李棟：看清細(xì)胞更深處（講述·弘揚(yáng)科學(xué)家精神）

李棟在實(shí)驗(yàn)室里調(diào)試設(shè)備。 　　本報(bào)記者 施芳 攝

人物名片

李棟，1983年生，云南個(gè)舊人。中國(guó)科學(xué)院生物物理所研究員、生物大分子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究組長(zhǎng)，主要從事超分辨顯微成像技術(shù)研制及其生物學(xué)應(yīng)用研究，系統(tǒng)掌握了超分辨顯微鏡的關(guān)鍵技術(shù)，提出了新的成像方法，關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平；研究成果“掠入射結(jié)構(gòu)光超分辨成像技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用”入選2018年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展；曾獲中國(guó)科學(xué)院青年科學(xué)家獎(jiǎng)等多項(xiàng)榮譽(yù)。

又是一個(gè)深夜，中國(guó)科學(xué)院生物物理所一間簡(jiǎn)樸的辦公室里，李棟時(shí)而快速敲擊著鍵盤，時(shí)而盯著三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)顯示屏大小的電腦屏幕凝神思考。身后的白板上，畫著光譜圖、光路和融合基因結(jié)構(gòu)。

“生命科學(xué)是各個(gè)學(xué)科的交匯點(diǎn)，是一個(gè)蘊(yùn)含著無(wú)限可能的研究領(lǐng)域”

李棟出生于云南個(gè)舊的一個(gè)彝族家庭，當(dāng)護(hù)士的母親希望他學(xué)醫(yī)。2002年，填報(bào)高考志愿時(shí)，李棟對(duì)浙江大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)很感興趣，便填報(bào)并成功被錄取。開(kāi)學(xué)第一課，當(dāng)看到老師用自主研制的高速攝像機(jī)拍攝的視頻時(shí)，李棟被深深地震撼了。

“我來(lái)對(duì)地方了，一定要像前輩們一樣干出一番事業(yè)來(lái)！”李棟暗下決心。大學(xué)4年，他除了去自習(xí)室學(xué)習(xí)，就泡在實(shí)驗(yàn)室。他不滿足于掌握一個(gè)個(gè)知識(shí)點(diǎn)，而是下功夫梳理了學(xué)科的知識(shí)體系。后來(lái)，李棟攻讀博士時(shí)，開(kāi)始接觸“生物光子學(xué)”這一交叉學(xué)科，“生命科學(xué)是各個(gè)學(xué)科的交匯點(diǎn)，是一個(gè)蘊(yùn)含著無(wú)限可能的研究領(lǐng)域。”

相較電子顯微鏡，光學(xué)顯微鏡能對(duì)任意蛋白分子在活體條件下進(jìn)行連續(xù)追蹤，對(duì)于生物學(xué)研究意義重大。但長(zhǎng)久以來(lái)，光學(xué)顯微成像技術(shù)受制于阿貝極限，分辨率無(wú)法超過(guò)200納米，不足以看清動(dòng)輒幾納米、幾十納米的生物大分子。

為了突破阿貝極限，2011年，在做博士后期間，李棟選擇了當(dāng)時(shí)較為冷門的一條研究路徑——結(jié)構(gòu)光照明。

兩個(gè)正弦函數(shù)相乘，波函數(shù)的頻率會(huì)增加。李棟從這個(gè)數(shù)學(xué)公式中找到靈感：給出兩個(gè)不同顏色的光源，讓它們的波峰與波峰互相疊加，從而突破原有的極限，就能大大地提高分辨率。

這一思路對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的色差矯正極為苛刻。譬如，如何實(shí)現(xiàn)兩種激發(fā)光波函數(shù)的“波峰對(duì)波峰，波谷對(duì)波谷”？波函數(shù)的周期將近150納米，而光學(xué)顯微鏡的成像視野大概為50000納米，這就意味著，要在半根頭發(fā)絲粗細(xì)的成像視野中，調(diào)整兩個(gè)分別出現(xiàn)3000多個(gè)周期的波函數(shù)。倘若兩個(gè)波函數(shù)沒(méi)有對(duì)齊，又該如何檢驗(yàn)？

將近兩年時(shí)間里，李棟閱讀了大量文獻(xiàn)，模擬計(jì)算分析，最終與合作者開(kāi)發(fā)出新的軟件算法，僅需利用標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)元件，優(yōu)化不同波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)照明的周期，即可補(bǔ)償不同波長(zhǎng)之間的色差，并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的高雄率校準(zhǔn)流程，使得“結(jié)構(gòu)光激活、結(jié)構(gòu)光激發(fā)”的思路可以在工程上實(shí)施。

轉(zhuǎn)眼到了2012年年末，窗外下著大雪，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)依然忙碌。取了樣本細(xì)胞，李棟開(kāi)始測(cè)試新技術(shù)方案的效果。

顯微鏡下，從衍射極限分辨率100納米再到60納米，細(xì)胞內(nèi)微絲骨架的脈絡(luò)逐漸清晰。盯著屏幕，喜悅從心底蔓延開(kāi)來(lái)，李棟只覺(jué)得看不夠，索性把對(duì)比圖作為屏保，一遍遍地給同事們介紹。

李棟首創(chuàng)的高數(shù)值孔徑非線性結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡技術(shù)一舉打破了100納米局限，把活細(xì)胞高速成像的光學(xué)分辨率提高到60納米，讓科學(xué)家們有機(jī)會(huì)在活細(xì)胞中清晰地看到生命活動(dòng)的精細(xì)動(dòng)態(tài)。這一成果登上了2015年《科學(xué)》雜志封面。

“搞科研不能單打獨(dú)斗，需要科學(xué)家們攜手攻關(guān)”

2015年，李棟來(lái)到中科院生物物理所，從事超分辨顯微成像技術(shù)研制及其生物學(xué)應(yīng)用研究。

物理、光學(xué)工程、自動(dòng)化控制、精密機(jī)械設(shè)計(jì)……李棟所在團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有20多人，涵蓋8個(gè)學(xué)科方向。他們的工作包括物理原理應(yīng)用、工程搭建、自動(dòng)化控制、生物樣本制備觀測(cè)等多項(xiàng)內(nèi)容。

“除了做好本職工作，李老師還要求我們掌握上下游知識(shí)。”中科院生物物理所副研究員王新禹說(shuō)，在每周的跨小組交流會(huì)上，大家互相切磋，取長(zhǎng)補(bǔ)短。工作間隙，李棟常在不同辦公室之間走動(dòng)，詢問(wèn)研究進(jìn)展，及時(shí)答疑解惑。

學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯：借助掠入射結(jié)構(gòu)光超分辨成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了多種細(xì)胞器互作新行為，這一成果入選科技部遴選的2018年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展；開(kāi)發(fā)深度學(xué)習(xí)超分辨顯微成像算法，在不同成像條件下均可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的超分辨圖像重建效果；研制三維高時(shí)空分辨生物力學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，將生物力三維測(cè)量的空間和時(shí)間精度提升了5倍……

“搞科研不能單打獨(dú)斗，需要科學(xué)家們攜手攻關(guān)。”李棟說(shuō)。多年來(lái)，李棟與國(guó)內(nèi)外近30個(gè)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展密切合作，做出多項(xiàng)重大原創(chuàng)成果。

2019年的一天，李棟和同事晚飯后散步時(shí)，研究員高璞提到實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)有趣現(xiàn)象。李棟很感興趣，他們邊聊邊走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，然后深入研究這一問(wèn)題。此后，他們又邀請(qǐng)同所的另一位同事鄧紅雨，一起全力攻關(guān)。2021年5月，研究成果在《分子細(xì)胞》發(fā)布。這項(xiàng)研究首次發(fā)現(xiàn)病原微生物可以調(diào)控宿主細(xì)胞內(nèi)相分離的現(xiàn)象，拓展了人們對(duì)大分子相分離調(diào)控復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)。

“學(xué)習(xí)能力超強(qiáng)”，這是北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院分子醫(yī)學(xué)研究所教授羅金才對(duì)李棟的評(píng)價(jià)。第一次見(jiàn)面，李棟就問(wèn)了他許多生物學(xué)方面的問(wèn)題。共同的興趣使得他們當(dāng)即決定，運(yùn)用李棟發(fā)明的活細(xì)胞超高分辨率成像系統(tǒng)去研究?jī)?nèi)皮細(xì)胞分泌過(guò)程中微絲骨架環(huán)的形成方式及其調(diào)控機(jī)制。2017年，相關(guān)成果在《自然通訊》發(fā)表，羅金才稱贊李棟“完全進(jìn)入了生物學(xué)領(lǐng)域”，而李棟則稱自己為“二手生物學(xué)家”。

“時(shí)間不等人，我們只是剛剛出發(fā)”

留學(xué)期間，李棟發(fā)現(xiàn)國(guó)外的生物學(xué)家可以用最先進(jìn)的光學(xué)顯微鏡乃至原理樣機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，而中國(guó)科學(xué)家常要等高端光學(xué)顯微鏡的原理樣機(jī)產(chǎn)品化后才能使用，這往往需要很多年。光學(xué)工程專業(yè)相對(duì)冷門，很多人中途轉(zhuǎn)行了，但李棟選擇了堅(jiān)守，他想讓中國(guó)科學(xué)家盡早用上先進(jìn)的光學(xué)顯微鏡。

走進(jìn)李棟的實(shí)驗(yàn)室，只見(jiàn)一個(gè)個(gè)工作臺(tái)上，密密麻麻擺放著各式各樣的顯微鏡。大量光學(xué)元件組成了復(fù)雜的鏈路，每一個(gè)元件的位置、角度，都經(jīng)過(guò)了精心調(diào)試。

“這是我們研制的多模態(tài)結(jié)構(gòu)光超分辨智能顯微鏡……”指著工作臺(tái)上一臺(tái)樣機(jī)，李棟如數(shù)家珍。這套系統(tǒng)集成了6種照明方式，可根據(jù)不同的生物問(wèn)題，靈活選擇最合適的成像模態(tài)，達(dá)到最佳超分辨成像效果。通俗地說(shuō)，可以用每秒684幅的速度（相當(dāng)于27倍電影放映速度），用95納米分辨率（相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的兩千分之一），呈現(xiàn)全細(xì)胞范圍內(nèi)的生命過(guò)程。

為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，在樣機(jī)完成后，他們還不斷修改機(jī)械結(jié)構(gòu)和光學(xué)結(jié)構(gòu)，光圖紙就有100多個(gè)版本。兩年內(nèi)，顯微鏡的體積縮小了3/4，設(shè)備穩(wěn)定工作時(shí)間從一周延長(zhǎng)到一年無(wú)需校準(zhǔn)，他們成功地將一個(gè)試驗(yàn)室使用的科研設(shè)備變成了通用的產(chǎn)品。從設(shè)想的提出到落地，整整花了11年時(shí)間。

最近忙不忙？忙！今天去不去實(shí)驗(yàn)室？去！這是李棟和愛(ài)人在周末時(shí)常有的對(duì)話。李棟以攀登珠峰作比方：“時(shí)間不等人，我們只是剛剛出發(fā)，可能還沒(méi)有到達(dá)攀登科學(xué)高峰的大本營(yíng)，也許連大本營(yíng)在哪里都不知道。”

■記者手記

心懷熱愛(ài) 勇攀高峰

生活中的李棟沉默寡言，可一談起工作卻有說(shuō)不完的話。

看似矛盾的性格卻是一個(gè)科技工作者優(yōu)秀品質(zhì)的生動(dòng)體現(xiàn)：對(duì)事業(yè)無(wú)比熱愛(ài)、心無(wú)旁騖、全身心投入。實(shí)際上，科研事業(yè)的成功不僅依賴于智力因素，更重要的是專注和勤奮。

“要把科研時(shí)時(shí)放在心上，這樣在生活中才會(huì)有不經(jīng)意的驚喜。”這是李棟經(jīng)常叮囑學(xué)生的一句話。做科研唯有心懷熱愛(ài)，不計(jì)名利得失，不懼艱難險(xiǎn)阻，才能抵達(dá)一個(gè)個(gè)高峰，取得不平凡的成就。