互动科普

在人类基因组的2万多个基因中，约有30%编码的是膜蛋白（即细胞膜上的蛋白质）；而在FDA批准上市的药物中，一半以上以膜蛋白为作用目标。很多基础生命活动，都需要膜蛋白的参与：作为“载体”帮助营养物质分子完成跨膜转运；作为“受体”，帮助传导各种细胞信号；作为“通道”，精细调控小分子与离子在细胞膜两侧的浓度……

然而，对于数量如此庞大、功能如此重要的膜蛋白，科学家对它们的精微结构和工作机理却一直知之甚少。科学家绝非对膜蛋白视而不见。相反，世界范围内有许多研究膜蛋白结构的科研小组，但由于膜蛋白不容易提取、提纯等问题，这些小组要么长期艰难跋涉，要么中途改弦易辙。当然，也有极少数出类拔萃的团队屡有斩获，清华大学医学院的颜宁教授领导的研究小组，就是其中的杰出代表，他们用了不到5年时间，成功解析了5个重要膜蛋白的结构，并初步揭示其工作机理。

2007年，不到30岁的颜宁回到本科时的母校清华大学，成为清华大学最年轻的教授、博士生导师，她在医学院独立建设并领导了一个实验室，开始了她的独立研究之路。选择什么样的研究课题，这是她面临的第一个问题。此前7年，颜宁曾在美国普林斯顿大学一直致力于蛋白质结构研究，正因为这段经历，她决定向结构生物学中最难的领域“开炮”——目标，膜蛋白。

最初阶段，颜宁带领的小组并没有死盯住一两种膜蛋白，而是走了一条聪明的“筛选”之路：首先在一系列膜蛋白中，找出相对容易提纯和结晶的，然后集中精力去解析它们的结构和功能。这种聪明的“筛选”策略再配以团队成员的不懈努力，丰硕的结果就接踵而至了。两三年间，颜宁的团队就相继破解了3个膜蛋白的结构——2009年的甲酸转运蛋白FocA，2010年的岩藻糖转运蛋白，以及2011年的尿嘧啶转运蛋白UraA。

随着对膜蛋白研究经验的积累，颜宁的团队在这一领域越来越驾轻就熟，于是她开始朝着“觊觎已久”的两个目标开进：葡萄糖转运蛋白和电压门控离子通道。研究很快取得了突破。2012年，她两次在《自然》杂志发表研究论文，报道了NavRh（电压门控钠离子通道NaChBac的细菌同源蛋白）和Xy1E（葡萄糖转运蛋白GLUT1-4在大肠杆菌中的同源蛋白）结构和功能。

短短5年，从“白手起家”到连续突破，似乎幸运之神一直眷顾着颜宁。当回顾这段“充满运气”的经历时，她说：“我真正的运气在于教了一批很好的学生，他们肯干、能干，最关键的是不畏艰难。其实现在想想，很多人觉得膜蛋白难，可能是最开始就被吓住了，没人敢去做。”确实，只有不畏艰难，才有可能创造卓越。颜宁和她的团队已经证明了这一点，相信她们还将继续变更多的 不可能为可能，为药物开发提供越来越多的理论依据。

任何准爸爸和准妈妈，都希望即将迎来的小宝宝健康、聪明，无论身体、智力，都没有任何缺陷。于是，孕妇会接受各种产前检测。“唐筛”就是其中之一（即唐氏综合征产前筛查）。

唐氏综合征是一种非常严重的遗传疾病，中国活产婴儿中该病发生率约0.5‰～0.6‰，患儿往往在智力和语言方面存在较大障碍，体格发育落后，并可能伴有其他畸形症状。然而，对于这种遗传风险，目前常用的产前检测并不如人意。一般的“唐筛”是这样的：首先检测孕妇血液中某些标记物的浓度，计算出一个危险指数。如果这一数值较高，孕妇就要进一步做羊膜穿刺或绒毛检查，而这种侵入性检测有较大风险，平均每200例就会导致一例流产。再加上“唐筛”中，检测血液标记物时存在较高的假阳性（即有些没有唐氏综合征的胎儿，检测结果却是相反），导致许多胎儿并没有问题的孕妇，由于血液检测结果偏高而不得不接受侵入性检测，无端面临胎儿流产风险。

有没有一种更安全、更准确的方法呢？多年来，香港中文大学医学院的赵慧君教授和同事一直在探索新的检测方法，她们研究出利用母亲血浆来分析胎儿DNA的非侵入性检测技术，已经成功用于诊断胎儿是否患有唐氏综合征。新方法直接针对唐氏综合征的病理学物质，即患病胎儿基因组中多出的21号染色体（相反，“唐筛”只检测唐氏综合征的相关表型特征），因此达到非常高的准确性，而假阳性检出率只有1/1000，从而使99.9%的孕妇避免了侵入性检测带来的流产风险。

利用母亲血浆来分析胎儿DNA，从而诊断胎儿是否患有唐氏综合征，这说起来容易做起来难，其中有许多技术挑战。首先，血浆中DNA含量很低，绝大多数来自母体的DNA，胎儿DNA大约只有10%，因此，唐氏综合征患儿的母亲血浆中，21号染色体DNA的总量与正常水平的差异极小。目前，各种分子生物学方法都无法检测到如此微小的差别。赵慧君教授创造性地将近年出现的大规模平行测序技术用于DNA计数，由于每一轮测序可以检测到几百万至几十亿的基因序列，因此就可以非常精确地检测血浆中的DNA含量。

只有这一种技术还不行，因为一毫升母体血浆中的DNA含量并不高，检测结果在精确性上仍然达不到要求。面对这一难题，赵慧君教授又设计出新的随机测序法，不再针对特定基因序列，而是对21号染色体上的所有基因片断进行计数。因此，孕妇血浆中胎儿21号染色体上的所有DNA信息，都会被挖掘出来，从而极大地提高了检测灵敏度。如今，这种非侵入性检测技术已经成功用于多种遗传疾病的产前诊断，在中国香港、美国以及欧洲多个国家，新技术已经在临床上应用。

计算机的出现，只有短短几十年，却已经完全改变了我们的生活。随着CPU的速度越来越快，芯片元件大小已逼近极限尺度。未来，人类需要从更微观的尺度找到突破，量子计算和低能耗自旋电子学无疑成了最大的亮点。然而目前，在实验室实现对微观量子态的操纵非常难，即使可能，极为苛刻的条件也让应用前景变得遥不可及。

这是一场新的信息革命，一项极具挑战性的工作，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻这个梦想，马旭村就是这支队伍中的佼佼者。她的研究领域之一是拓扑绝缘体。这是一种具有新奇量子特性的材料，既不是导体，也不是绝缘体，而是介于两者之间——内部绝缘，表面上却允许电荷移动。

早在40多年前，理论物理学家就预言，这种特殊的材料具有一些新奇的量子特性。然而，由于实验室一直无法制备出质量足够好的样品用于分析，这些物理性质也迟迟无法得到证实。

正是看到这个契机，马旭村和团队一起开展对这一类量子薄膜材料的研究。毕业于北京大学化学系、拥有无机化学硕士学位背景的她，在材料制备合成方面具有很强的优势。即便如此，研究路上困难依旧重重。就拿应用分子束外延生长动力学制备拓扑绝缘体薄膜来说，要得到高质量单晶的薄膜，就要对材料的生长和制备实现原子尺度上的控制，只有控制一个原子层一个原子层地生长，并能做到对其化学组分的精确控制，材料才能算长好。不过，通过不断实验摸索，马旭村和团队终于掌握了这一过程中的生长动力学和热力学规律，在国际上首次建立了高质量拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学。

从2009年初，三维拓扑绝缘体材料在理论上被预言存在，到这个薄膜材料首次被制备出来，她和团队成员只花了半年时间，使中国在拓扑绝缘体薄膜研究领域中处于国际领先地位。

在制备的基础上，她和团队还利用超低温扫描隧道显微镜和角分辨光电子谱等实验手段，证明了三维拓扑绝缘体的一系列重要特征，这在固体物理的发展上具有非常重要的意义。

除了拓扑绝缘体，她还用同样方法在超导领域取得不小成绩，成功地应用铁基超导薄膜提高了硒化铁的超导转变温度。谈到未来，马旭村非常乐观，“研究超导的研究人员的梦想就是室温超导，虽然现在还离得比较远，但能把这个温度继续提高，就意味着超导机制有新的发现，我想我们还会提高得更多”。

这个世界上，有一个特殊的患者群体。他们承受着疾病的苦痛，却往往被医生、科学家、制药公司所遗忘，所忽略——只因为，他们所患的疾病有一个共同的称呼：罕见病。

罕见病的发病率通常只有十万分之一，甚至数十万分之一，因为发病率极低，造成了这类患者目前所面临的尴尬局面：医生对罕见病不了解，往往错诊或者无法诊断；因为少见，这类疾病难以引起科学家的注意，而制药公司，通常不会投入巨额资金去研制罕见病药物，因为疾病的患者太少，回报不会太高。

然而，总有一些勇敢的科学家愿意踏上一条少有人走过的路，愿意在一个小小的领域，为缓解一小群患者的病痛而做出自己的努力——复旦大学附属华山医院神经科主任医师、复旦大学神经病学研究所所长吴志英就是其中之一。她研究的疾病叫做阵发性运动诱发性运动障碍，这类疾病的发病率很低，只有约十万分之一。

2005年，吴志英刚遇到阵发性运动诱发性运动障碍患者时由于这种疾病的症状与癫痫相似，一直被当做癫痫来治疗，但效果很不好，吴志英就怀疑，这可能不是癫痫。于是她开始查寻相关资料，发现早在1967年，国外就有人报道过阵发性运动诱发性运动障碍，但直到2004年，这种疾病才有了国际诊断标准，而在国内，到2005年，都很少有人关注这种疾病。吴志英还调查发现，这种疾病的发病率可能不是十万分之一，“实际上要高很多，以前认为这类患者少，只是因为我们不了解这种疾病”。这意味着，在过去半个多世纪里，不少人患了这类疾病，却从未得到过正确的诊断和治疗，终生为其所困。而具有讽刺意味的是，这类疾病只要能确诊，是能够治好的。

她决定从基因着手。从2005年开始，吴志英带领研究团队，开始收集患者的DNA样品。因为，只要确定了与这种疾病相关的基因突变，就能非常准确地对患者进行诊断。确诊后，只需极少剂量的卡马西平，就可以让患者变得跟正常人一样。随后几年，吴志英与同事搜集并分析了大量患者的DNA样品，并把患者的DNA数据与上千个正常人的DNA进行比较，最终成功追踪到了阵发性运动诱发性运动障碍的致病基因——位于16号染色体上的PRRT2基因。

PRRT2基因的发现有着里程碑意义：不仅会让阵发性运动诱发性运动障碍的诊断更准确，而且有助于阐明疾病机理。吴志英的研究也让更多科学家注意到了这类疾病，投入到相关研究中，这将真正改变患者们的尴尬境地。