让亿万微生物效力,还清新于世界 ——《世界科学》栏目访唐鸿志教授

2018年11月7日,上海科学会堂有一场题为“好奇心驱使的科学研究——从神奇的分形现象谈起”的报告会,报告人——麻省理工学院(MIT)张曙光教授从他所在的媒体实验室鼓励创新的文化和机制谈到他自己花了8年时间研究膜蛋白的经历,表达了他对麻省理工媒体实验室尊重科研规律、宽容创新失败氛围的敬意。


张教授在报告里不止一次提到当年在他的团队里一起从事相关研究,现在上海交大任职的唐鸿志教授。唐鸿志是我们2013级的启明星,于是那天我们与同在会场的唐鸿志相约了采访。采访中才感觉到找唐鸿志采访真是找对人了,他的经历和学科背景远不止在麻省理工媒体实验室那一段,他在分子微生物、环保治理和环保产业等领域都有建树,是难得的既能顶天又能立地的研究专家。 


                                                                爷爷是影响自己一生的人

唐鸿志1980年出生于山东济宁,父母都是医务工作者,且他们都热爱自己的工作和事业。在这样的家庭中成长,子承父业应是正常的选择。而在唐鸿志看来,爷爷对他人生的影响更深远和重大。


唐爷爷是20世纪50年代上海交通大学的学生,后来由于院系调整到了武汉读书,毕业后就一直在山东省生态环境厅从事环境保护工作,主管过山东省一些城市的环保治理。也因此,唐爷爷常给儿孙介绍环境知识,讨论环保问题。


鸿志说他小时候会由爷爷带着到山东不同的地方考察了解当地环境问题,这种见闻让他较一般孩子更早地对环境治理有了一些认知。或许是有这样的背景,儿时的他画了一幅以“拥抱地球、保护环境”为主题的画投到一家画报社并被录用。


在爷爷的影响下,唐鸿志高考时没有填报父母亲希望他填报的医学专业而报考了山东农业大学生命科学学院。唐鸿志说:“就在我读了一年大学后爸爸还想让我学习医学,也给我找到了转学的医科学校,但我最终还是听从了自己的内心,不转校不转专业,也许就是孩提时代爷爷对环保的执着与情怀影响了我。”


                                                                      确定微生物研究方向

2002年考研时,唐鸿志选择了微生物领域当时全国第一的山东大学,师从许平教授,参与微生物方面的一些课题。当时许老师的课题组也是刚准备开拓这个研究方向,加上当时国内从分子生物学角度进行微生物研究的还比较少,以至于他硕博连读的5年中,有一半以上的时间都是在探索。


为了尽快进入研究,他还到北方人类基因组中心学习了半年,其间进行的实验也没有多大进展。回校后,鸿志重新回到最经典、最传统的方法上进行探索,最终通过构建基因组文库的分子生物学方法找到了尼古丁吡咯途径降解的第一个酶——6-羟基-3-琥珀酰吡啶羟化酶。


研究成果发表后产生了较大的影响,且被欧洲科学院收录到教科书里。对唐鸿志来说,这个晚到的研究成果不仅让他重拾信心,也让他坚定了自己的研究方向,为后续的工作奠定了基础。


2008年,唐鸿志博士毕业时,导师许平作为特聘教授被引进到上海交通大学。由于科研能力得到导师认可,唐鸿志作为团队一员也一并得以引进,入职上海交大生命科学技术学院。团队刚到,学院院长邓子新院士立即对他们提出了高标准和新要求,要求他们没有好的成果就不要急着发文章,要发就发上档次的文章。“说实话,邓院长对我们的帮助非常大,首先是要敢想,才能朝着这个目标迈进。”


目标是定了,但是路却没那么好走,2008—2010年,唐鸿志只发了一篇文章。但历经三年积累后,唐鸿志以第一作者或通讯作者身份分别在遗传学重要期刊PLoS  Genetics、微生物学重要期刊Molecular Microbiology、生物化学期刊The Journal of Biological Chemistry等杂志上发表了多篇文章。其中,在Molecular Microbiology上就发表了5篇文章,而中国科学家此前在此期刊上鲜有文章发表。


以上文章大都围绕环境微生物学,这也是唐鸿志从研究生起就瞄准的方向。这些工作表明唐鸿志已在环境污染物代谢领域取得了一些国际同行认可的科研成果,如第一次从分子水平阐明了假单胞菌代谢尼古丁的吡咯途径;筛选到尼古丁的降解基因簇;发现和克隆了两个尼古丁代谢的新基因等。


                                                           在MIT媒体实验室受到双创启发


                                                           ◆◆MIT媒体实验室重视多学科交叉◆◆

2012年,唐鸿志来到MIT媒体实验室,这里是名副其实的奇迹发源地,也被誉为“走在社会发明最前端的黑科技诞生地”,如亚马逊的Kindle、乐高机器人、BiOM仿生义肢、感应式安全气囊、全息数字3D打印等原创发明都源自这里。


媒体实验室的展示厅里列满了最新的研究成果,包括可以变形的无人驾驶汽车,蜘蛛丝房子,融入了人神经元细胞的假肢等等,所有这些成果最后都会收藏到MIT的博物馆里。


当我们问及为何在媒体实验室会产生如此多的影响全球的“黑科技”产品时,在这个实验室逗留了一年多的唐鸿志总结了几方面的“因素”:


首先,媒体实验室是一个多学科交叉的研究机构,这里聚集了来自世界各地的顶尖跨学科研究人员,不只有生物医学、材料科学、电子信息、物理专业,还有心理学、建筑、人机交互等专业,这些顶尖头脑聚在一起就是想创造一些新的东西,如果说这个实验室和世界其他一流实验室有什么区别的话,那就是这里更看重文化艺术、创意设计等这些媒介属性与各种硬科学的深度融合。

 

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         唐鸿志当时在MIT 媒体实验室工作时的Bits and Atoms 研究中心,该实验室主要从事3D 打印及新型材料研发


                                                            ◆◆宽松、包容的文化氛围◆◆

其次,宽松、包容的文化氛围也是这个实验室为人津津乐道之处。唐鸿志告诉我们,媒体实验室现任主管伊藤穰一甚至没有大学本科学历,但在他领导下,媒体实验室这些年影响力一直在上升,伊藤穰一更强调开放式科研与创新,在最近的一次报告中他强调要跨越原有的学科壁垒,甚至用了“反学科”一词。


同样,唐鸿志所在的课题组里有一位90后年轻人马克也没有读过大学,但这里鼓励新思想的环境让他如鱼得水,目前他已是实验骨干。在这里,是否名校出身、是否具有高学历与是否“顶尖”研究者之间不会画上等号。


另外,这里各个学科的实验室在空间布局上是连在一起的,方便研究者 “串门”,相互之间的交流完全没有物理隔离的障碍,提升了创新思维碰撞的概率。


                                                            ◆◆研究能力与论文不挂钩◆◆

再次,在MIT,能力和为人得到认可的科研人员就算几年没有文章,没有拿到经费也可以继续做下去。说到此,唐鸿志引出了他在MIT的导师张曙光教授的经历。

 

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                                        与张曙光教授在MIT媒体实验室探讨实验机理


那是他刚到MIT的时候,他的导师——美国国家发明科学院院士、美国医学与生物工程院院士张曙光教授刚将其短肽蛋白的研究成果制成了有很大应用价值的止血剂,并已成功上市。因此,他将研究方向转到了膜蛋白上。


在人类基因组编码的蛋白质中大约有30%是跨细胞膜的膜蛋白,它们起着促进细胞和周围环境之间交流的重要功能。尽管膜蛋白在细胞中广泛存在,但由于它们的膜结合部分的强疏水性(脂溶性),所以不能溶于水,只有悬浮在脂溶性的去垢剂中时它们才能保持原来结构。


然而,这些去垢剂价格昂贵,而且没有适用于所有膜蛋白的通用去垢剂,这使得科学家在研究它们的结构和功能方面变得很困难。


如果将膜蛋白变成水溶性,可以大大降低成本,并且纯化也更容易。唐鸿志在MIT时跟着张教授主要就是进行这方面的探索研究。但由于课题只是刚刚起步,因此在他回国时并没有太大的成果进展。


唐鸿志说,在MIT的这一年,出成果并不是最重要的,更多的是感受这里的氛围,学习他们研究和思考的方法,特别是沉静下来专心做研究的心态。


膜蛋白的研究到目前为止,整整历时8年,张曙光教授团队才提出并实现了一种编码方法(QTY),将膜蛋白变成水溶性。做研究就需要这样的执着和定力,这是唐鸿志在MIT最大的感悟。


                                                                             ◆◆企业与学院紧密合作◆◆

还有一点也令唐鸿志印象深刻,学院里研究人员作的学术报告都是对外开放的,周围的企业可以自由到学校里听学术报告,如果他们认为这是好点子,就会为这项研究提供资金支持。


事实上,企业带着市场的需求来“挖宝”,因此这项研究可能在最初阶段就得到了企业的关注和持续跟踪,并开始紧密的合作,这种开放、直接的双向选择和合作机制能够让学校里的研究成果很快得到转化。


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                                  2018 年参加电视台节目,获得多位投资人青睐


                                                              环保路上坚定前行


                                                ◆◆筛选治污微生物是一项浩大工程◆◆

如果说到MIT之前,唐鸿志的研究大多是在基础前沿领域的话,那么MIT给他最大的启示就是:基础研究其实可以与实践应用有效结合,科学家也可以创业,而且会比其他人创业更有优势。


2013年回国后,唐鸿志以自己在环境微生物方面的研究为基础,结合当前一些实际的环境问题开展应用方面的探索,而政府和社会对于环境污染治理方面的巨大需求也提供了一个极佳的契机。


2014年,唐鸿志申报了市科委一个垃圾臭气综合治理的课题,希望借助微生物的力量来除尽垃圾中难闻的臭气和难降解、易挥发的毒气。


投身这项课题的大部分时间,他辗转于本市几个主要的垃圾堆放、填埋场点,对他而言,这相当于是重新踏上爷爷当年带他走过的地方,特别是那些别人避而远之的垃圾堆。


唐鸿志给我们介绍说,环境中的有机污染物,如吲哚、多环芳烃等,通常都比较难降解,而微生物是地球物质循环的“引擎”,微生物菌群是大自然的环保卫士和清洁工,它可以降解大部分的有机污染物。


然而,利用微生物代谢的方法来解决环境污染绝不简单,譬如筛选一种对某一类污染物有降解作用的微生物就十分困难,需要到无数个场地去取样、重复筛选,这个过程往往需要2~5年时间。而即使筛选到这个微生物以后,通常自然状态下的这种微生物的代谢和降解能力都很有限,还需要在实验室进行微生物强化,使之具备超强的降解能力,而这些还只是第一步。


因为导致垃圾场臭气的污染物有上百种,要悉数去除这些污染物不是一种微生物就能奏效的,需要构建一个菌群,让它们协同作用,共同降解不同成分的污染物,这也是一个浩大的工程。


                                                            ◆◆垃圾除臭解毒菌剂应用效果好◆◆

唐鸿志和他的团队这些年通过不断的探索和研发,目前已经研制出了若干有效的菌剂,喷洒后可以瞬间除臭解毒。目前国外进口的菌剂对于臭气有一定的缓解作用,但是对于污染物降解几乎没有效果,且价格昂贵(38~58万元/吨)。


唐鸿志团队研究的菌剂相当于用了国外进口1/20的价格实现了百倍的效率。这些菌剂已经通过上海市疾控中心、上海环境监测中心等机构的评估和安全性检测,目前已用于全国100家以上的垃圾中转站、压缩站和填埋场、焚烧厂等,而且使用至今零投诉、零污染。


这个项目获得了教育部自然科学一等奖,唐鸿志也因此荣获“科学中国人2016年度人物·杰出青年科学家奖”。唐鸿志的启明星项目以及后来的国家自然基金委“优秀青年基金”项目等都与环境微生物相关。


2018年5月,唐鸿志受交大推荐参加电视台的节目,这是央视推出的首档大型青年创业实战节目,旨在寻找最具增长潜力的创业项目(该节目又有“中国好项目孵化器”之称)。


节目中,在场大多数投资人都看好唐鸿志带来的“环保卫士”项目,投资人认为他带来的技术和产品除了现在能看到的功能,未来还有很大的升华空间,而且教授创业代表着产业升级的方向,照亮着国家的未来。


                                                                ◆◆拓展成果应用范围◆◆

接下来,唐鸿志将进一步拓宽自己研究成果的应用范围。


他目前正在研究的甲醛和甲苯的降解。


众所周知,新装修房间中的甲醛和甲苯是对人体极为有害的毒物。唐鸿志通过合成生物学的方法,让改性过的微生物菌群自动感知甲醛,然后迅速捕捉并将其降解成对环境无毒的二氧化碳和水,菌群完成使命后就会功成身退——通过简单的操作(如光照)能启动“自杀模式”,自行消亡,从而形成一个无毒无污染的闭环过程。


这个微生物智能降解系统就是他的下一个目标,这个方向还能派生出一系列其他的应用。正如那些看好这个研究方向的人所说,除了物理和化学的方法外,生物技术一定是未来环保产业一个极有前景的新方向。


当然,在做应用推广的同时,唐鸿志深知,基于机理的研究越深入,后面催生的应用才会应运而生,因此基础研究的能力永远是第一位的。


唐鸿志说:“爷爷这一代环保人毕生的愿望就是希望国家能天蓝、地绿、水清。虽然爷爷已不在,但他的夙愿一直谨记在我心里。我想做的就是将高科技转化成生产力,让亿万微生物加入到环保中,倾我一生,把清新还给世界!”