冷冻电镜的跨界大咖秀雷建林与他的科学魔法(2)
【作者】网站采编
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【摘要】1999年11月到2000年1月,在德国慕尼黑大学3个月短期访问学者的经历,更是让雷建林拓展了视野,拓宽了科研思路,也为他后来的冷冻电镜研究打通了“任督
1999年11月到2000年1月,在德国慕尼黑大学3个月短期访问学者的经历,更是让雷建林拓展了视野,拓宽了科研思路,也为他后来的冷冻电镜研究打通了“任督二脉”。
2000年起,雷建林的科研工作转向冷冻电镜领域。当时,这个研究方向尚属冷门,他先后在美国纽约州卫生部沃兹沃斯中心及美国哥伦比亚大学跟随冷冻电镜的先驱及单颗粒算法的首创和实现者、2017年诺贝尔化学奖得主Joachim Frank教授进行冷冻电镜的技术研发工作。
2008年年中,清华大学决定建设新的结构生物学实验平台。于是,在雷建林等人的协助下,清华大学购置了亚洲第一台Titan Krios冷冻电镜。同年11月,雷建林回国到正在筹建的清华大学冷冻电镜平台上任主管。
而这台于2009年3月9日到货服役的设备,也为平台的建设和依托平台的科研工作做出了重大贡献。“它在开展单颗粒分析、电子断层成像等三维结构的研究方面有着突出的优势,能够解析蛋白复合物的近原子分辨率结构以及亚细胞器甚至整个细胞的三维结构。”雷建林介绍。
作为全面负责平台管理与运行的总管,雷建林也和这台设备一起,经历了清华大学冷冻电镜平台逐步壮大的全过程。硬件过硬,效率够高,短短数年,平台已发展成全世界最顶尖的冷冻电镜平台之一。如今,平台已有10台冷冻透射电镜包括4台最高端的Titan Krios电镜,还有2台双束显微镜、关联显微镜及和全套相关的辅助设备等。
可以说,平台的飞速发展,与清华大学“既支持又不干涉”的方式分不开;而不断提高的效率,则与平台团队的精细管理息息相关。作为科研工作的重要设施,申请使用的课题项目很多,仅校内需求便已呈供不应求之势。为此,清华大学成立了专门的委员会以评审申请课题,经过审议决定后,再为课题组分配电镜的使用时间。“我们有一套日常的规章制度,每一台设备都有非常严格的使用须知,这样就保证了设备尽可能在一个比较好的状态下运行。同时,因为我们的设备是7×24小时对外服务的,全年无休,针对此,还有一套激励机制,鼓励平台人员及时为用户解决问题,多做研究,多出成果。”
团队合影
近年来,雷建林还全面负责西湖大学冷冻电镜平台的建设,并为国内众多冷冻电镜平台的建设提供了帮助和建议,助推了我国冷冻电镜的推广和发展。
2014年之前,国内最高端的冷冻电镜还只有3台。从2014年开始,国内外均涌起冷冻电镜的购买热潮。国内很多单位以清华模式为标准陆续建设自己的冷冻电镜平台。据初步统计,到2020年年底,国内安装好的和已经下订单采购的冷冻电镜平台中,最高端的冷冻电镜预计将达40台。
“这7年时间,伴随着冷冻电镜技术的突飞猛进,冷冻电镜平台的建设也遍地开花,这有其合理性,但也有不少非理性的因素。”雷建林感叹。
“每天节省上万元折旧费”的系统能做什么?
冷冻电镜的目标是将结构的解析提高到原子分辨率水平,通常需要通宵达旦收集数天乃至数十天以获得几千数万乃至数十万张电镜照片,如此大规模的数据靠传统的手动采集非常不现实,一方面耗时费力,另一方面效率低下,这实际上已经成为阻碍当前高分辨率的冷冻电镜结构解析的主要瓶颈之一。生物样品普遍具有一定的结构柔性,只有数据量足够大,才能保证结构的有效性。解决这一问题的有效途径就是开发高通量、全自动化的冷冻电镜数据采集系统。
近年来,雷建林先后作为课题负责人和项目骨干,获得国家重点基础研究发展计划和国家重点研发计划的资助。他开发的自动化电镜数据采集技术和各种电镜优化技术广泛应用于冷冻电镜平台,极大地提高了设备的使用效率。
雷建林独立发展的高通量自动化冷冻电镜单颗粒数据收集系统AutoEMation最初只适用于Tecnai系列电镜,随着清华大学引进Titan Krios,2010年扩展至Titan系列电镜。随着直接电子探测器的引入,2016年扩展至直接电子探测器。系统还可根据用户的特殊需要提供深度定制开发,获得了大量的使用。“早在10多年前还在CCD相机时代,我们用移动电子束的方法取代移动样品台的方法,实现了在同一个孔内拍多张照片,从而极大地提高了数据采集效率。到了直接电子探测器K2时期,由于最大的瓶颈是相机数据的吐出速度,移动电子束的方法对效率的提升不够显著。到了K3时期,随着相机数据吐出速度的加快,移动电子束的方法能大幅提升数据采集速度。”雷建林介绍。
文章来源:《清华大学学报》 网址: http://www.qhdxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0619/1426.html
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