作者:卜叶 来源:中国科学报 发布时间:2021/9/13 15:34:20
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张玉奎:前沿弄潮科研人

 

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中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员张玉奎

 

从事科研近60载,中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)研究员张玉奎为推动我国分析科学领域基础研究、应用开发以及仪器产业化等做出了卓越贡献,是中国色谱领域的先驱者之一。

“学海无涯,不学则罔;形势逼人,不进则退。”张玉奎说。长期以来,他时刻关注新知识、新技术、新学科的发展,不断更新理念,培育人才,满足国家和时代的需求。

让“色谱”跳出中国韵律

1965年,刚走出南开大学校门的张玉奎,来到大连化物所,跟随中国科学院学部委员(院士)卢佩章进行色谱基础理论研究。

在卢佩章的指引下,张玉奎将研究重心锁定在液相色谱研究领域。当时,液相色谱研究颇为前沿,它是一种物理化学分析方法,利用不同物质流经色谱柱的运动速度不同,由此在屏幕上产生起起伏伏的波浪线,来判断样品组分,生物、化学等诸多领域都离不开它。

科研离不开文献,阅读文献是科研的一项基本功。这也让从小到大学习俄语、从未接触过英语的张玉奎犯了难,捧着一本本英文文献像看“天书”一般。

并未有丝毫退却之意,“越难越要啃下这块硬骨头”,张玉奎在心中暗暗发誓。于是,他买来英汉词典,一个单词一个单词查,每天睁眼第一件事就是背单词,利用业余时间参加补习班,加之在德国短期的学术交流,功夫不负有心人,终于掌握了这门语言。等到在国际会议流利主持,与各国友人对答如流时,国外科研人员非常惊讶,追问他学习英语的奥秘。张玉奎自豪地说,“在中国学的”。

在语言的加持下,张玉奎的科研工作如鱼得水,他也将大量时间倾注于此。长期的实验和分析,他发现色谱过程中影响分离行为的分子结构因素,建立了系统的色谱热力学研究方法,此外,还阐明了影响色谱峰展宽和峰形对称性的动力学因素,证实高效液相色谱中保留时间与半峰宽之间存在定量关系,丰富了色谱过程的理论基础。这个初出茅庐的小伙子也引起国外学者的广泛重视。

张玉奎深知,“理论研究是为了解决实际问题”。上世纪90年代末,张玉奎开始负责高效液相色谱仪的研制与开发。

当团队开发出P200-II型等高效液相色谱仪时,张玉奎看到国产色谱仪跳出起起伏伏的韵律,他欣喜不已。该色谱仪也于2000年通过ISO9001认证,当年销售百余台,进一步提高了国产仪器的市场占有率。

迈向“智能”色谱时代

上世纪70年代,大规模集成电路计算机初兴,张玉奎隐约意识到这个“新家伙”在科学研究中有重要意义。

在卢佩章的鼓励下,他开始学习编程。“计算机的存储技术能够将一个个色谱‘波浪’存储起来,节省物理空间,同时方便检索、查阅。”张玉奎说,“我研究的重点就是,将色谱仪的‘波浪线’转化成计算机语言,用计算机表达出来。”

但当时的内存条存储空间很小,且价格昂贵。为了在有限的空间存储更多的数据,张玉奎下决心突破原有桎梏,研究新方法。于是,他根据拖尾指数修正的高斯函数,利用当时研究室仅有的Z80计算机,开始了色谱溜出曲线计算机摸拟的艰难探索。为色谱编写程序,不仅需要谙熟分析化学,还要了解计算数学。当时对解析误差函数一窍不通的他,从公式学起,不断请教领域内的专家,发现潜在解决方案便没日没夜“赶工”,查看效果。

“只要碰上同事们集中用电,计算机就极其容易死机,之前编写的程序就得重新来过,所以我就写一点赶紧保存一下。”张玉奎回忆。

后来,为了提高效率,张玉奎学会了“错峰”工作,抓住同事们上班前和下班后的空当编写程序,白天进行常规的液相色谱研究。同事不时调侃,如果在实验室看不到张玉奎,那就去“机窝”找他,他肯定在。

上下求索,不负众望,张玉奎编写出色谱流出曲线拟合软件,实现对色谱峰型变化规律进行定量描述,为色谱数据处理和存储提供了全新的方法。

与此同时,他发现,对于不同物质鉴定应该选择哪种色谱柱,液相色谱专家系统总体布局中,许多国家都只是凭经验,效率较低且缺乏科学依据。为此,他与卢佩章提出“理论与实践相结合”的想法,即知识库必须基于色谱理论和经验。

此后,张玉奎将串联优化指标与智能搜索优化方法结合用于复杂样品的分离条件优化,以大量的事实验证了知识库的正确性和可靠性,开发出液相色谱专家系统,为样品分析提供指导意见,推荐出适合的色谱柱。

英国曼切斯特理工学院教授Bryant评价该系统,“提供了液相色谱对复杂样品分离分析的系统策略”。

如今,全世界的色谱仪无不与计算技术紧密相依,计算机这个“新家伙”早已变成色谱人的“老朋友”,也让张玉奎深深意识到学科交叉、学术交流的重要性。

“科学研究要知道别人在做什么,也要让别人知道你在做什么。”张玉奎一直认为,学科要发展,一定要加强与国内外的合作与交流,进行优势互补和强强联合的实质性合作研究,才能使学科发展达到世界一流。

上世纪80年代,中外合作交流较少。张玉奎开始试水国外短期学术交流,伴随着这些交流,中国的色谱学科开始走向世界。面对这样一个有思想、懂技术又懂理论的小伙子,数家知名大学和跨国公司盛情邀请张玉奎留下来,但他都拒绝了。

每每有新想法、新经验,张玉奎都会及时跟组内成员分享,但他并不满足。为了在更大范围内促进领域交流,1984年,在他和卢佩章等人的倡议下,《色谱》杂志创刊,为中国色谱人搭建交流平台。多年的苦心孤诣,《色谱》不仅获得“中国精品科技期刊”等荣誉称号,还在中国科学技术信息研究所发布的引证指标排名中名列前茅。

心系学科发展和人才培养

投身色谱领域的同时,时任大连化物所副所长的张玉奎还十分注重学科规划和人才培养工作。

蛋白质在生命活动中发挥至关重要的作用,有些蛋白质还是研究疾病机理和预防诊治药物等的直接靶点。上世纪末,一场生命科学领域的“淘金热潮”——蛋白质组学兴起。

新学科往往会带动新工具的发展,此项研究也不例外。面对日益攀升的鉴定、识别、分析需求,急需高效、高通量、高精准的蛋白质组分析方法。

敏锐地捕捉到蛋白质研究的重要作用,1995年,张玉奎建议一门心思搞化学的大连化物所研究员张丽华多学习生物化学知识。为了提升张丽华的专业技能,张玉奎果断决定让处于博士阶段学习的张丽华去国外“取经”。3年在德国、日本顶尖科研机构的学习,大大提高了张丽华的专业水平。

1998年,已过知天命之年的张玉奎重回实验室,再次创业,组建研究组,瞄准国际前沿的蛋白质组领域开始全新的探索。创业弥艰,张玉奎发出“回来吧”的邀约。于是,张丽华毅然决然拒绝了国外高薪,回到了阔别已久的团队。

“回国后,听到张老师以轻描淡写的语气说,组里学生不知道生物样品不能长时间在室温放置,因而导致蛋白质分离时峰越来越多时,我心里十分难过。”张丽华回忆说。

此后,张丽华以极大的热情投入科研中,成长为课题组组长,获得国家自然科学奖二等奖、国家杰出青年基金项目资助等。

蛋白质领域的二次攀登

事实证明了张玉奎选择的正确性、前瞻性。如今,蛋白质已成为21世纪最大的研究方向之一,是国际生物科技的战略制高点和竞争焦点。

但当时,面对蛋白质组学这一全新领域,张玉奎两眼一抹黑,从教材学起,甚至向自己的学生请教。“科学要创新才能发展,不要怕困难、不要怕失败。”张玉奎说。

膜蛋白质是一类重要蛋白,参与并调节着细胞内外和细胞器内外的物质运输、能量传递、信号传导和代谢调控等生物过程,维持着各项生命活动的正常运行。越来越多的研究证明,膜蛋白质还是重要的药物靶点,约有70%的药物靶点为膜蛋白质。

然而,膜蛋白质溶解度低,难以提取,团队誓要解决这一问题。通过大量实验研究离子液体与膜蛋白质相互作用的机理,最终将离子液体用于膜蛋白质提取,显著提高了蛋白质组分析覆盖度。

“张老师十分重视实验数据和文献阅读,他认为很多科研难题的答案就藏在这些一闪而过的数据和阶段性的研究结果中,因此经常询问和检查实验记录和文献阅读情况。”大连化物所研究员梁振说。

此后,团队又突破了高效二维生物色谱系统、在线蛋白质预处理系统、超高压微纳液相色谱系统等一系列难题。一个个研究成果的取得,坚定了张玉奎深耕分析化学与生命科学的交叉领域,提高蛋白质组分析覆盖度的决心。

随着研究的深入,张玉奎认为,要理解生命活动过程,不仅需要明确哪些蛋白参与这些过程,而且需要明确蛋白质含量的变化情况。

这一前沿课题能不能做,张玉奎花费近2年时间,组织专家论证,把握其中的关键科学问题,最终指出国内必须要发展高精准的蛋白质组学定量分析方法。

人体每个细胞上的蛋白质不计其数,要计算其中每一类蛋白质的数量犹如海底“数”针。当时,传统方法计数存在共洗脱组份的干扰,误差率较高。为了排除干扰,攻关团队引入质量亏损理念,利用高分辨质谱提取存在质量差异的碎片离子从而实现定量分析,大大提高了蛋白质组定量精准度和覆盖度。

计数只是蛋白质定量分析的入门级挑战,不同蛋白质间相互作用等进阶问题不断出现在大连化物所的科研任务书中。难度升级,也练就了团队三头六臂的本领,“将存在相互作用的蛋白质在细胞内用‘锁链’绑在起来,再提取分析捆绑蛋白质的特征”等超前想法不断涌出并实现。

从色谱理论到色谱仪,从手动色谱到智能色谱,从蛋白质定性定量到结构和相互作用分析,团队完成了从追随研究到学科探索的转变。“科研旨在解决国家需求,我和团队的初心从未改变。”张玉奎说。

年至期颐,张玉奎依然很忙碌,从早到晚参加团队组会,关心研究组的科研进展,也像家长一样关心爱护着每一位成员。组员的科研遇到阻碍,满心抱怨找到他,他总会抽出时间,耐心开导,让组员带着轻松的心情离开……

“只要你们有发展,发展得好,我就高兴!”这是张玉奎说得最多的一句话。

 
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