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樊春海院士:倘徉于学科交叉的“界面”
发布:Iron_MAN10   时间:2019/11/29 8:07:37   阅读:131 
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11月22日,2019年中科院新增当选院士名单公布。上海交通大学化学化工学院王宽诚讲席教授樊春海榜上有名,当选为中国科学院院士。

“界面”,是物质相与相的分界面。两相交界处是物质传输、能量交换和信号转化的场所。樊春海往往喜欢从界面入手寻找科学问题。科学上的新理论、新发明的产生,新的工程技术的出现,经常是在学科的边缘或交叉点上。在他看来,“界面”就是“交叉”,学科交叉就是学科的“界面”。

初露锋芒展头角,“学科交叉”乃初心

1992年,准备参加高考的樊春海报考了南京大学生物化学系。“当时选择生物化学很盲目,一点也不了解。但是隐约感觉生物化学既有生物,又有化学,这个名字很酷!”樊春海回忆说。

当时的生物化学系有著名的百岁教授郑集先生,以及我国生物制药技术研发的开拓者之一和肝素、尿激酶工业的创始人朱德煦先生等知名学者。朱德煦时任系主任,着力推动学科交叉。“学不好化学,就做不好生物化学”是当时系里的口号。在此浓郁的学科交叉背景下,化学系陈洪渊先生的分析化学博士李根喜成为了朱先生的博士后。

陈洪渊是我国著名分析化学家、中国科学院院士、生命分析化学概念的创导者和生命分析化学国家重点实验室的创始人。他也是著名的教育家,桃李满天下。2015年,陈洪渊被授予《自然》杰出导师终身成就奖。李根喜于1996年留在生物化学系任教,樊春海在此时恰好进入实验室做毕业设计,在他的建议下决定跟随朱德煦、李根喜两位导师攻读研究生。

由此,樊春海在科研生涯的早期就幸运地得到了朱德煦、陈洪渊两位先生的耳提面命,从两位学术大师在生物化学和分析化学两条学术传承线的交叉点上起步。他在研究生期间从事的电化学生物传感器研究延续至今,二十余年来始终为其实验室的研究主线之一。

2000年,樊春海在南京大学获得生物化学与分子生物学博士学位。当年的诺贝尔化学奖授予了圣芭芭拉加州大学艾伦·黑格(Alan J. Heeger)等3位开创了导电高分子领域的教授。樊春海偶然阅读到《先进材料》杂志关于黑格的一篇专访。他表示,在获奖后希望做一些以往不敢做的事,比如生物学,特别是生物传感是最重要的一件事情。这使樊春海受到极大的鼓舞,鼓足勇气向黑格申请博士后并获得认可。

在来到风景秀丽的加州海滨城市圣芭芭拉之后,樊春海才发现黑格居然是物理系教授,而且他始终认为自己是物理学家。一位物理学家获得了诺贝尔化学奖,然后开始做生物学,这使樊春海感到非常震撼。很多年后,黑格在中国的一次演讲中谦虚地说:我当时对生物一窍不通,连DNA分子这样最基本的知识都是春海教我的。然而,在黑格实验室的博士后经历,使樊春海从一个初出茅庐的年轻研究者一下跨入到了学科交叉的前沿。“黑格教授给我留下的最深印象是看问题的眼光非常开阔,而且他特别推崇学科交叉。”樊春海说。

在黑格实验室工作期间,繁杂的科研工作曾让樊春海一度感到应接不暇。他向黑格请教如何在复杂多变的形势下做事。黑格很干脆地说:“很简单,你就挑最重要的事情做。”简单的一句话为樊春海开辟出一条清晰的道路:“这句话我记忆犹新,对我的影响也最大。”

在黑格指导下,樊春海陆续取得了一些研究进展,相关研究工作在美国《国家科学院院刊》和《美国化学会志》等权威杂志上发表。其中,他们发展出了一种被命名为E-DNA的电化学DNA生物传感器,得到了国际同行的广泛好评。美国化学会C&E News将其评为2003年重要化学进展之一,《生物技术趋势》杂志连续发表两篇评论论文进行点评,其中一位评论作者即2019年新任《科学》杂志主编的H. Holden Thorp教授。

梅花香自苦寒来,科研之路多崎岖

博士后经历极大地拓宽了樊春海的眼界,并坚定了他从事学科交叉的信心。当时国内正处于学科建设的起步阶段,需要大量新生血液。2004年1月,樊春海在中国科学院百人计划资助下加入了中国科学院上海应用物理研究所。

凑巧的是,在他入职答辩的那一天,正值研究所承担的上海同步辐射光源项目在历经十年艰辛筹备后获批。这是当时中国最大的科学研究设施,可谓举世瞩目。樊春海当即决定选择应用物理所并于第二日签约。在后来被称为“上海光源精神”的引导下,这一国际先进水平的同步辐射光源仅用五年时间即落成。2009年,《自然》杂志以“中国进入世界级同步辐射俱乐部”为题专题报道。而这五年也正是樊春海从零开始、白手起家建设实验室的五年。

深受上海光源精神鼓舞的樊春海希望能做出同样具有国际影响力的研究工作。研究所李民乾先生和胡钧研究员是国内纳米生物交叉研究的早期探索者。在他们的指导和帮助下,樊春海结合自身在DNA研究方面的背景,逐渐明确了以DNA纳米技术为抓手来形成研究特色。DNA纳米技术是利用DNA分子卓越的自组装和识别能力,将其作为一种纳米材料实现精确的纳米构筑。

2006年,樊春海、胡钧与上海交通大学贺林院士等合作,共同创制了DNA分子组装而成的纳米尺度“中国地图”,并发表于《科学通报》中英文版。这成为“DNA折纸术”这一前沿交叉领域中第二个发表的工作,并以中国特色的形象在国际上亮相。经过多年积累,樊春海团队发展了DNA自组装结构诱导纳米尺度精准矿化的新方法,在保持DNA纳米结构精巧设计的前提下显著提升其力学性能,为仿生纳米孔道的构建与分析应用打开了新的大门。该工作于2018年在《自然》杂志发表,实现了中国研究者在DNA纳米技术领域的首次突破。

樊春海并没有满足于仅仅用DNA来制造漂亮的纳米图案,而是始终想着如何将纳米思维引入到生物传感研究中,希望通过DNA纳米技术来提升生物检测的性能。不忘初心,方得始终。在不懈的探索中,他们团队于2010年实现了突破。针对界面生物分子识别的复杂性挑战,樊春海独辟蹊径提出将DNA四面体结构用于电化学传感界面的调控,建立了“先组装、后检测”的框架核酸传感新方法,突破了界面限域组装与识别的难题,对促进生命分析化学的发展做出了贡献。

众人拾柴火焰高,“学科交叉”须合力

为了推动国内DNA纳米技术领域的发展,樊春海与学术界同行积极开展国际交流,努力在国际学术界发出来自中国的声音。例如,他与刘冬生、王树教授自2009年起创办了“DNA纳米技术国际研讨会”系列,吸引了包括DNA纳米技术领域之父西曼(Nadrian C. Seeman)教授在内的一批顶级学者参加。2017年,他专程赴美国参加在奥斯丁得克萨斯大学举行的第23届DNA计算与分子编程国际会议(“DNA23”)。这是领域内最重要的国际学术会议,他作为中国代表发表演讲并承接了第24届在中国举办的任务。他与唐波、刘冬生教授作为共同主席于次年举办了 “DNA24”,该次大会被会议执行委员会赞誉为规模空前的巨大成功。

基于研究所的科研基础和对国际学科交叉动向的领悟,樊春海、胡钧、黄庆等在上海应用物理所领导支持下于2008年组建了物理生物学研究室(物理生物学所级重点实验室),樊春海担任研究室主任。

物理生物学是利用新近发展起来的物理学新概念和先进技术,以化学为桥梁,使生物学建立在定量基础之上的新兴前沿交叉学科。物理生物学实验室则是该交叉学科领域国内第一个成建制的研究单元。物理生物学研究室的建立为充分利用上海同步辐射光源等先进物理手段并开展多学科合作打开了局面。

两相交界的表界面是物质、能量交换和信号转化的场所,却又是常规手段难以研究的区域。特别是,界面上的微量生物分子往往难以探测,更难确定其分子构象和取向。物理生物学研究室系统研究了生物分子在宏观及纳米尺度上与无机材料界面的相互作用,并利用同步辐射等先进表征技术,深化了对传感界面上生物分子吸附、组装和识别等物理化学过程的理解。他们通过对界面的功能设计与调控,显著提高了生物传感过程中的生物分子识别能力;通过界面共组装精确调控了蛋白质、DNA等生物分子及细胞在宏观和纳米界面上的吸附和可控耦联,从而显著提高了生物传感过程中生物分子的识别效率,并建立了生物传感识别与生物检测性能之间的关联。相关成果总结为“生物分子界面作用过程的机制、调控及生物分析应用研究”,并于2016年获得国家自然科学奖二等奖。

物理生物学研究室不仅可以充分利用同步辐射这样的先进科学装置,更有机会组建融合物理、化学和生物于一体的多学科研究团队。这种独特的学科交叉研究氛围不仅使生物传感研究能够快速推进,而且能够拓宽更多前沿的研究方向。樊春海团队近年来更是将体外检测的生物传感探针应用到细胞内部,致力于发展框架核酸细胞成像技术。他们还依托上海光源,在国家自然科学基金委重大仪器研制项目的支持下自行研制显微镜,积极推动活体分析和脑成像研究。

《自然—化学》在2019年以“化学求索之路”(Charting a course for chemistry)为题发表了纪念创刊十周年的专题论文,樊春海作为全球50余名受邀作者之一提出化学领域的挑战性问题:“一个令人激动的学科前沿是理解人工设计的核酸结构如何在活细胞和动物体内组装并发挥作用。创造新的工具来控制活细胞内的天然和人工核酸分子的组装过程,将有可能为核酸化学领域带来革命性的变化,从而推动纳米诊疗和精准医学的发展。更长远考虑的话,另一个大有可为的研究方向是探索和发展具有人工智能的DNA或RNA机器人,并在动物和人体内工作。”

2018年4月,樊春海以王宽诚讲席教授身份正式加盟上海交通大学化学化工学院。在学校和学院的全力支持下,樊春海以新落成的转化医学国家重大科技基础设施为基地建设“框架核酸设计与纳米医学诊疗”实验室。

这是新起点,也是新征程。樊春海希望在二十余年从事生物传感基础研究的基础上,将发展起来的核酸分析新方法在实际临床中得到转化和应用。特别是他得到了中国科学院院士、上海交通大学分子医学研究院院长谭蔚泓的鼎力支持,在仁济医院积极与临床医生开展合作,尝试将生物传感器用于前列腺癌早期预警,并探索发展低成本医疗检测的可能。


来源:中国科学报

 
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