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坚守最初的科研梦想
坚守最初的科研梦想
www.dicp.ac.cn    发布时间:2014-09-18 10:19    栏目类别:征文活动
张素芳 张祎昕 刘武军

1816组

  2003年11月,怀揣科研报国的拳拳赤子之心,从国外学成归来的赵宗保博士加入中科院大连化学物理研究所生物技术部,组建了“生物质高效转化”研究组。建组以来,主要从事生物质转化、分子微生物学和化学生物学领域原创性、前瞻性研究,目标是形成获取液体生物燃料和生物基化学品的新技术,并揭示相应转化过程的分子机制。多次得到国家自然科学基金委、科技部及国内外企业资助,2013年度获得国家“杰出青年科学基金”支持。研究成果先后在《自然-通讯》、《美国化学会志》、《美国国家科学院院刊》、《生物燃料技术》、《绿色化学》等重要国际学术刊物上发表,并申请专利60余件。初步形成了具有突出特色的研究。
选择方向、科学布局
  扎实的有机化学背景使得赵宗保很早就敏锐地意识到相对于乙醇、丁醇等低碳链生物基产品,中长链脂肪酸衍生物和部分萜类化合物等氧元素含量低,能量密度高的高还原度化合物,可作为生物燃料、精细化工、食品和医药生产原料。当前这些化合物的生产,高度依赖于石油、油料作物或经济植物资源,但由于化石资源储量和耕地面积的制约,亟待研制新的生产途径。以作物秸秆为典型代表的生物质原料,可再生,资源丰富,但氧含量高,能量密度较低。通过深度脱氧技术将生物质转化为高还原度化合物,对于建立液体燃料生产新路线,发展碳水化合物经济具有战略意义。
  实现科研目标需要有机化学、生物化工、微生物学和分子生物学等多学科的专业背景,选择合适的团队成员和科学的学科布局成为关键。研究组历经成员引进、骨干培养和方向调整,完成了生物质转化、氧化还原代谢调控、分子微生物学以及合成微生物学的学科布局和相应团队组建。为打造优秀的科研团队,赵宗保倾注于团队成员的成长,他因人制宜,量体裁衣,给大家合适的发展空间,帮助他们快速成长。他还特别强调,“我们的团队是学习型组织,大家要围绕我们的科研方向,不断提升综合科研素质,最大限度地发挥长处”。目前,这支平均年龄在35岁以下的科研团队,在碳水化合物转化制备高还原度化合物领域开展了一系列前瞻性研究工作,在分子层次、细胞层次到反应器层次不断取得新进展。
困知勉行、逆风飞扬
  从生物质到高还原度生物基化学品,难点有三:其一,生物质高效解聚和转化瓶颈;其二,底盘生物遗传背景解析和人工合成途径重构;其三,选择性调控胞内还原力供应。在关键科学问题解构之后,团队成员显得底气不足。以目前的知识水平去解决这些难题,如同一群刚学会走路的孩子却要参加百米跨栏。作为团队的领袖,赵宗保表现出从容和胸有成竹,他坚定地说:“我们的选择在科学上没有问题,不可以轻言放弃。我们选择的是披荆斩棘敢为人先式的创新,而不是前人栽树后人纳凉式的跟进!”
  在生物质高效解聚和转化方向上,赵宗保领导的团队创造性地将离子液体应用于本领域,实现温和条件下生物质快速高效水解为单糖,效率超过常规酸水解和酶水解工艺。同时,针对生物质水解产物中多种单糖共存的原料特征和多数产油酵母存在葡萄糖优先利用的代谢阻遏效应的矛盾,通过筛选菌株和创新生物转化过程,开创了混合糖同步利用油脂发酵,以及生物质同步糖化强化油脂发酵等系列技术,已获发明专利授权11件。先后在《绿色化学》和《生物燃料技术》等本领域重要学术刊物上发表论文40余篇,多篇研究论文的单篇引用超过100次,并在大连化物所2012年工作会议上荣获“高被引用论文”表彰。这些技术成果构成了具有独立知识产权的生物质利用体系。
  在底盘生物遗传背景解析和人工合成途径重构方向上,研究团队首次采用基因组、差异转录组和差异蛋白质组的多组学策略研究了性状优良的产油酵母圆红冬孢酵母,完成其基因组测序,注释了8171个蛋白编码基因,构建了其中心代谢与脂质代谢途径;同时发现,2000多个基因与油脂积累代谢和胁迫应答、含氮化合物循环利用、细胞自噬等过程密切相关。上述结果揭示了圆红冬孢酵母限氮条件下油脂积累的分子机制,提供了大量生物学信息和新材料,对理性设计产油酵母新性状,调控脂肪酸代谢和异戊二烯代谢网络,开展合成生物学研究具有重要意义。最终,相关研究成果于2012年在《自然-通讯》上全文发表。与解析产油酵母分子机制研究同时,赵宗保还带领团队探索构建萜类化合物的细胞工厂。以模式真菌酿酒酵母为宿主,建立了“模块途径工程”策略以及调控代谢流的新方法,构建了次丹参酮二烯、铁锈醇和香紫苏醇等二萜化合物的高效人工生物合成途径。研究成果先后在《美国化学会志》和《美国国家科学院院刊》发表。这些成果标志着赵宗保在分子微生物学及合成微生物学研究领域初步形成了自己的特色。
  选择性调控胞内还原力供应的研究面临更大压力。胞内大部分氧化还原反应需要辅酶参与,因胞内辅酶水平或比例变化将扰动众多细胞过程。要实现选择性调控还原力供应以及相应的合成途径特异性控制,势必要构建独立于天然辅酶的氧化还原新体系,这相当于要将自然界千百万年才可能完成的进化过程在实验室短期内完成,难度极大。历经8年,该团队获得了专一识别人工辅酶——烟酰胺5-氟胞嘧啶二核苷酸和烟酰胺胞嘧啶二核苷酸的苹果酸酶突变体,建立了新的辅酶识别模式,并成功将该模式移植到其他氧化还原酶,如D-乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶和亚磷酸脱氢酶等,均获得了具有人工辅酶偏好性的突变体,表明该非天然辅酶识别模式具有通用性。同时,通过双酶耦联反应,还实现了人工辅酶循环再生。研究团队首次获得具有生物正交(bioorthogonal)特征的氧化还原体系,已于2011年在《美国化学会志》发表重要学术成果,为调控氧化还原代谢和合成生物学研究提供了全新思路。
  正是赵宗保对科研毫无功利心的坚持和从容,才有今天研究工作花开三朵、争奇斗艳的局面。
言传身教、亦师亦友
  赵宗保在培养学生上是一名严师,文章中的一个标点错误、一个文件命名不当或是实验室卫生没做好都可能会遭到批评。在他眼里,“细节决定成败”,“要么不做,要做就做到最好”。刚进组的研究生,赵宗保给出2至3个月的时间让其独立调研,自由讨论,一旦有新颖想法,任何时间都可去讨论。根据新生对文献的调研能力、基础实验技能水平和对课题的理解能力,再决定其课题内容以及今后要加入的科研小团队。
  赵宗保认为“学术思想是科研成果的重要组成部分,研究生不应该仅仅掌握实验技能,而应该近早形成自己的学术思想”。他还认为,“每个研究生毕业时,至少要在一个研究方面超越导师”。因此,赵宗保积极引导学生拓宽学科知识面,带学生参加国内外学术交流,对学生进行系统的科研文书撰写训练。为让大家拥有良好的科研习惯,他要求各科研小组每半月开展一次正式或非正式的小组讨论,并提交书面总结;每个人在季度末针对自己的研究方向进行文献检索;每半年提交一次工作总结和计划;并不定期抽查实验记录。他鼓励学生大胆创新,不迷信权威,组会上大家畅所欲言,分享自己对一些最新高水平文献的收获与见解。
  专业敬业,自信执着,宽容淡定,赵宗保就是这样一个科学家,无论社会坏境如何变迁,他依然坚持着那份最初的选择。带着这份对科研工作的敬畏和热爱,他继续带领研究团队不断克服困难,培养出具有创新思维,踏实勤奋的科研人才,不断做出原创性成果,努力实现着他的科研梦。

 
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