新功能、新界面、新体验,扫描即可下载生物谷APP!
首页 » 生物信息学 » 林炳承:精准把握前沿研究方向的战略型科学家

林炳承:精准把握前沿研究方向的战略型科学家

来源:科学中国人/鲁长国 2016-12-19 16:04



“苟利国家生死以,岂因祸福避趋之。”人总是要留一点东西给社会的,对于从事科学研究的科学家来说更是如此。在他们看来,勇于担当,富有为国家和社会需求服务的社会责任感,是一种基本素质。

上世纪70~80年代,由于石油工业的推动,我国对色谱学科的需求空前旺盛,色谱因而获得了大规模的发展。有这样一位中国科学家,因在色谱研究中的杰出成就而成为著名的德国洪堡基金的访问学者。

上世纪90年代,美国启动了人类基因组计划。作为基因测序的主要技术平台,毛细管电泳应运而生。还是这位科学家,在90年代初这个特定的历史时期,毅然回国,在非常艰难的科研环境中组建毛细管电泳实验室,并用整整十年带领学生亲历它从起步发展到成熟,步步逼近巅峰,而他本人也因此成为该领域国际重要学术期刊Electrophoresis(《电泳》)杂志的副主编。

世纪之交,在人类基因组计划主体部分完成之际,毛细管电泳作为一种重要平台技术的历史地位已被确立。也就在此时,生命科学的全面崛起推动相关社会需求的进一步提升,一种更小的、能够对流体进行更微量、更精准操控的三维平台——襁褓之中的微流控芯片正呼之欲出。依然是这位科学家,凭借其独到的洞察能力,在常人看来前景远不明朗的朦胧时期果断出手,集中了手头几乎全部可调用的力量,倾力推动……

这位科学家,就是中国科学院大连化学物理研究所研究员,大连理工大学教授林炳承。林炳承自叙其科研生涯只做了三件事,即起步阶段的色谱,亲力主导的毛细管电泳和微流控芯片。近几十年的科学史证明,当年的毛细管电泳和微流控芯片都堪称是发展前景巨大的“潜力股”。在百废待兴的二三十年前,能够正确判断,扎根去做,并且取得极高的成就,这本身就是一件难能可贵的事情。

在谈及这一段历史时,林炳承表示,一个有所成就的科学家应该具备的基本能力是:“看得准,抓得住,做得好。”他进一步解释道:“在科学发展的关键时刻,一定要能看准新的科学研究方向,看准是引导的基础;看准了之后,要摆脱种种干扰,努力去抓住,允许小的偏离,确保大体不变;等到真正抓住了,更要‘大胆假设,小心求证’,宁拙毋巧,宁朴勿华,倾其所有,一丝不苟地把它做好。”

两个重大的战略决策

1978年,改革开放初期,为尽快改变科研队伍严重青黄不接的状况,中国科学院招收第一批研究生,林炳承就是其中的一员。他也是改革开放后中国科学院的第一批博士。作为一位成长于转型年代的科学家,林炳承身上带有一种深深的以国家战略和社会需求为导向开展科学研究的时代烙印。

“我们在20世纪80年代后期就意识到关于色谱研究的主要工作已经做完,因此考虑布局新的学科研究方向,‘人类基因组计划’的提出,让我看到了毛细管电泳的潜力。”90年代初,林炳承带领团队组建毛细管电泳实验室,这也是国内最早全面研究毛细管电泳的团队。不同于色谱研究时的参与身份,林炳承在毛细管电泳的研究方面拥有绝对的主导地位。在他的带领下,团队在基因分型、手性拆分等方面取得了卓越的成就。1995年,林炳承所着的《毛细管电泳导论》一书由科学出版社出版。90年代后期,林炳承团队已发展成为当时国际上毛细管电泳领域最重要的实验室之一。此后的十多年中,林炳承在电泳杂志副主编的岗位上对国际毛细管电泳领域的发展做出了重要贡献。

毛细管电泳作为第一代基因测序的核心平台,对人类基因组计划的最终完成起到了决定性的作用,林炳承的毛细管电泳研究团队也因此完成了他们的历史使命。上世纪末到本世纪初,林炳承又一次考虑为团队确定新的研究方向,“这次,我们抓的是微流控芯片,而历史证明我们又对了。”林炳承说:“2001年,我招收了两批共12名博士研究生,我只留了一位继续做毛细管电泳,剩下的11位统统都被派去做微流控芯片。”

这时的林炳承已年过半百,但从这近乎背水一战的果断举动来看,对于第二次转型,他依然满怀信心。而后的发展表明,他的团队又因此成为国内最早从事微流控芯片研究的课题组之一,并在整个21世纪00年代,一直活跃在国际微流控芯片领域的前沿,进而把这种辉煌,延续至今。

芯片实验室的建立

在林炳承科研生涯涉足的三件事中,微流控芯片显得尤为精彩。

微流控芯片,又称芯片实验室,是一种以在微米尺度空间对流体精准操控为主要特征的科学技术,具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力。它把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离,细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成到一块很小的芯片上,由微通道形成网络,以可控流体贯穿整个系统,用以实现常规化学或生物实验室的各种功能。

在国际学术界几乎同期起步,缺少可借鉴先进技术和产业支撑的情况下,林炳承带领课题组经过短短几年的努力,就具备了自行设计、制造多种不同材料的芯片和不同检测器的芯片工作站的能力,掌握了化学和生物实验室主要单元操作的芯片化及其集成技术,建立了具有自主知识产权和核心竞争力、富有生物医学特色的微流控芯片系统,并应用于疾病诊断和药物筛选,实现了微流控芯片的功能化,推动了微流控芯片的学科建设。

早在2004年,林炳承团队所承担的两个项目“微流控芯片生产工艺与表面修饰技术”和“系列微流控芯片分析仪的研制”就已通过中国科学院组织的专家鉴定。这标志着“微流控芯片实验室”平台的初步建成,并催发了他们在疾病诊断、物种识别、药物筛选等方面的功能化研究以及单细胞与单分子检测技术研究,真可谓旗开得胜。林炳承团队以较少的投入取得了突出的成绩,赢得了国内外同行的高度赞誉,使中国的微流控芯片研究比较早地处于国际前沿地位。当时,“芯片实验室”技术开拓者之一、欧洲终身成就奖获得者,原英国帝国理工的A.Manz教授曾说:“大连化物所的芯片实验室研究发展很快,令人吃惊。”美国三院院士,哈佛大学G.Writeside教授更直接致信林炳承教授对大连团队的工作表示赞赏。

在此后的一些年里,林炳承团队发表了大量关于微流控芯片的研究文章。他们在国际上首次提出并实现了利用喷蜡打印制作纸质微流控芯片的新技术,大大缩短了制作时间和成本,降低了技术门槛。时至今日,喷蜡打印已成为纸质芯片制作的最通用技术,有力推动了纸质芯片的发展。仅2008年前后一年多时间里,团队关于细胞水平和模式生物(线虫)水平高通量药物筛选研究及药物代谢研究的工作,就连续三次被本领域最重要国际刊物Lab on Chip(《芯片实验室》)作为封面文章刊登,引起国际芯片和药物研究领域的广泛关注。线虫芯片的工作发表后,下载量和引用率长期居高不下,并很快被英国皇家学会的Chemical Biology(《化学生物学》)作为亮点报道。美国Michigan大学线虫研究著名学者N.Chronis教授的评论称,“这一工作非常令人鼓舞,它极有可能使人们能够准确记录单个线虫在接受药物刺激后行为的瞬间变化,为模式生物高通量药物筛选提供一个重要平台。”

随着微流控芯片技术应用范围的不断扩大,团队面临着下一轮主攻方向的定位问题。林炳承及时、敏锐地把细胞研究作为团队微流控芯片研究的主要出口。他在以研究化学物理见长的大连化物所建起了第一个细胞培养室,招收了第一个医学背景的博士研究生,并先后在微流控芯片上完成了细胞的系列培养、多种细胞的共培养和三维共培养、兔软骨组织培养,以及带有肝微粒体的药物代谢等工作,进而于2010年10月的香山科学会议上正式提出并启动微流控芯片仿生组织-器官的研究,甚至于不失时机地自行研发3D 生物打印机和生物墨水,配合微流控芯片的器官仿生研究。

近期,林炳承团队研发成功了一种使多种细胞及组织在体外共存的类器官多功能微流控芯片,该芯片能同时测定药物的吸收、分布、代谢、消除等药代动力学参数,进行药物的抗肿瘤和肝毒性评价,初步具备了试验用动物的功能,为微流控仿生组织-器官芯片进行药代和药理研究,并部分替代临床前动物试验迈出了重要的一步。目前,林炳承团队正和医科大学的肾科、口腔科、妇产科、胃肠科和肿瘤科的医学专家一起,研究相应的器官芯片,并积极和干细胞研究的专家合作,寻求在芯片上实现成人诱导干细胞定向转化为各种器官细胞,进而开展个体化治疗的可行性。2015年,大连化物所基于微流控芯片的单细胞分析研究组成立,开始了在单个细胞层面上开展蛋白质和核酸分析的进程。

至此,林炳承完成了以微流控芯片为基础平台,以细胞为核心对象,覆盖从单细胞分析到全器官仿生的整体布局。对于林炳承这样的战略型科学家而言,确定这样一个带有前瞻性、全局性的主攻方向的重要性,丝毫不亚于当年对毛细管电泳和微流控芯片的选择。

在谈到这些时,林炳承微微有点动情,他说,“由于很多政策层面的限制,有一个阶段,我们曾经很困难,没有很多资源,无论是人力还是物力,几乎是又一次从零开始。我们走到今天这一步很难。”

但是他们竟然做到了。靠的是什么?林炳承说:“一是前瞻性的学术思想;二是全方位的研究积累。当然,还包括很多好心人的真诚帮助。”

2011年6月,受大连化物所领导委托,林炳承为所里的青年研究人员做了一个题为“思想先行”的报告,报告联系世界科学史和自身几十年的实践,对前瞻性学术思想在科学研究中的地位、学术思想形成的几种途径、学术思想和个人素质的关系、学术思想的战略层面和战术层面等作了较为详尽的说明。在报告的最后,他说了这么一段话:“学术界总是要有点思想的,好的学术思想一般是独立的,独立的学术思想是一个科学家有别于其它科学家的本质属性,形成独立的学术思想应当被看成是科学家一生最重要的追求。”事实上,过去的几十年中,在学术研究的每个重要关键时刻,林炳承就是凭借他的敏锐直觉和宽阔视野,不断实践上述基本判断,强化前瞻性学术思想,精准操控自身科学研究方向,带领团队,跨过一个个艰难险阻,超越自我。“思想先行”的典型例子是,从1992年到2007年的15年中,林炳承以92%的极高成功率申请到包括3项重点基金在内的11项国家自然科学基金,这些指标,至今依然在大连化物所名列前茅。

林炳承还非常重视研究积累。在中国科学院,他耳濡目染了老一辈科学家“以任务带学科”的基本做法。他说:“我们要在完成国家任务的同时,及时把得到的丰富的一线材料进行去粗取精,去伪存真,由此及彼,由表及里的改造制作,把特殊抽象为一般,从实验上升到理论,一步步形成自己的学科。”在林炳承看来,微流控芯片正在发展成为一门学科。而他自己也努力带领他的团队直接参与微流控芯片学科的建设。显然,只有形成了学科,发展才可能持续。所有的学科都有自身的基础,而基础连同它所支撑的学科,都需要全方位的积累。积累是一个过程,过程有可能加快,但永远无法略去。

从2006年到2013年,林炳承团队先后撰写,并由科学出版社出版了《微流控芯片实验室》《图解微流控芯片实验室》和《微纳流控芯片实验室》三部专着。成书过程中,团队从思想、内容到逻辑、文字,对全书的方方面面作了反复的讨论、充实、推敲和斟酌,力求引证梳理兼有,综合分析并重,迹浅意深,言近旨远。特别是,以作者实验室的工作贯穿始终,字里行间渗透着来自第一线劳作的艰辛。这三部着作,连同团队关于微流控芯片的100多篇学术论文,70余份专利,一批英文专辑和着作等,作为微流控芯片领域极为宝贵的财富积累,对我国及国际微流控芯片事业的发展起到了非常重要的作用。

基于以上这些研究成果,林炳承的团队先后获得2002年辽宁省自然科学奖一等奖,2007年辽宁省科技进步奖一等奖,以及2010年国家科学技术进步奖二等奖。

林炳承很早就是英国皇家化学会的会士,很长一段时期,也曾是《芯片实验室》杂志唯一的中国籍编委。在此期间,他曾应邀为该杂志主编了一期题为“Focus on China(聚焦中国)”的专辑,集中反映了来自大陆、香港和台湾的中国学者在微流控芯片领域的研究进展,产生了重要的国际影响。近期,林炳承被推举为亚太微分离分析系列学术会议(APCE)学术指导委员会主席。

注定要被深度产业化的科学技术

微流控芯片的重要性在于:它是当代极为重要的新兴科学技术平台和国家层面产业转型的潜在战略领域,是一种注定要被深度产业化的科学技术。

微流控芯片的第一轮产业化已在体外诊断领域启动,特别是其中的即时诊断,即在病人身边,或者置于家庭、社区、事故灾害现场或资源匮乏地区的被检对象身边直接开展诊断的技术,也包括正在崛起的单细胞分析和第二代、第三代基因测序技术。下一轮产业化将要波及的会是用于超大规模和超高通量的药物和其他材料筛选的液滴芯片技术,以及用于个体化治疗、制药产业和化妆品产业等的组织-器官芯片技术。未来,微流控芯片还有望与半导体电子芯片技术深度对接,精准操控在平面上移动的成千上万计的用作反应器的数字液滴,用于大规模测序中的文库制备。

林炳承深知,他们这一代科学家缺少直接投身产业的客观条件和成功案例,因此,他选择从鼓励、支持和帮助年轻一代着手,以精准医学和精准药学为推手,推动国家在这个重要领域的产业化进程。

2015年12月,林炳承团队和南方科技大学共同主办了“深圳-大连微流控芯片及其产业化战略研讨会”。 这个定位为小型高端的会议充分利用深圳在全国创新产业发展中的领军地位和大连作为我国微流控芯片研发核心基地的地域优势,以需求导向、产业引领、学科交叉和深入讨论为主要特色,就微流控芯片关键技术的研发,微流控芯片在转化医学等方面的应用,以及微流控芯片的产业化等问题展开深入讨论。

2016年6月,林炳承应邀在1000余人参加的“中国POCT(即时诊断)年会”上作了题为“微流控芯片:POCT产业崛起的科学技术支撑”的大会报告,紧接着又在上海东方科技论坛上作了题为“微流控器官芯片的崛起及其产业化前景”的会议主旨报告,从不同侧面提醒与会的科技人员和创业人士,在人类比以往任何时候都更重视自身健康的今天,一定要牢牢抓住微流控芯片这个牵动我国精准医学和精准药学快速发展的“牛鼻子”。

作为一个战略层面的科学家,林炳承认为,微流控芯片技术有可能会像50年前微电子技术为信息科学的发展引发一场革命一样,在引领未来相关科学技术及产业的发展中起到极其重要的作用。它很可能成为下一轮产业转型的突破点之一,在相当程度上影响人类经济和社会的发展。

林炳承敏锐地感觉到,随着微流控芯片的产业化进程显着加快,其设计和工程层面的问题被提上日程。借鉴上世纪七八十年代电子芯片发展的经验,芯片产业化的竞争将首先会反映在芯片的设计上,而微流控芯片设计的优劣在很大程度上取决于研究设计人员在微流体力学上的功底。尽快地从力学角度较为系统的向第一线的研究设计人员介绍微流控芯片中流体运动的特点,寻求力学家和化学家、生物学家和工程学家之间沟通的桥梁,一直被林炳承列为微流控芯片战略推进的重要议题。多年来,林炳承不断在不同场合向不同专业的人士强调这一问题。2016年7月,在国家自然科学基金委和中国科技大学主办的微流体力学高级讲习班上,林炳承向与会的来自全国各地的380位青年力学教师和研究生介绍微流控芯片产业化过程中的力学需求,鼓励他们为国家的产业转型做出贡献。

林炳承培养的学生中,已经有人组建了自己的公司,开始了艰苦的创业历程,比如从事核酸体外诊断的北京百康芯生物和从事食品安全检测的杭州霆科生物科技。林炳承充分体谅他们在创业初期的困难,给他们提出很多建议,为他们提供团队的积累,帮助他们和融资单位沟通,甚至参加他们的产品发布会,尽心尽意地为学生的产业献计献策,喜闻乐见他们在产业化道路上的每一个进步。

薪火相传的科学精神

林炳承是全国优秀博士论文指导教师,也是很多所海外大学或研究机构的客座教授,现已培养了70余名学生,以博士研究生为主,也有一些硕士研究生和博士后,至今仍有一些学生在读。林炳承认为,微流控芯片是一种典型的多学科交叉的科学技术,而这种交叉又能极大地促进学科的发展,因此他有意识地挑选来自化学、医学、药学、生物学、物理学和工程学等不同专业的学生,使他们在学生时代就得以学会和不同领域的同学、同事相互理解、相互渗透。特别是,考虑到未来社会的需求,学生中有医学背景的占到了20%。现在,这批学生中已有二三十位教授、副教授和公司的老总,他们正领导着各自的微流控芯片研究团队或微流控芯片公司,活跃在全国各地。他们是中国第一代微流控芯片研究和开发队伍的中坚力量,他们的工作和国内其他团队的工作一起,构筑了中国微流控芯片研究和开发的核心基础。

在林炳承看来,他们是火种。他精心地呵护这些火种,期盼着有朝一日他们的燎原。他常对学生们说,“我们这一代,在非常艰难的环境下,把队伍带到了国际前沿。你们这一代有了这么好的条件,更应当有责任走到国际最前面,参与对整个领域的引领。”他认为,微流控芯片的研究和产业化,是一定会被不断推进的,它对社会发展的影响,才刚刚显现。因此,他期待着有一支宏大的队伍参与这样一种推进,期待着有一批人,而不是一两个,参与引领。如果这一批引领者视野开阔,胸怀博大,微流控芯片在整体范围内对社会发展的影响,将指日可待。

“现在,我直接联系的有三个团队,一个在大连化物所做单细胞分析,一个在大连理工大学做器官芯片,还有一个在大连医科大学从事肿瘤芯片和外泌体研究。直接领导这三个团队的是我原来的三位学生,他们从耶鲁等海外名校回来,年富力强,朝气蓬勃,我只起到一个学术上建议和工作上协调的作用,努力让这三个团队在内部形成一个合作机制,瞄准精准医学和精准药学这样的目标,承担并完成有一定全局意义的重大课题。”林炳承介绍说,“除此之外,我们已经建立了一个大连化物所微流控芯片校友的年会制度,我希望这三个合作的团队能联合全国各地由我前学生领导的微流控芯片研究或开发团队,联合我们在医学、药学、材料学等领域的朋友,共同推进我国微流控芯片及其应用的研究和产业化进程。最近的一个例子是,11月下旬的校友年邀请了全国化学、医学和材料学界的著名中青年专家在徐州举办‘2016精准医学、精准药学中的微流控芯片高端论坛’。”

每天早晨七点多,在中国科学院大连化学物理研究所内西侧山坡的林荫小道上,总能看见一位儒雅的长者,提着一个公文包,拾级而上。十多分钟后,林炳承教授打开办公室的门,开始了又一天的工作。

生物谷Bioon.com)
温馨提示:87%用户都在生物谷APP上阅读,扫描立刻下载! 天天精彩!


...(全文约10658字)
显示全文...
<< 去看24小时最新(37)

相关标签

最新会议 培训班 期刊库