紀偉：追求顯微鏡的“微”之極限 | 科苑名匠
點擊： 作者：劉如楠 來源：中科院之聲微信號 發布時間:2024-08-08 11:46:17
▲紀偉 受訪者供圖
今年，12個團隊和8名個人被授予第五屆中國科學院“科苑名匠”稱號。今天分享生物物理所研究員紀偉在科研道路上的初心使命和奮斗故事。
5月中下旬，籌備3個多月、關于高端科研儀器的香山科學會議順利召開。參與會議籌備的紀偉一回到研究所，就扎進一間偏僻的平房。這里曾是間鍋爐房，由于防震條件較好，被改造成精密光學儀器實驗室，也是他最常待的地方。
紀偉是中國科學院生物物理研究所（以下簡稱生物物理所）研究員，曾是正高級工程師。通常，這兩個職稱不會同時出現在一個人身上，但在紀偉身上，工程開發和基礎研究兼而有之，二者和諧統一。2024年，紀偉獲得了第五屆中國科學院“科苑名匠”稱號。
從“慢半拍”到“快半拍”
2015年，紀偉再一次錯失發表頂刊論文的機會——國際同行搶先一步發表。
自2010年博士畢業留所工作后，這樣的場景已經出現過很多次。該團隊的數據剛整理出來，或文章還在審稿中，國際同行的研究成果就已經發表了。
感到十分憋屈的紀偉陷入沉思。
他認為，自己的科研思路沒問題，團隊執行力也很強。多年來，他們團隊研制改造的科研儀器，不僅能為生物物理所的研究提供支撐，還能填補國內相關領域的空白。然而，每當這些成果拿到國際舞臺上較量，總是慢半拍。
“一個重要原因是，我們儀器的關鍵核心部件需要進口，從有好的科學思路到訂購進口零件再到搭建儀器，至少需要半年時間。而國外同行‘近水樓臺’，省下了這個時間，于是總領先我們半拍。”紀偉對《中國科學報》說。
因此，在工作后的9年中，他只發表了幾篇 “小文章”，沒有成果在重量級雜志上發表。
“要想追上國際同行的速度，就要比他們多想一步、多做一步，爭取‘快半拍’。”按照這個標準要求自己，紀偉需要付出更多努力。他主動出擊，改進國內生產的光電器件，使其用于生物顯微成像領域。比如，他與蘇州一家激光器廠家磨合了近10年，終于使該廠家的產品基本取代同類型進口激光器。通過這些努力，紀偉逐漸追回了那半拍。
17世紀，荷蘭科學家安東尼·菲利普斯·范·列文虎克用自制的顯微鏡，第一次觀察到了單細胞生物，人類從此打開了微生物學的大門。但光學顯微鏡分辨率因受衍射限制，一直保持在幾百納米，很難突破。
直到300多年后的本世紀初，超分辨熒光顯微鏡才被發明出來，并獲得了2014年諾貝爾化學獎，它使人們可以在幾十納米尺度上觀察亞細胞結構。不久后，冷凍電鏡單顆粒技術又獲得2017年諾貝爾化學獎，這兩項技術讓人們對生命科學的認識有了翻天覆地的變化。然而，這仍不能滿足科學家日益增長的對細胞原位生物分子觀測的研究需要。
“做超分辨顯微鏡這類高端儀器，對分辨率極限的追求是無止境的。”紀偉說，“生物物理所有個生物大分子國家重點實驗室，科研人員從事核酸、蛋白質等生物大分子研究，這些生命活動的基本單元有著復雜精密的組裝結構，對分子觀察得越清晰，對生命奧秘了解得越深刻。”
多年來，紀偉全身心撲到了對顯微鏡“微”之極限的追求中。
進一步突破光學顯微鏡分辨率
與電鏡相比，光學顯微鏡的最大優勢是透視能力，如果能精細獲取細胞內的三維結構，便能進一步探究其生理病理機制。這不僅可以滿足基礎科研的需要，也有助于推動臨床醫學的進步。
為了突破光學顯微成像極限、實現高端科研儀器自主可控，十幾年來，紀偉一直致力于單分子定位成像儀器技術研究。
在早期復制出獲得諾獎的、分辨率為20納米的單分子定位顯微鏡，填補了國內空白后，紀偉發現這個分辨率仍不能滿足生命科學研究的需要。
“分辨率還能不能進一步提高？”紀偉常常問自己。
在中國科學院院士、生物物理所研究員徐濤的指導下，紀偉帶領團隊向具有更高分辨率的顯微鏡技術發起挑戰。
在兩年多的攻關過程中，紀偉等人面臨的最大難題是單個熒光分子發光時間短，無法滿足相機高速成像的要求。團隊經過反復討論與實踐，又借鑒爆炸物理實驗中的高速攝影策略，最終創造性設計出基于諧振振鏡的干涉條紋快速切換成像光路。
“這相當于給顯微鏡裝上北斗導航精確定位系統，用幾個干涉條紋像‘衛星’一樣交叉定位熒光分子，得到高精度的細胞地圖。”紀偉說。
2019年，這一干涉單分子定位顯微鏡的研究成果登上《自然-方法》，將基于寬場顯微鏡的XY方向成像分辨率提升至5納米以內。后來，他們又將Z方向分辨率也提升至5納米以內。
“在提高分辨率方面，我們做到了事無巨細、極致追求。”紀偉說，團隊經過多年努力，終于做到了國際領先，并圍繞這些技術申請多項專利，取得了自主知識產權。
既是“工程師”又是“研究員”
在追求光學顯微鏡極致分辨率的同時，紀偉帶領科研團隊雙線并行，又在冷凍電鏡原位成像方面取得突破。
利用冷凍電鏡在“原位”觀察分子是近幾年新興的發展領域。這就像人類想了解野生動物，在自然中觀察遠比在動物園中觀察更真實、更準確，但前者實現起來往往更加困難。
為了實現原位觀察，人們發展了冷凍電子斷層成像技術，但其電子束只能透過約200納米的生物樣品成像，因此需要對細胞進行減薄處理。這相當于給冷凍電鏡配一把鋒利的“刀”，用這把“刀”可以從細胞中切出一張薄片，進而實現研究和觀察。
可是，這把“刀”如何能保證精準切出含有目標分子的薄片呢？經過多年實驗研發，紀偉團隊為這把“刀”裝上了“導航系統”，研發出冷凍熒光導航減薄技術。
“茫茫人海中，想找到一個特定的人很難，但如果這個人在夜晚舉著火把，我們就能一下子找到他。同樣，在細胞內部，想找到特定的分子并進行切片很難，但如果讓它發出熒光，我們就能輕松定位，實現精準切片。”紀偉解釋說。
這項成果又讓紀偉多了一項“代表作”。博士畢業至今，他見證著我國高端科研儀器研發從跟跑到并跑，再到部分領跑的過程，更是其中的重要參與者。
在此過程中的2020年，是紀偉“打破常規”的一年。
從那年起，紀偉的頭銜從正高級工程師換成了研究員、課題組長，這意味著，他不僅能夠作為研究所科研平臺人員為基礎科研提供支撐作用，也可以成立課題組，帶領團隊進行高端科研儀器的自主研發和自由探索。
如今，紀偉帶領團隊正在對已有的顯微鏡系統進行工程化設計，努力將其打造成穩定易用的產品。
前不久結束的香山科學會議讓紀偉很是感慨：“與會專家都覺得高端科研儀器的研發到了一個關鍵節點，今后需要我們一起努力，使產業生態和產業鏈越來越完善，真正使我國實現科研儀器技術的自主可控。”
文章來源于中國科學報 ，作者劉如楠
責任編輯：向太陽
特別申明：
1、本文只代表作者個人觀點，不代表本站觀點，僅供大家學習參考；
2、本站屬于非營利性網站，如涉及版權和名譽問題，請及時與本站聯系，我們將及時做相應處理；
3、歡迎各位網友光臨閱覽，文明上網，依法守規，IP可查。
作者 相關信息
內容 相關信息
? 昆侖專題 ?
? 高端精神 ?
? 新征程 新任務 新前景 ?
? 習近平治國理政 理論與實踐 ?
? 國策建言 ?
? 國資國企改革 ?
? 雄安新區建設 ?
? 黨要管黨 從嚴治黨 ?
熱點排行
建言點贊
