础知识不是说我学的是物理,我只了解物理,还是需要有一个比较全面的素质。可以说,做任何的科研工作都不是说我应用自身的专业知识就够了,你的知识结构里面对任何知识都应该有一点儿,大部分都需要学习。如果你的知识面比较广泛的话,你要学的东西可能就稍微少一点,上手稍微快一点。我带本科生的时候好的学生都有这个特质。

 

第三个是他的学习不能太差,在学校里面被分数压得喘不过气,那也不行。

 

《环球科学》:那么科研所需要的素质可不可以训练出来?需要一些什么样的训练呢?

 

欧阳颀:训练越早越好。中国就是到大学才开始训练,可能有点太晚了。当然,我也做过一些训练,主要是启发学生自己思考。比如说,本科生到我这里来,我不告诉他们做什么,我问他们自己想做什么,给一个很大的方向,让他们自己想题目,这样来调动他们自己,他们总会做一个自己感兴趣的东西,启发自己的想法。

 

研究生的话不太一样,因为我总要让他们帮我完成一些科研任务,但我还是给他们最大限度的自由度,让他们自己愿意干什么就干什么。这是一个兴趣上的训练,就是别到博士毕业后还不知道怎么做科研。做科研最重要的就是要找前沿方向,要建立兴趣。我每周会开一个讨论会,每个人讨论的题目绝对不能是自己熟悉的东西,一定得是跟我们科研无关的东西。

 

我每周找一名本科生或者研究生,对一个科学前沿,一篇Nature文章或者几篇文章做一个综述,方向基本和我现在研究的东西无关。这么两点训练,一个是怎么组织思路,就是训练怎样看懂一篇文章,并把这篇文章讲出来,另一方面这样还能拓宽学生的眼界,看到外面还有别的东西,说不定和我们的东西就有连线。

 

《环球科学》:到现在为止,有连线的例子出现过吗?

 

欧阳颀:现在还没有出现过。就是打一个基础,这就是我现在大概的想法。以后也希望研究生能这样,他想干啥干啥;现在不行,现在的研究生还得让他完成任务。以后我们可能会把完成任务的工作交给博士后,对研究生以教育为主而不是科研劳动力为主,这以后慢慢会改变的。

 

《环球科学》:你似乎说过这样一句话,21世纪是生命科学的世纪,但是不能进生物系。为什么有这样的观点呢?

 

欧阳颀:观点分几个层面。首先,大学生物系的教育需要做深刻的改革,我有一个论断:很多大学的生物系不是在做education(教育),而是在做de-education(“去教育”)。

 

为什么这么说呢?你从生物系学生入校的精神状态和毕业的精神状态就知道了。这完全是de-education,生物系的课程设计几乎全是背,但实际上你背得再多,等你毕业的时候全忘光了。所以生物系培养出来的人不可能在系统、定量这些问题上对生物有巨大贡献。

 

此外,生物学需要把一些科学上的东西工程化、规模化。什么叫工程化呢?就是你的设计和生产应该要能分开,其标志,就是你的理论能够定量地预测你所设计的东西的行为,什么样的input就一定有什么样的output。你的预测能力越高,设计能力越强,就越可以放心地把设计蓝图放到生产车间,按这个计划生产一定没有问题。现在的生物根本就没有定量运算,怎么做预测?所以想用现在的方式培养出来的生物学家来推动21世纪的科技革命,那差得太远。

 

《环球科学》:所以需要跨学科的知识背景吗?

 

欧阳颀:主要是因为生物学不行,所以需要其他学科。如果想建立生物世纪的话,你必须把定量科学拉入到生物学中。不光是国内,国外生物学的主流都不知道什么叫定量科学。现在的生物学缺乏定量的概念。目前生物学在简单的功能程度上大概可以实现定量化,比如适应性(adaptability)。搞清楚了功能以后,我们相应地就可以自己设计相关的功能,以达到特定的目的,但一旦涉及到多个功能结合在一起时,我们就不清楚了,我们还没能掌握它们互相耦合的规律。就像我刚刚说的,刚到凌晨四五点的阶段。

 

《环球科学》:现在公众对转基因问题偏见很深,可能合成生物学比传统的生物学更激进一些,未来合成生物学会不会引起更多争议呢?

 

欧阳颀:这个好像不太容易回答。现在已经有不少争议了。比如前几年哈尔滨兽医研究所在Science上发了一篇文章,把两种病毒杂交起来,得到了一个感染率极强、致死率极高、通过空气传播的病毒。这个工作被压了半年不让发表,最后还是发表了。

 

《环球科学》:你认为这样的研究是不应该做的?

 

欧阳颀:他们说这是为了研究病毒杂交的规律,但是可能再过五十年,一个高中生在自己的厨房里就能做。那就不得了!我想看看我们的病毒多厉害,就像现在计算机病毒会在网上传播一样,我把病毒放到地铁里,看看它传播多厉害、杀死多少人。现在没有一个权威机构说哪些事不许干,哪些事可以干,全世界都没有,都是靠道德来约束,这是不行的。我们中国因为转基因问题专门成立了一个“农业转基因生物安全委员会”,所有的转基因产品必须经过安全委员会的批准才能商业化,我觉得这还挺好。

 

《环球科学》:说到转基因,你怎么看转基因技术遇到的困境?

 

欧阳颀:转基因作物吃起来和普通的作物并没有什么区别,这是非常简单的事情,吃到肚子里的东西都被消化了,你让他们看看细胞生物学都明白了。但反对转基因的很多人就一直鼓吹阴谋论。我看到有文章讲,清朝才引进火车的时候,当时人们都认为是怪物,到哪里都撬铁轨,破坏火车,说是断了大清的龙脉。你说没有龙脉,他就让你证明怎么没龙脉,说到底就是愚昧!他跟你不在一个思维水平上,是没办法交流的。

 

这种现象,当然可以通过教育来慢慢改善,但是如果因为这个而让中国在种子上长期依赖于国外,每年花那么多钱,我们自己能做的事情我们不敢做,那这又是政策层面上的事情了,需要国家出面。