??? 程亦凡，美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）教授、霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員。早年學(xué)習(xí)物理。1996年，在獲得物理博士學(xué)位5年后，他轉(zhuǎn)行進(jìn)入結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域。2013年，他和合作者第一個(gè)用單顆粒冷凍電鏡方法，將膜蛋白結(jié)構(gòu)解到了近原子分辨率（3.4埃）的水平。迄今為止，程亦凡已在生命醫(yī)學(xué)頂尖期刊上發(fā)表論文及綜述文章達(dá)100多篇，近20篇在Nature、Cell、Science上發(fā)表。

　　然而相比絕大多數(shù)成功的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，程亦凡是人到中年才獲得普遍認(rèn)可。2006年，已40多歲的程亦凡才剛剛做到助理教授，也許是加州大學(xué)舊金山分校年紀(jì)最大的助理教授。

　　近期，賽先生就他的學(xué)術(shù)經(jīng)歷、研究課題、對(duì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的貢獻(xiàn)以及冷凍電鏡(cryo-EM)發(fā)展趨勢(shì)等問(wèn)題專訪了程亦凡博士。

　　程亦凡

　　賽先生：可不可以回顧一下你的研究歷程？

　　程亦凡：我情況和經(jīng)歷可能比較特殊。我本科學(xué)的是物理。1987年剛開(kāi)始在武漢大學(xué)物理系讀碩士研究生時(shí)，看到當(dāng)時(shí)第一篇關(guān)于準(zhǔn)晶體發(fā)現(xiàn)的文章，非常激動(dòng)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)電鏡是研究準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)最有效的手段，于是決定加入王仁卉老師課題組學(xué)習(xí)電子光學(xué)理論和電鏡實(shí)驗(yàn)技術(shù)。博士研究生的研究工作是在中科院物理所李方華老師指導(dǎo)下進(jìn)行的，也是從事電子光學(xué)，成象理論和高分辨電鏡的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的學(xué)習(xí)、研究和應(yīng)用。博士畢業(yè)之后，我先后在挪威和德國(guó)做博士后，繼續(xù)從事材料科學(xué)方面的電鏡研究。

　　1996年，我轉(zhuǎn)行到生物學(xué)領(lǐng)域。之后分別在美國(guó)和日本繼續(xù)做博士后，分別在Ken Taylor和藤吉好則實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)冷凍電鏡，研究二維晶體和膜蛋白結(jié)構(gòu)。1999年底到哈佛醫(yī)學(xué)院，加入Thomas Walz實(shí)驗(yàn)室。2003年參與解一個(gè)水通道的膜蛋白（AQP0）的結(jié)構(gòu)時(shí)，獲得了1.9埃的分辨率。直到2015年為止，這也還是冷凍電鏡解的分辨率最高的一個(gè)結(jié)構(gòu)。 2006年，我到加州大學(xué)舊金山分校(UCSF) 做助理教授，開(kāi)始了自己獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室工作。2010年前后開(kāi)始和David Julius 實(shí)驗(yàn)室合作研究TRPV1（一種在疼痛和熱知覺(jué)中起中心作用的蛋白質(zhì)）的膜蛋白結(jié)構(gòu)。

　　自從1996年進(jìn)入冷凍電鏡和結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域以來(lái)，我就一直對(duì)冷凍電鏡技術(shù)非常感興趣。UCSF其它幾位教授，包括John Sedat和David Agard，也都是這個(gè)領(lǐng)域的先驅(qū)者。David Agard教授在上世紀(jì)90年代初期就參與了第一代CCD相機(jī)的研制。他在很多年前就預(yù)見(jiàn)到相機(jī)開(kāi)發(fā)對(duì)電鏡技術(shù)的重要性，也一直從事這方面的研究。在直接電子探測(cè)器(Direct ElectronDetector，一種直接電子探測(cè)器件，能夠直接檢測(cè)電子，而不需要像傳統(tǒng)CCD相機(jī)那樣先將電子轉(zhuǎn)換成光子，然后再由CCD記錄光子信號(hào)）研發(fā)的早期，就預(yù)見(jiàn)到了單電子計(jì)數(shù)的重要性。2009年，我們得到美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金(NSF)的資助，跟Lawrence Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和 Gatan公司一起合作開(kāi)發(fā)單電子計(jì)數(shù)相機(jī)。David Agard是PI，我是co-PI。我主要負(fù)責(zé)相機(jī)的后期檢測(cè)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

　　經(jīng)過(guò)幾年的努力，在2013年初，我們將TRPV1通道的結(jié)構(gòu)解析到8埃的分辨率。隨著我們?cè)陔婄R技術(shù)上的突破，特別是單電子計(jì)數(shù)相機(jī)和我們自己開(kāi)發(fā)的圖象飄移校正技術(shù)的應(yīng)用，我們很快將它的分辨率提高到了3.3-3.4埃。獲得TRP通道的高分辨率結(jié)構(gòu)實(shí)際上花了四年多的功夫，不是幾個(gè)月時(shí)間一蹴而就的。這也是天時(shí)地利人和的結(jié)果。

　　賽先生：從你剛才敘述的研究經(jīng)歷來(lái)看，你更多參與的是相機(jī)方面的工作么？

　　程亦凡：也不是。我對(duì)膜蛋白一直很感興趣，但因?yàn)槲也簧瞄L(zhǎng)膜蛋白的二維結(jié)晶法，而當(dāng)時(shí)單顆粒方法還無(wú)法用來(lái)研究較小的膜蛋白，所以有幾年中斷了膜蛋白研究。在我的實(shí)驗(yàn)室的初步建設(shè)走上軌道后，就又開(kāi)始研究新的單顆粒方法，用來(lái)研究較小的膜蛋白結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，2009年時(shí)，我的實(shí)驗(yàn)室已把很大一部分精力轉(zhuǎn)到膜蛋白領(lǐng)域。

　　在電鏡領(lǐng)域，我們自己有多年的技術(shù)積累，在很多領(lǐng)域一直都很領(lǐng)先。2003年，我做過(guò)的轉(zhuǎn)鐵蛋白復(fù)合物在當(dāng)時(shí)是最小的，分辨率也是最高的。2008年時(shí)，我們解一個(gè)700kD的蛋白酶體的結(jié)構(gòu)到5埃的分辨率，觀察到一個(gè)10個(gè)氨基酸大小的多肽與蛋白酶的結(jié)合。這些在當(dāng)時(shí)都是領(lǐng)域里領(lǐng)先的成果。

　　賽先生：有資料顯示，你是最早成功將冷凍電鏡應(yīng)用于解析蛋白結(jié)構(gòu)的。可以這么理解么？

　　程亦凡：冷凍電鏡有三四十年的歷史。最早用冷凍電鏡做膜蛋白是Richard Henderson等人。1975年時(shí)，二維晶體膜蛋白結(jié)構(gòu)分辨率已達(dá)到了7-8埃左右。Joachim Frank不僅是單顆粒電鏡的開(kāi)創(chuàng)者，可能也是最早用這種方法解析膜蛋白結(jié)構(gòu)的先行者。第一個(gè)用單顆粒冷凍電鏡方法做到原子分辨率并解出未知蛋白結(jié)構(gòu)的人是周正紅，他在2010年用單顆粒冷凍電鏡方法解出了一個(gè)以前結(jié)構(gòu)未知的二十面體病毒結(jié)構(gòu)。更嚴(yán)格地說(shuō)，我實(shí)驗(yàn)室是第一個(gè)用單顆粒的方法，而不是結(jié)晶的方法，將膜蛋白結(jié)構(gòu)解到了近原子分辨率。

　　賽先生：2013年你的成果出來(lái)之后，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家集體轉(zhuǎn)向了冷凍電鏡，在此之前主要是用X射線衍射法和核磁共振來(lái)研究小分子結(jié)構(gòu)。為什么很多人會(huì)意識(shí)到冷凍電鏡是一個(gè)更好的方法？

　　程亦凡：它的確整個(gè)改變了結(jié)構(gòu)生物學(xué)的前景。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的三大技術(shù)包括X光晶體學(xué)、冷凍電鏡以及核磁共振。長(zhǎng)期以來(lái)，冷凍電鏡是這三項(xiàng)技術(shù)里最弱的一項(xiàng)。因?yàn)樗姆直媛室恢睙o(wú)法提升。這跟相機(jī)是有密切關(guān)系的。電子直接探測(cè)相機(jī)出現(xiàn)以后，分辨率一下子就提高了，但是當(dāng)時(shí)還是沒(méi)有引起很多人的重視，尤其是做晶體學(xué)研究的人，因?yàn)樵谒麄兛磥?lái)，核糖體可以結(jié)晶，蛋白酶體也可以結(jié)晶。

　　而TRP通道整個(gè)蛋白家族里還沒(méi)有任何蛋白的晶體結(jié)構(gòu)得到解析。十幾年來(lái)，世界上很多晶體學(xué)實(shí)驗(yàn)室都在這個(gè)上面花費(fèi)了大量的精力，卻沒(méi)有結(jié)果。TRPV1單顆粒電鏡結(jié)構(gòu)的獲得給人們帶來(lái)了很大的沖擊，用X光晶體衍射法無(wú)法得到的晶體結(jié)構(gòu)，冷凍電鏡不需要結(jié)晶卻做出來(lái)了。很多人開(kāi)始重新重視起這個(gè)領(lǐng)域，包括施一公和顏寧，據(jù)說(shuō)他們實(shí)驗(yàn)室的大部分人現(xiàn)在都在做冷凍電鏡。

　　賽先生：你2009年的工作中，是哪一部分產(chǎn)生了重大突破使得冷凍電鏡整體上有了質(zhì)的飛躍呢？

　　程亦凡：從技術(shù)上說(shuō)，有兩個(gè)方面。其一是相機(jī)的突破。當(dāng)時(shí)除了Gatan公司，還有另外兩家公司（FEI和Direct Electron）也推出了直接電子探測(cè)相機(jī)。但是我們用到了獨(dú)特的單電子計(jì)數(shù)技術(shù)。這個(gè)技術(shù)可以大大提高低分辨率的信噪比。這就使得相機(jī)圖像的襯度能夠提高很多。這是以前沒(méi)有意識(shí)到的。那么這樣一來(lái)，這個(gè)相機(jī)真正的優(yōu)勢(shì)在于做很小的蛋白。我當(dāng)時(shí)第一個(gè)想到的就是做難度最大的膜蛋白。

　　其二是計(jì)算方法上的改進(jìn)。美國(guó)耶魯大學(xué)的Fred Sigworth 最早在1999年提出將最大似然法（maximumlikelihood）用于處理單顆粒電鏡圖象。之后經(jīng)過(guò)多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的改進(jìn)，到Sjors Scheres將這一方法，特別是將最大似然法用于三維構(gòu)相分類，在他的新程序RELION中進(jìn)一步完善，使單顆粒電鏡圖象處理能夠?qū)⒗鋬鲭婄R的圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)的分子結(jié)構(gòu)，讓生物學(xué)家們更簡(jiǎn)單更清晰地看到分子機(jī)器。

　　很多事情其實(shí)也是機(jī)緣巧合。 Sjors的程序剛出來(lái)的時(shí)候并沒(méi)有很轟動(dòng)。因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)質(zhì)量不好的時(shí)候，Sjors程序的用途是有限的。而我們用的K2相機(jī)將圖像的質(zhì)量大大提高了。此時(shí)此刻正好遇到Sjors的新程序。這兩樣?xùn)|西結(jié)合在一起，就變得異常強(qiáng)大了。如果說(shuō)Sjors程序在三年以前出現(xiàn)，它不會(huì)產(chǎn)生那么大的影響。

　　很多人說(shuō)Sjors的程序改變了結(jié)構(gòu)生物學(xué)。Sjors Scheres被Nature評(píng)為2014年十大科學(xué)人物。但他的成功也得益于相機(jī)技術(shù)的突破。同樣，反過(guò)來(lái)也是一樣的，相機(jī)的開(kāi)發(fā)讓冷凍電鏡有一個(gè)革命性的飛躍，但是如果光有這個(gè)，而沒(méi)有計(jì)算方法上的改進(jìn)，相機(jī)的功能也不會(huì)完全展現(xiàn)出來(lái)。

　　最后，用傳統(tǒng)的方法，需要用生物化學(xué)的手段將樣品提純到一定純度，有了用最大可能法進(jìn)行三維構(gòu)相分類之后，蛋白晶體即便沒(méi)有提純到那個(gè)純度，我們也能解析到很好的程度。

　　賽先生：回顧當(dāng)初，你覺(jué)得您最大的貢獻(xiàn)是什么？

　　程亦凡：我覺(jué)得我很幸運(yùn)。TRPV1文章的的第一作者廖茂富（現(xiàn)為哈佛醫(yī)學(xué)院助理教授）有病毒學(xué)的背景。剛來(lái)我實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，他從來(lái)沒(méi)有做過(guò)電鏡，也從來(lái)沒(méi)有做過(guò)計(jì)算。他的一個(gè)主要的課題，由于各種原因，一直沒(méi)有大的進(jìn)展。面對(duì)困難，他從來(lái)沒(méi)有放棄過(guò)。在長(zhǎng)期艱苦的工作中，他積累了很多的經(jīng)驗(yàn)。也是因?yàn)樗@種長(zhǎng)期的積累，等到了某一個(gè)點(diǎn)上，一下子水到渠成。如果當(dāng)時(shí)是另外一個(gè)人做這件事情的話，最終可能也能做成，但是不會(huì)有那么順利。

　　另一位第一作者，曹二虎（現(xiàn)為猶他大學(xué)助理教授），有非常扎實(shí)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，也有多年的TRPV1研究經(jīng)驗(yàn)。他花了很多年優(yōu)化TRPV1的表達(dá)和提純。圖象飄移校正技術(shù)文章的的第一作者是現(xiàn)在清華大學(xué)的李雪民教授。他也是中科院物理所李方華老師的學(xué)生，有非常扎實(shí)的電鏡理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。他的興趣一直在開(kāi)發(fā)方法方面，從頭到尾參與了相機(jī)的鑒定應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。他是非常聰明的科學(xué)家。

　　另外，我們?cè)谏锘瘜W(xué)方面也一直用各種各樣的辦法來(lái)嘗試做膜蛋白。如果我們從來(lái)沒(méi)做過(guò)膜蛋白，上來(lái)直接做TRP通道，我相信也很難做到這種程度。我們也有最好的合作伙伴，UCSF的David Julius 和David Agard, 以及UCSF獨(dú)特的研究環(huán)境。這些都是不可或缺的成功條件。

　　我認(rèn)可自己的一點(diǎn)是，我做的東西，很多都是別人說(shuō)做不了的。David Agard對(duì)我的評(píng)價(jià)是，這么多年來(lái)一直不被教條所束縛，總是去挑戰(zhàn)各種極限。這也是我一貫的工作的態(tài)度。

　　賽先生：當(dāng)時(shí)為什么想到去學(xué)電鏡？

　　程亦凡：我是學(xué)物理出身。物理學(xué)最令人激動(dòng)的時(shí)候可能是上世紀(jì)二三十年代，我們這一代人學(xué)物理時(shí)就感覺(jué)有點(diǎn)生不逢時(shí)。1982年，Shechtman第一次發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶。當(dāng)時(shí)郭可信先生和張澤、王大能發(fā)表了國(guó)際上第二篇關(guān)于準(zhǔn)晶工作的文章。當(dāng)時(shí)我們就覺(jué)得一下子跟著進(jìn)入了一個(gè)領(lǐng)域的最前沿，令人非常激動(dòng)，所以很多人都開(kāi)始做準(zhǔn)晶。我也是因?yàn)槭艽烁腥?，想研究?zhǔn)晶，而去學(xué)電鏡。但是做了十年以后，就感覺(jué)有點(diǎn)枯燥，但不斷追求的心態(tài)還在。我這時(shí)選擇轉(zhuǎn)行做生物，也是歷史的機(jī)緣。蘇聯(lián)解體后，美國(guó)停掉了“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃，全世界的物理陷入了一種空前的危機(jī)之中。很多學(xué)物理的人都找不到工作，在那個(gè)時(shí)候，很多人轉(zhuǎn)去做材料，而我對(duì)材料科學(xué)興趣不大，感覺(jué)生物對(duì)我更有挑戰(zhàn)一些，更有吸引力。

　　賽先生：因?yàn)槿鄙偕飳W(xué)背景，有沒(méi)有想到會(huì)遇到困難？

　　程亦凡：這是肯定的。但是年輕的時(shí)候很多想法還是很幼稚的，也不怕難。直到現(xiàn)在我都覺(jué)得什么東西都學(xué)得會(huì)。比如我經(jīng)常跟學(xué)生說(shuō)：“you can learn anything you want, the only questionis how much you want to learn it.”

　　我們對(duì)電子顯微學(xué)的理解要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)很多以生物背景做冷凍電鏡的人。在當(dāng)時(shí)，我覺(jué)得這是我們的優(yōu)勢(shì)。我們的弱點(diǎn)是在剛轉(zhuǎn)行時(shí)完全不懂生物，更不懂生物化學(xué)。但我覺(jué)得這些東西都可以學(xué)，如果你真想學(xué)，一定可以學(xué)會(huì)。所以也沒(méi)有什么克服不了的困難。

　　賽先生：?jiǎn)栆粋€(gè)比較現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，你一直在堅(jiān)持做自己喜歡的事情，但是很晚才得到認(rèn)可。你是如何看待這個(gè)問(wèn)題的？

　　程亦凡：我1991年博士畢業(yè)，做了5年的材料物理博士后。轉(zhuǎn)行做生物時(shí)，我對(duì)自己說(shuō)，我最多相當(dāng)于重新讀一個(gè)Ph.d，花五年十年學(xué)一個(gè)東西不算很長(zhǎng)時(shí)間。那時(shí)候的人跟現(xiàn)在不太一樣，少了很多浮躁。

　　重要的是，我自己很喜歡，沒(méi)有想過(guò)要放棄。我家人也很支持我，跟著我在全世界跑，從來(lái)沒(méi)有過(guò)怨言。很多人選擇放棄，很大一部分是家庭原因。希望穩(wěn)定下來(lái)，找一份穩(wěn)定的工作，那么不得不做出選擇。

　　我從來(lái)沒(méi)有覺(jué)得自己比別人晚了很多。我一直覺(jué)得自己很幸運(yùn)。

　　賽先生：UCSF對(duì)教員的壓力是不是沒(méi)有那么大？

　　程亦凡：UCSF的環(huán)境非常獨(dú)特。我2006年才做助理教授。我當(dāng)時(shí)的年紀(jì)在國(guó)內(nèi)恐怕是找不到類似的工作的。另外，UCSF很贊賞我這種背景。我當(dāng)時(shí)在美國(guó)其他地方找工作，經(jīng)常碰到的評(píng)價(jià)是，你是物理學(xué)家，不懂生物學(xué)。我到UCSF面試的時(shí)候，我說(shuō)我是一個(gè)物理學(xué)家，當(dāng)時(shí)的系主任接的第一句話是：That’s great, you know things we don’t know。

　　這也是我當(dāng)時(shí)選擇UCSF的一個(gè)主要原因，它給你的支持，不是說(shuō)給了你多少資源，而是它對(duì)待你的寬容。我拿到終身教職的時(shí)候，我的這些文章都沒(méi)有，這個(gè)時(shí)候他會(huì)看個(gè)人的潛力。給了我這種環(huán)境，卻始終沒(méi)有給過(guò)我任何壓力。

　　賽先生：冷凍電鏡突破之后，目前的工作主要在哪一塊？今后有哪些讓你覺(jué)得興奮的工作？

　　程亦凡：當(dāng)然有。我們實(shí)驗(yàn)室主要的工作還是專注在膜蛋白上。我感覺(jué)自己越來(lái)越像一個(gè)生物學(xué)家。我并不滿足于只解析出結(jié)構(gòu)，還希望能夠理解它。所以TRP channel一直是我們實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)主要方向。另外一方面，我也希望方法上能有所提高。比如提高分辨率。我也希望能夠把蛋白做到更小，比如到100kDa以下。

　　賽先生：有人把你和張益唐老師做了一個(gè)對(duì)比。因?yàn)槟銈兌际?978級(jí)的畢業(yè)生。這一代人身上有三個(gè)特點(diǎn)：堅(jiān)韌、有榜樣的力量來(lái)鼓舞、不屈不撓必須把事情做成的心態(tài)。

　　程亦凡：我看到過(guò)這種比較，某種程度上講也許有一定道理，但也并不完全是。有道理是說(shuō)，因?yàn)槲覀冞@代人經(jīng)歷的東西太多，我們經(jīng)歷過(guò)文化大革命，也見(jiàn)證了整個(gè)國(guó)家由改革開(kāi)放帶來(lái)的變遷，以及經(jīng)濟(jì)和科研上的由弱變強(qiáng)。也許是這些經(jīng)歷造成了我們這一代人身上的這些相似的特點(diǎn)。我想不同的是，我自己覺(jué)得我還是比較順利的，一直都在做我喜歡做的科學(xué)，從來(lái)沒(méi)有想過(guò)要放棄，所以也沒(méi)覺(jué)得有多難。

　　另外，每個(gè)人對(duì)成功的理解不一樣。我覺(jué)得自己一直都挺成功的，并不是直到解了TRPV1結(jié)構(gòu)才是成功了。對(duì)我來(lái)說(shuō)，2003年發(fā)第一篇Cell文章，2006年拿到助理教授的位置，建立自己的實(shí)驗(yàn)室，2008年解蛋白酶體到5埃分辯率，到2012年拿到終身教職，和2015年當(dāng)上霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員，還有我拿到的每一個(gè)grant，發(fā)的每一篇文章，每一步都是成功。當(dāng)然也有很多想做而沒(méi)做成的事，想拿而沒(méi)拿到的grant，想發(fā)而沒(méi)發(fā)了的文章，也有很多想做而沒(méi)法做或沒(méi)做成功的實(shí)驗(yàn)，等等，等等。這些成功與不成功都不會(huì)停在某一個(gè)點(diǎn)上，而是還會(huì)不停地繼續(xù)下去。