做科学 勇敢些

以2021年诺贝尔奖为例分析突破性生物学医学基础研究的风险和技巧

前段时间看到饶毅老师发的 “这是我们目前主流状况：冒险第一不行，第二很多”，我感觉很有意思。这句话看上去是在“骂人”，其实充满了赞扬，也包含着更高的期许。当然，在讨论前，我要把主题特异到“生物医学基础研究”这个方向，这个是我大体能懂的专业，也是一个非常大的且足够重要的领域。

先说“充满了赞扬”，“第二很多”说明中国现在的科研在国际上已经很有成绩了，比起短短十几年前的状况，不是进步很大吗？我记得饶毅老师的学生蒋辉（现任北京 研究所的研究员），在2005年发表了21世纪以来中国第一篇Cell，现在每年发表的Cell有多少？恐怕是不计其数，这是非常大的进步。

第二是“更高的期许”，难道我们仅仅满足于发表了很多Cell，很多Nature和Science就沾沾自喜？我们跟国际，或者具体一点，跟美国相比，生物医学研究的水平可以匹敌了吗？或者更直接一点，有多少“诺贝尔奖”级别的研究？显然没有很多！也就是说我们做“normal science”是很好的，但是缺乏冒险精神，不会做一些风险高而又重要的课题，和美国比相差很多。那我们是不是应该做得更好一点，用美国“最好的研究”，而不仅仅是顶刊文章的数量要求自己，这是一个期许。

那么，在生物医学领域，什么样的研究是具有冒险精神的、“诺贝尔奖”级别的研究？我们是否能在这些研究中找到一些规律？我们敢于去冒险，冒的是什么险？或者说，真的很险吗？我拿2021年诺贝尔奖关于温度和触觉受体的研究作为例子进行一些具体的，技术的分析，试图回答上面的问题。

温度受体的研究中最重要的一篇文献是“The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway”（Nature, 1997）。这篇文章的思路是，利用辣椒素（capsaicin）能引起热觉（辣）来克隆可能的温度觉受体。其中最重要的assay是利用钙成像来分析，然后利用expression cloning表达被根神经节（Dorsal Root Ganglion)的分子，从而鉴别辣椒素受体，也就是可能的温度觉受体。这无疑是一个很有创意的实验，同时也存在着很大的风险。最大的风险就是，体外表达的cDNA无法复制体内的状况，从而expression cloning的策略不工作。

David Julius lab的作者面对这样的风险是如何做的呢？这在其Figure 1第二列里，已经基本排除了这种风险，因为pooled DRG cDNA可以使一些转染的293细胞激活，我认为这是David Julius获得诺贝尔奖最重要的一幅图/实验，能在一个体系里表达被激活，下面做的就是按部就班筛选出来，其风险在这幅图已经得到了完美的规避。

虽然温度受体得到了鉴定，但是触觉受体的研究直到2010年仍没有任何的进展。这是个阻碍了感觉认知的重大问题，一直解决不了，它的巨大挑战性也使得这个问题成为了“诺贝尔奖”级别的问题。 触觉受体研究领域最重要的文献是2010年Ardem Patapotian lab发表的 “Piezo1 and Piezo2 Are Essential Components of Distinct Mechanically Activated Cation Channels”。

理论上讲，克隆DRG的触觉受体，同样可以使用1997年的expression cloning 的方法，实际上，David Julius lab也是这么做的。他们使用钙成像做expression cloning （PNAS，2008）, 我在2008年面试Julius lab时还谈过这个课题。但机械力敏感通道比capsaicin激活做钙成像难得多，关键问题是不稳定。2008年这篇文章是用一个膜拉扯细胞，然后膜复位，产生一个钙的信号，这使得实验本身很不稳定，因而这个设计有很大的问题。在2008年这篇概念性文章后，后续并没有课题组真正地克隆出触觉的机械力敏感通道。我们再反过来看看那篇最终克隆出Piezo的文章，作者采用了不同的策略，并没有“路径依赖”，坚持使用钙成像的方法。

这篇文章采用了另外一个思路：直接利用电生理记录，找到一个具有机械力敏感电流的细胞系，反过来利用RNAi Knockdown的方法。电生理记录比钙成像做机械力敏感通道灵敏的多。触觉本来是在被根神经节（Dorsal Root Ganglion) 发生的，但是直接在被根神经节（DRG）做RNAi Knockdown，其取材，转染 RNAi Knockdown 质粒，其工作量几乎不可完成，另一种方式是在培养细胞进行电生理，同样的筛选，其工作量可能只有被根神经节的十分之一，可行性强。

所以整篇文章最大的亮点，其把风险和工作量降到最低的点也是Figure 1A发现了一个具有机械力敏感电流的细胞系N2A，。有了这个细胞并得到这个结果，后面就是工作量比较大，但这个工作是可以完成的，利用RNAi Knockdown筛选出可以使整个电流下降的基因，这就是一个很正常的技术工作，基本是可以做出来的。所以，“诺奖级”的工作其实是找出一个具有机械力敏感的细胞系，也就是Fig1A，做出Fig 1A后，后面只是顺理成章，也极大地规避了风险。

总结这两个“诺奖级”的发现，作者都是通过筛选基因组，得到一个重要的分子，温度或者触觉的受体；一开始毫无头绪，看上去风险极大，但通过一些工作量不多的探索性试验后，风险骤然降低，下面的工作看上去就顺理成章。把pool DRG转到培养细胞，看看是否有对辣椒素激活的细胞结果，估计只需要一个月就能得到确定结果，筛选具有机械力敏感电流的培养细胞，也大体如此估计也是几个月的工作量就可以完成。可见，在优秀的设计后和初步的实验后，这些看上去极大风险的重要课题，其实风险很小，两个文章Figure 1A中的数据，才是科研的精华所在，分析这些之后更可以体会到，做一些“诺贝尔奖级别”的工作，并不是“那么险”，并不是“暴虎冯河”，想要过河，即使船还没发明出来，我们起码可以抱着个木头过去。

具体到每个人，只要方法得当，做“诺奖级”的研究，风险可以很小，收获可以很大。做好的科学，最大的风险不在于这些技术的风险，而在于三个具体的障碍：

第一层障碍，没动力：不认真寻找重要的问题去做，没有做最好科学的动力；

第二层障碍，没信心：找到了重大的问题，克服不了心理障碍勇敢去做，得过且过，保险起见去做一些看上去风险小的问题。

第三层障碍，没技巧：做风险大的重要课题，但是没能通过一些方法降低风险，导致失败几率大。

可以说做科研就像练武功，每个障碍对应一个层次，克服每个障碍就提高一个层次，但克服这些问题最最重要的是——做科学，勇敢些！