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分子成像牛人Roger Tsien 天才是怎样炼成的
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给大家介绍个牛人，Roger Tsien 这个名字每个做细胞荧光成像的都应该知道这个牛人． http://www.hhmi.org/research/investigators/tsien_bio.html 以下就转载一段介绍他的帖子 也谈大牛系列之，Roger Tsien 发信人: transmitter (what is the next hot field?), 信区: Biology 标 题: 也谈大牛系列之，Roger Tsien 发信站: BBS 未名空间站 (Sun Jun 22 04:18:57 2008) 转载请注明出处 （Transmitter） 也谈大牛系列之，Roger Tsien ---------- 天才是怎样炼成的 http://www.bioin.net/?action-viewthread-tid-10984 |
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１
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（ 说明，此篇文章完全是狗尾续貂大牛lanceandfei的系列介绍，格式上大家 一看便知。文中故事和时间很多属口头相传，不准之处请见谅。） 说此人 （Roger Tsien)，偶可是彻夜难眠-----大大大牛呀。从名字上看就知道这是个亚裔。估计大家可能都知道此人，提起 Calcium indicator, GFP re-engineering，更是无人不知。如果还不知道就得去HHMI的网上，或他自己的实验室的网上去敬仰一把吧！ Roger Tsien 在美国出生，是中国科学家钱学森的嫡系侄儿 （遗传学不得不让人相信， 聪明是有genetics的基础）。我可不是要说他的族谱（虽然这里也有很多有趣的故事）， 而是说他的生物学贡献，尤其是在神经生物学和细胞生物学的贡献。牛人就是牛人啊，此人是我心目中真正的不世出的大师。 从小 Roger 身体不太好，只好待在地下室艳慕兄弟们在外栽花逗草，这也让他养 成了对光和颜色的偏爱。他将来的研究方向可能与幼时的经历有关。他在Havard上大学 之前就得了西屋奖 （1968 年，卖个关子，大家猜猜时什么？和image也有关系，very impressive）。大学里他选择了有机化学--按照他的话说--因为父亲的关系，家里的人都喜欢enigeer相关的专业上。但是好的专业，如electrical engineering 已被兄长选取，为了不under their shadow， 他选了有机化学--这注定了他对分子的engineering的工作--one of the best and most ingenious works. |
2楼2008-07-11 01:17:39
２
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在Havard学业结束之后，出于对科学的热爱Roger选择继续深造。应该注意的是， 此时的Roger已经有研究神经生物学的想法---但是到哪儿深造呢？Roger不想去MIT，其 中的一个原因是到那儿会和自己的兄长“撞衫”。Roger一直都有和兄辈相竞争的好强 之心--他争取了一个私人基金会的奖学金资助他去Cambridge,UK深造。他的兄长 Richard在Oxford取得博士，至少这样俩人是并驾齐驱的 （仅个人想法,无需深究）。 到英国学什么？虽然roger想向neuroscience发展，但命运不是由他完全掌握。 私人基金会通过剑桥帮他联系了导师--这有点像国内以前的研究生入学---导师是指定 的，没有rotation制度。 按照Roger自己的说法，那时候没有internet，到英国前他几 乎都不知道导师的确切研究方向。到了英国他终于见到了导师，这里也有些故事。 Anyway，长话短说，他的PhD导师是Richard Keynes，一位著名的muscle电生理学家。 Richard Keynes 是Nobel 奖得主Alan Lloyd Hodgkin的得意门生，对膜电位和膜通道 有极深的造诣。虽然Roger有点不太喜欢研究muscle （可能因为肌肉没有神经元那么神 奇？），但事实上膜电位和膜通道的原理对控制muscle和neuron是一致的。更好的是导 师Richard Keynes是一个传统的gentleman，他几乎让roger做他自己想做的事。就在当 graduate student的时候，roger有了image brain和image动作电位的想法--正是这 种想法bring most of the current neuroscientists into the imaging era. |
3楼2008-07-11 01:18:13
３
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（“与‘金庸’容易混淆的武侠小说作家有谁?答：金庸新 金庸巨 全庸 全 康 金康 金唐 金庸著 金庸名 金庸原”----From 百度。谨于此句向“lanceandfei” 致歉并致谢。“半庸全庸，江湖依然是江湖”） 在Richard Keynes的实验室待了三年（1975-1978）Roger顺利得到了PhD。于 1978-1981在Timothy Rink（Cambridge, UK) 的实验室做了短暂的postdoc。在Roger将 开始了他在Berkeley独立的实验室的工作前，他已经开始了不平凡的revolutionary的 工作-----trying to synthesize voltage sensitive chemicals to imaging action potential。各位看官可能会问--“不对呀，Roger不是开始合成calcium indicator的 吗？怎么会是voltage sensitivedye呢？” 殊不知roger的第一个project确实是合成 voltage sensitive dye。 这里的故事为大多数人所不知，且听我慢慢道来。 70年代早中期， 钙离子的关键作用还没有深入人心 ---- in fact the very existence of selective calcium channel is not well established and well accepted ！钙离子只被认为存在一些特殊的细胞中。相对而言，the mechanism of action potential 早已被Roger的师祖Hodgkin (及Huxley) work out, 而且被证明广 为存在 --- 被认为神经网络的基石之一。作为天才的roger，一个人在小黑屋里冥思苦 想了三天三夜 （纯粹为搞笑而已）--- 设计了合成voltage senstive dye的方案。 Roger reasoned ------ 一个很好的合格的有接班人性质的voltage sensitive dye必须以下具备三个特性：1. 必须能target到membrane上 (废话，要不然 怎么感受到只有在膜上才存在的动作电位的变化！）。 2. 必须能感受到膜电位的变化 （废话，要不然怎么叫voltage sensitive！） 。3. 必须能convert 膜电位成可以 detect的光信号 （废话，要不然怎么叫dye ！）。 以上三个特性看似trivia，其实包含了essential的理念---关键是怎样把这些 特性在化合物上实现 ！对于特性1，roger认为只要有足够的 hydrophocity （如苯环 ）就可以达到-----亲脂的化合物喜欢membrane。 对于特性2则必须有voltage sensor -- --类似于离子通道的S4 loop 的voltage sensor，这也不难，只要有charge （如 lysine or glutamate) 。 对于特性3，可以把已知的organic dye加上去 （如 fluoroscin， rhodamine）， 希望它们的光谱会couple to voltage change。 |
4楼2008-07-11 01:18:58
４
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Roger马不停蹄的在电生理的实验室开始了他legendary的voltage sensitive dye 的合成工作。合成出来的dye却很不不尽人意——————有的dye不是没有detectable的 voltage的敏感度，要不就是非常容易bleach，或toxic to cells。事实上，要检测合 成的产物是否有voltage dependent 的光特性也很不容易。试想之----- 动作电位的时 程是毫秒级的， 动作电位的amplitude在100 mV左右， voltage senstive的颜料需要 注射到细胞内-----这就需要非常敏感的光检测技术和相应的膜片钳技术（Voltage clamp). 这在现在都很困难，更别提70年代了。 总之，尽管不如意，Roger还在辛勤的不知疲倦的合成着，但这是意料之外的 事发生了------ 1976 年底有人已经合成出voltage sensitive dye，并且demostrate 可以用来image动作电位------ Roger 的第一个project竟被人screw了！ 原来，Roger的同门师兄Larry Cohen （已经在 Yale) 也有同样的想法----不 同的是Larry没有太多的化学合成的背景。Larry采用的方法是brute force的screen -- ----- 有点像现在的small library drug screen------------实际的操作上是狂查 Sigma catalog上所有和发光相关的化合物，然后直接注射到枪乌贼的大轴突里（这大 轴突就是Hodgkin 及Huxley用来研究动作电位的classic的preparation)。 就这样注 射了一两百个化合物 （花了postdocs和graduate students countless hours），居然真让他们发现了first generation的voltage sensitive dye （注1）。 更为搞笑的是，据说Larry发现的dye和Roger de novo 合成的只差一两个苯环 或亚基---------但是Roger的dye的signal却是10倍以上的小，没有办法被检测到---------甭提Roger有多郁闷了（注2）。Roger天人交战了三天，决定放弃他辛苦做了2年的project, 一方面因为他不是第一个做成voltage sensitive dye的，另一方面他觉得voltage sensitive dye的signal to noise ratio在短期内不可能有大的突破（deltaF/F~ 0.5% )，还有一个更重要的原因是他有了个新的主意-----这回他决定一定要成功......... |
5楼2008-07-11 01:19:26
５
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要appreciate Roger天才般的工作，有必要谈谈molecule imaging 的重要性及好处。 其实很多例子都是来源于Roger的pioneer的illustration。我们重新digest一遍说不定 能帮助有些不熟悉imaging领域朋友的研究。 总结来说，imaging特别适用于cell biology 或neuroscience，因为所有的organelle 或细胞都是highly non-homogenous。imaging的方法有相对于biochemical的手段而言 有spatial，temporal resolution的优势。同时，imaging 的方法 could be specific （比如不同·的蛋白或脂类）， tunable （比如不同颜色），non-invasive （比如 活体）and paralleled （比如许多不同的细胞或组织一起）。以上的每一点都可以展 开讲上三天三夜。Again, 很多好处大家可能都了解了，版上也有不少这方面的专家。 但是试想一下在70年代末，所有的tools都是一片空白的时候，Roger一个人就有了这样 的vision，而且他还是一个化学为主的graduate student！ 话说回Roger放弃了他imaging动作电位的project，夏天的一日他到了美国东部的海洋 生物实验室（MBL, Woods Hole in MA) 闲逛。在那儿正聚集了全世界最好的电生理学 家----因为在70年代patch clamp还没有发明，电生理学家只能记录大的海洋生物的神 经细胞或是肌肉的电信号，于是夏天的Woods Hole吸引了一堆的大牛和小牛们来做实验 。那几日，大牛和小牛们讨论最热门的话题就是用刚发现不久的水母钙荧光蛋白来研究 钙信号和secretion或contraction的关系。事实上R. LLINAS已经从1972年开始用水母 钙荧光蛋白记录钙信号 （注1）。Roger, 当时还是小牛中的小牛，对此很感兴趣。由 于他的化学背景，他大胆的问了一个大大牛似乎too simple， sometimes naive的问题 ----水母钙荧光蛋白对于钙离子和镁离子的选择性。这其实是一个蛮重要的问题，因为 细胞内的自由的镁离子的浓度比钙高出甚多。大大牛对这个问题似乎并不注意，随口 dismiss了Roger的问题说电生理的证据表明没有镁离子通过细胞膜。 从这次的Woods Hole 之旅，Roger认识到了自己将来的方向-------生物领域的人大多 数不喜欢也不敢touch合成化学，而化学领域的大牛们有常常不知道生物领域的重要问题 及实验困难所在--------这就给了他这位当时的小牛中的小牛unique的机会成为横跨领 域的大大牛！ |
6楼2008-07-11 01:20:47
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回到Cambridge，UK后，Roger潜心开始合成organic dye for calcium。因为这时， free calcium ion已经隆重的登上了历史舞台，成为了重要的second messenger。按照 Roger的话来说 “It is scarcely necessary any longer to stress the importance of intracellular free Ca2+ as a second messenger for external stimuli and as a regulatory ion." (注1)。确实，此刻的calcium已经被认为是key molecule for secretion，fertilization。同时，他兄长（Richard, at Yale)的工作也implicate 钙离子的在骨骼肌和心肌收缩的essential function。这样，calcium的signaling 就 有了非常重要physiological和clinical的value。于是Roger 在此时timely的指出“A major technical challenge has been to devise satisfactory means for nondestructively measuring intracellular free Ca2+ with good time resolution” (注1) 。应该注 意的是，Roger并没有mention anything related to spatial resolution，为什么？ 大家猜猜。 对于新的calcium indicator，Roger首先就开始考虑Ca离子和Mg离子的选择性的问题--- --他选用了EGTA，一个著名的Ca离子的buffer作为start point。 因为EGTA螯合剂的孔 径不适合Mg离子的binding，所以这就potential降低了背景Mg离子的干扰。但是EGTA binding Ca离子的速度太慢，而且pka也不合适 （pka 决定了proton （H+） binding 的pH值。在生理情况下～pH 7.3，proton 喜欢binding EGTA-----从而会干扰了钙离子 的binding），Roger rationally 的先合成了BAPTA，一个现在也广为使用的high speed Calcium Buffer，然后又在此基础上合成了improved的quinolines。 (注1) 就这样，Roger将以1980 年(注1)的的文章 （唯一作者）结束了在英国的求学。这篇文 章里的calcium dye并不完美，比如吸收和发射光谱太靠近UV range （potential bad for cells and problems with autofluroscence），而且signal to noise ratio 也 不太近人意。这篇文章的引用率也没有他下一篇的JBC高，但是Roger在文章里 demostrate了rationale合成indicator的concept （比如indicator的calcium binding affinity 可以readily tuned)，而且他也correctly指出了现有存在的问题及可能解 决的方法。这样的文章可能是science发展的typical的流程-----有时你可能do everything right，但是你并不能立马得到完美的结果--------你可能所需的是keep trying and trying，over and over again-----------机会是喜欢有准备的头脑的。 那么机会喜欢Roger的头脑吗？ “Berkeley， I am coming！” |
7楼2008-07-11 01:21:21
tomqiao99
木虫 (正式写手)
- 应助: 0 (幼儿园)
- 贵宾: 0.05
- 金币: 4792.2
- 红花: 3
- 帖子: 673
- 在线: 120.5小时
- 虫号: 84015
- 注册: 2005-08-02
- 性别: GG
- 专业: 微生物学
8楼2008-07-11 10:18:14
9楼2008-07-16 10:40:17