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      2. 程和平:搶占生命科學研究的關鍵制高點

        編者按:2020年11月3日,何梁何利基金頒獎大會在京舉行,北京大學程和平、顏學慶、季加孚等三位教授獲得何梁何利基金科學與技術進步獎。北京大學校報采訪了三位獲獎者,講述他們的科研學術之路和教學育人的故事。

        2020年金秋,何梁何利基金頒獎大會在北京隆重舉行。北京大學分子醫學研究所程和平院士獲得“何梁何利基金科學與技術進步獎”,獎掖他在生物醫學基礎研究和高端科研儀器的自主研制領域所作出的突出貢獻。

        程和平近照

        作為“鈣火花”和“超氧炫”等生命現象的發現者、2.2克微型化雙光子熒光顯微鏡研發團隊領軍人和“多模態跨尺度生物醫學成像”項目的首席科學家,程和平在生命科學的理論、技術與應用的多層面頗有斬獲。在他樸素而明亮的辦公室里,程和平接受了校報記者的專訪,分享了他近40年學術生涯里的艱辛、驚喜與感動。

        交叉背景——從未名湖畔到馬里蘭

        1980年,程和平從家鄉安徽桐城進入北京大學力學系求學。初入燕園的青澀少年大概很難預想,就在不久的將來,自己將會成為北大交叉培養的“實驗品”。

        “我在北大有三位導師,力學系的吳望一先生、生物系的陳守良先生與無線電系的王楚先生,他們是我跨學科研究的三位引路人?!北究乒プx力學的程和平最早與生物學結緣,就是在陳守良的生理學課上?!吧韺W是講原理的,講邏輯和實驗論證的,陳先生又補充了很多科學發現和歷史人物故事,我覺得特別有興趣?!背毯推叫φ?,當時有一個章節的考試難度較大,“同學們都考趴下了,我力學系的數理底子不錯,一下子獲得了老師的青睞?!?/p>

        攻讀碩士之初,吳望一先生在未名湖畔偶遇陳守良先生,“他們決定拿我做個實驗,想要交叉培養?!币虼?,程和平在跟隨吳老師學習生物力學的同時,還在陳先生的指導下研修生理學專業課程,此外,吳老師還規定他要在北醫修人體解剖課。當時北大開始設立雙學位,申請只對本科生開放,在兩位老師的積極爭取下,我有幸入選,修完了生理學和生物力學的課程”。1987年獲得碩士學位的同時,程和平拿到了“001”號本科第二學位證書。

        為了進一步鍛煉實驗能力與動手能力,碩士畢業的程和平在無線電系擔任助教。第一年旁聽王楚先生的電子學原理和電子線路實驗課,第二年在數字電路教研室做“數字電路原理”課程的助教,為本科生大實驗課設計PID溫控實驗。在這個過程中,勤學敏思的程和平還發表了多篇小論文。談及在北大的“坎坷”學術經歷,程和平感慨良多:“在北大的九年打下了良好的基礎,后來在美國做科研,這些年學的‘十八般武藝’都用到了?!?/p>

        1990年,程和平追隨妻子肖瑞平的腳步遠赴美國留學。如果說燕園九載為他奠定了求學之基,那么在馬里蘭大學的學術浸染則是將他帶到了學科發展的最前沿?!霸诿绹?,我接觸到尖端的科學技術,見識到一批科學大家,并在文化的交融中視野更寬廣,體會到科研從發現現象到提煉概念與原理的真諦?!?/p>

        程和平至今對他在美國的導師心存感激。第一次拜訪導師時,他就“坦白”了自己的學成回國意向?!拔耶敃r告訴導師,我一定要回到中國去,希望您不要失望?!弊尦毯推揭馔獾氖?,他的導師對此非常支持,導師的鼓勵使得程和平在學海的搏擊愈發堅韌自信。

        成就斐然——從“鈣火花”到“超氧炫”

        馬里蘭大學生理系實驗室的門口至今仍掛著一個牌匾——“鈣火花誕生地”,以紀念1993年程和平和他導師師徒三人的著名發現。鈣離子是細胞內重要的信使物質,1992年冬天,正在攻讀博士的程和平利用一臺自主改裝的二手激光掃描共聚焦顯微鏡,發現靜息狀態的大鼠心肌細胞中存在自發性的微點鈣釋放現象,并將其命名為“鈣火花”。1993年,相關論文發表于《科學》 (Science) 雜志,這也讓程和平在生物學界一舉成名。

        鈣火花的發現使得在微納米尺度研究鈣信號的分子過程成為可能,也給眾多疾病的病因、病理探索帶來了新的契機。此后的20余年中,程和平及其團隊在“鈣火花學”這一新興領域開展縱深研究。2008年,程和平應《生理學評論》 (Physiological Reviews) 雜志之邀,對這一新興領域的研究進程撰寫了近五萬字的綜述。

        程和平告訴記者,在美國做實驗時共聚焦顯微鏡還是稀有物品,一般人也不會用?!鞍l現了新現象后,還有大量的編程問題、圖像處理問題,還要數學建模。因此需要動手能力、圖像處理能力和數理能力的多管齊下。我在無線電系旁聽過圖像處理課程,恰好還派上了大用場?!?/p>

        1998年,程和平開始協助北大建設生物膜與膜生物工程國家重點實驗室。2006年,他辭去美國國立衛生研究院(NIH)高級研究員的終身職位全職回國?!拔沂窍铝藳Q心要回來找“根”的。母校支持我,投入大量資金購買了設備,還成立了分子醫學研究所。有了設備和平臺,Ping(肖瑞平)和我終于可以回母校為祖國做點貢獻了?!背毯推秸f道。

        重返燕園,程和平、肖瑞平夫婦決定在轉化醫學領域闖出一片天地?!八敃r提出來要做轉化,我很支持。國家投入了那么多錢,應該研發出新藥物、新裝備、新的診療方法來回饋社會。我們的‘上篇’是做基礎研究,‘下篇’就要做轉化?!边@一設想得到了許智宏校長、林建華校長等校領導的大力支持,但在研究所草創階段,依舊困難重重:“分子醫學所是一項非常超前的事業,整個系統那時并不成熟。比如我們做靈長類研究,就得從建動物房、去全國各地‘抓猴子’開始,還要建國際最高標準的實驗動物管理體系?!? 程和平回憶道。

        程和平在分子醫學所主持“鈣信號轉導實驗室”,繼續在“鈣火花學”領域做探索。在線粒體鈣信號的研究過程中,程和平團隊意外觀測到心肌細胞內的單個線粒體會隨機爆發式地產生超氧信號,這一現象被他命名為“線粒體超氧炫”?!俺蹯拧笔菑V泛存在、高度保守、量子化的線粒體信號事件,以之為靶點,有望發展出調控生理病理過程的相關策略。2008年,《細胞》 (Cell) 雜志發表了程和平團隊的相關進展,這項成果也入選了2008年度“中國高等學校十大科技進展”,并被收入《中國科學發展報告(2009)》中。

        大科學平臺——從懷柔科學城到江北新區

        程和平告訴記者,生命科學是一門前沿科學,復雜的、發現型的實驗科學在很大程度上就是技術與手段的競爭?!按罂茖W平臺是能改變生命科學研究范式的核心動力,我們要建設航空母艦級的大科學平臺,為未來的生命科學創新搶占一個關鍵制高點?!?/p>

        早在求學階段,程和平已然深刻體會了高精尖儀器的重要性?!疤热魢鴥鹊那把卦O備始終依賴進口,或者我們的科學家只能去外國做實驗,那么將錯失許多具有開創性價值的成果?!苯Y合自己的理學與工學背景并響應國家的需求,程和平將研究重心逐漸向生物醫學成像技術傾斜。2017年,他的團隊推出了自主研制的重僅2.2克、高時空分辨的微型化雙光子顯微鏡(FHIRM-TPM)。

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        程和平(右三)與團隊成員在一起

        在美國求學時,程和平曾赴康奈爾大學世界上首個雙光子實驗室,做了最早的雙光子細胞成像實驗?!澳抢锏臋C器太大了,貴且笨重,還特別嬌氣”,他又去看了斯坦福大學研發的微型單光子顯微鏡,但比起雙光子顯微成像,存在成像深度淺、沒有“光學斷層效應”等缺點?!拔覀兙拖胙邪l出微型化雙光子顯微鏡,通過一個佩戴式裝置就能看到小鼠腦中的各種變化?!币婚_始這被視為不可能完成的任務,但在程和平團隊的不懈努力下,雙光子顯微鏡的核心部件逐步降低至2.2克,可以輕松將其佩戴在小鼠或者小鳥頭上。變不可能為可能——程和平團隊站到了腦科學成像領域的最前沿。

        目前,他正在領銜建設 “多模態跨尺度生物醫學成像設施”,這項位于北京懷柔科學城的“國之重器”傾注了程和平的大量心血?!傲幗衲耆娣忭?,明年裝備入駐,后年開始試運行,五年之內建成并通過國家驗收?!背毯推礁嬖V記者,該平臺前后建設投入20多億人民幣?!按罂茖W平臺將帶來生命科學研究的范式創新,我們希望能夠挖掘到‘大科學發現’,培育年輕一代的‘大科學思維’”。他們正在面向全國科學家征集具有前瞻性的原創科研構想,以制定富有價值的、依托大設施的研究計劃。

        另一個讓程和平傾力推動的項目是轉化平臺的落地。2019年4月,北京大學與南京江北新區管委會簽署合作協議,共建校地合作科研成果轉化項目——北京大學分子醫學南京轉化研究院。轉化院分為“腦園”和“藥園”兩個部分,由程和平、肖瑞平分別領銜“高端生物醫學成像裝置”“重大疾病創新藥物研發”兩大科研方向?!啊X園’匯集中國科學家原創獨有的成像技術,從整體大腦到神經環路再到活體細胞與分子,揭示大腦這個‘小宇宙’內部的景象。所以,我們給它取名為 ‘南京腦觀象臺’”程和平告訴記者。

        桃李春風——從“一對佳人”到“一批將軍”

        今年七夕,程和平與肖瑞平的愛情故事在北大官微一經推出迅速收獲了“10萬+”的點擊量,官微后臺更是收獲了讀者滿滿的祝福。這對“神仙眷侶”放棄美國優厚待遇回國、在事業和生活上相互扶持的故事溫暖了整個燕園。

        程和平坦言,一路走來最感謝的還是妻子肖瑞平?!拔覀円粋€是金星,一個是火星?!睂W術伉儷彼此提攜與欣賞,高度互補的研究領域與思維方式常常碰撞出別樣的靈感?!爱斎?,我們也常有沖突爭吵的時候,但爭吵也是交流的一種方式?!背毯推叫Φ?。

        為中國、為北大培養新一代科研人才,是夫妻倆回國伊始就堅定起的志向。歸國從教十余年,程和平精心培育了一屆又一屆燕園學子。盡管學生們對程和平的評價是“可愛”“隨和”“沒有任何負擔”,但是程和平卻認為自己是個“急性子”,甚至有時候覺得對學生有點過于嚴格?!安簧倥瑢W都被批評哭過,有的學生哭了五年半,因為科研成果非常理想,笑著畢業了!”程和平笑著說。

        程和平對北大學生有著很高的期許。他將科研攻關形象比喻為打仗,每打一個大仗,就要出一批將軍?!皩W生們一進實驗室,我就會告訴他們,我們是要培養‘將軍’的?!背毯推秸f,“受益于嚴格的學術訓練模式,學生們畢業后在世界各地,在祖國大江南北,取得了非常優秀的成績,我為他們欣慰。我也鼓勵學生多元性的選擇,如果你愿意從政,為百姓做些實事,也是一樣很有價值,我為他加油?!?/p>

        在程和平看來,現在的中國年輕的科研工作者非常幸運。伴隨著國力的增強與國際影響力的提升,中國本土的科研條件正在改善,中國學人也擁有了更多立于世界學術之林的自信。但在當下,相較于前輩師長,青年學子們更需修煉一顆不急不躁的沉潛之心?!氨贝蟮膶W生和我上學那會兒比,本質上沒有什么不一樣,他們三觀都很正,也愿意為國家和事業奮斗。大方向是正的,人生才能有境界。我愿意盡己所能,為學生‘打工’,我的老師怎么帶我,我就怎么帶自己的學生,也希望他們將來把這種精神傳承下去!”程和平由衷地說。

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