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#科学# 从“1”开始 实现“0”的突破
——大规模斑马鱼定向突变体库建成记

斑马鱼,因全身布满多条深蓝色条纹似斑马而得名。这种不起眼的生物,却是撬动许多学科发展的基础——其基因和人类基因相似度达87%,因此被应用在生命科学、健康科学和环境科学等领域的研究中,与线虫、果蝇、小鼠一样,是常用的模式生物。

从2013年开始,在中国科学院院士朱作言、孟安明的号召下,国内30多家实验室先后加入“斑马鱼1号染色体全基因敲除联盟”(ZAKOC)。经过6年协作攻关,科学家针对斑马鱼1号染色体上的1333个基因进行系统性基因敲除,成功敲除了其中1029个基因,实现了中国斑马鱼资源库“从0到1”的突破,也为相关学科开展研究奠定了基础。

在国家“十三五”科技创新成就展上,由中科院水生生物研究所(以下简称水生所)牵头完成的这一成果——“建成自主知识产权的大规模斑马鱼定向突变体库”入选基础研究展区,出现在生物科技相关成果的第一展板上。

做基础研究的基础

与小白鼠相比,斑马鱼繁殖力强、发育迅速、胚胎透明、体外受精、体外发育等生物学特征,更加便于科学研究。但在2012年前,国内对斑马鱼的研究却非常“小众”,只有少数实验室在开展相关研究。

而在同一时期,美国、欧洲都建成了斑马鱼资源中心,澳大利亚等地区也建有斑马鱼库。此前,欧美国家发起过几次“从表型到基因型”的正向遗传学突变体库构建和筛选计划,但这些突变体全部保藏在国外,中国科研人员很难获取,加之知识产权等原因,转化研究更加受限。

“没有斑马鱼研究作为基础,许多学科基础研究很难开展。”水生所研究员孙永华介绍,开展斑马鱼研究是许多“基础研究工作的基础”。因此,建立自己的斑马鱼资源库和自主知识产权的斑马鱼突变体库尤为迫切。

国家层面也意识到斑马鱼研究的重要性,2012年10月,国家斑马鱼资源中心在水生所成立,主要任务就是为国内收集、创制、整理、保藏和分享斑马鱼研究资源。

然而设立中心只是第一步,如何大规模创制和收集斑马鱼品系资源才是迫切需要解决的问题。几个月后,新一代基因编辑技术CRISPR/Cas9系统问世,让中国斑马鱼研究人员看到了曙光。

“那时,‘基因剪刀技术’刚被证实有效,大家敏锐地意识到这个技术能够非常高效地定制我们所需要的斑马鱼品系。”孙永华回忆道。

2013年2月,CRISPR/Cas9技术被成功应用于斑马鱼。在朱作言、孟安明的召集下,水生所、清华大学、中科院动物研究所、北京大学等24家机构的30多名学者迅速集结,组成了ZAKOC,开启了“从基因型到表型”的斑马鱼大规模反向遗传学筛选研究。

打造斑马鱼研究“国家队”

“当时大家已经意识到,斑马鱼是一种很重要的实验材料。只有中国积累起足够的实力,才能去谈国际合作问题。只跟在别人后面做,必定要受制于人。”北京大学生命科学学院教授张博是该联盟的发起人之一。她表示,尽管有很多不确定性,但意识到其中的战略意义,国内斑马鱼学界的力量很快以水生所为中心集结起来。

“大家一致认为要从斑马鱼的1号染色体开始敲。”孙永华表示,斑马鱼有25条染色体,其中1号染色体有1300多条基因,基因数量是25条染色体的平均数,作为样本非常合适。

虽然大家的热情高涨,但现实“捉襟见肘”。

一方面,作为重要的模式动物,斑马鱼的基因敲除技术在当时仍不成熟,极大限制了其基因功能研究。

“最大的挑战在于没有前人做过,这是‘基因剪刀技术’出现后,首次在脊椎动物身上大规模应用,谁也不知道会发生什么,只能见招拆招。”水生所高级工程师潘鲁湲2014年加入项目,在她看来,正是大家毫无保留的互相帮助,才能“逢山开路,遇水架桥”。

据介绍,先后有30多家实验室参与项目,实验室间的完成度也难免会有差异。“遇到困难,大家首先想的总是怎么配合解决问题。”孙永华表示,经常是某一家遇到瓶颈“敲不动”了,其他实验室就主动领回来接着“敲”。

每隔一段时间,所有参与计划的科研人员还会相互邀约,举行项目协调会,了解彼此进展,及时调整研究方案和策略。“具有协作精神是这支队伍最大的特点。院士作为领衔科学家把控方向,各实验室开展工作就能劲往一处使。”孙永华说。

另一方面,作为一个自发的科研联合攻关团队,这项工作并没有专项经费支持。鱼要吃饭,人要吃饭,实验室也要运转,都是最现实的问题。绝大部分时间里,能采取的方法只有一种:省吃俭用,自筹经费。

“支撑大家坚持下去的,是作为中国科学家的责任感。”张博坦言,仅她所在的实验室,前后就有二三十人参与到这项工作中。大部分人都是幕后英雄,尤其是研究生们。“通过参与这项研究,更多的青年科研人员掌握了最前沿的技术,成为我们的生力军。”

回顾这几年的工作,孙永华表示,科学探索本就充满不确定性,但通过这项研究计划,凝聚、锻炼了一支科研队伍,“这是我们最大的收获”。

发挥好建制化优势

经过6年多的研究、前后四五百人的付出,中国科学家利用CRISPR/Cas9技术,针对斑马鱼1号染色体上的1333个基因进行系统性基因敲除,成功敲除了其中1029个基因,获得针对636个基因的1039个可传代的突变型,首次实现了脊椎动物整条染色体的系统性基因敲除。

所有突变品系和遗传信息全部通过国家水生生物种质资源库——国家斑马鱼资源中心对学术界公开。不仅引领了国际斑马鱼表型组研究,而且建成了我国首个大规模斑马鱼定向突变体库。中国的国家斑马鱼资源中心也成为公认的国际三大斑马鱼资源库之一。

张博表示,回顾过去几年的付出,一切都是值得的。伴随着这一计划,中国的斑马鱼学界不但完成了“从0到1”的突破,更搭建起一个平台,吸引众多海外青年学者回国建设实验室。据统计,2020年,我国的斑马鱼研究产出的全球占比已超过29%,成为全球产出体量第一的国家。

“协作是项目成功的重要原因,几十家实验室共同协作完成这样一项工作,在国内外都是不多见的。”对于潘鲁湲和她的同事们来说,最直观的工作体验是从北京到广州、从上海到成都,把分散在全国的斑马鱼品系收集起来,然后整理归类。

而作为牵头单位,水生所也通过这一计划,建立起了斑马鱼品系保藏体系,并整合出一套工作流程。“斑马鱼1号染色体敲除计划是一个开始,帮我们理清了收集、验证、保藏等流程,为后续开展更大规模的斑马鱼反向遗传学筛选计划奠定基础。”孙永华说。

“这项自发性协作研究,以斑马鱼1号染色体全基因敲除计划为源头,团结和凝聚了中国以斑马鱼作为模式动物开展研究的群体,进一步促进了以斑马鱼为对象在发育、代谢、毒理等方面的基础研究,以及其在生物技术创新、药物研发、水产育种、水环境效应评价等领域的应用研究;以该团队为核心,承担了国家重点研发计划中‘斑马鱼发育与代谢突变体库的系统创制’项目,并在相关产业应用中展现出良好的潜质。”水生所所长殷战表示。

正如中国的斑马鱼领域的科研工作一样,如今中国的科研逐渐由并跑迈向领跑阶段,更需要能动性地发挥出建制化、大团队协同作战优势,聚焦基础领域,开展全链条、跨部门协同攻关,为实现高水平科技自立自强提供有力保障。
来源:中国科学报

#为啥铝粉能燃烧而铝箔不能#
铝箔可以在氧气中燃烧,却不能在空气中燃烧,为什么?
呼之欲出,是因为空气中的浓度只有21%,而纯氧是100%,根据动力学基本原理,如果铝和氧气的反应相对于氧气来说是一级反应,那么氧气中的反应速度会提高5倍,如果是二级反应,那就是25倍。
说这个,是想说明最基本的问题,铝箔的燃烧与否,主要是动力学问题。当然,这个事实并不能确定铝在空气中是否燃烧和热力学原理无关,但是通过吉布斯自由能的计算可以很轻松证明,这里就不讨论了,大学物理化学中的基础知识。
我们在这里需要解释一下两种“判据”的差别,什么叫热力学,什么叫动力学。
所谓热力学的判据,是根据热力学三大定律对一个过程进行判断,比如地球上水往低处流,这就是热力学上允许自发进行的过程,水往高处流就不是自发过程,我们在初中物理学到的重力势能就能解释。
化学反应没有重力势能那么直观,所以热力学上的判断非常重要,一般是简化成吉布斯自由能这个判据,在一些特殊情况下,也会用到熵或焓作为判据。吉布斯自由能就如同是水的重力势能一样,如果反应前后,自由能是下降的,过程就可以自发进行,反之则不能自发进行。
至于动力学,我们可以举个水坝的例子。水往低处流,但是被水坝拦住了,那么它就流不下去,这就说明,一个物体的命运,除了要考虑自身的“能量”问题,也要考虑实际的动力或阻力,这就是动力学问题。
好了,我们现在可以理解,铝箔就好比是那些被水坝拦住的水,它有流下去的潜质,但却有一些阻力,需要在动力学上进行调整,才能让反应进行下去。
现在我们开始进一步梳理这个问题,为什么铝箔在氧气中反应更快,就能持续下去呢?
我们说一个古代的取火方式——打火石(火镰)。
打火石的原理很简单,就是通过撞击产生火花儿。一般采用的是一块玄武岩和一块生铁,如果岩石中含有硫磺会更容易出火花儿。这几天我正好在家给一块花岗岩掏洞,找了根铁凿子,叮叮咣咣,也能产生不少火花。只要把引火物放在火花溅起的地方,就能够取火了。
实际上用这类取火器材远没有影视作品里面那么轻松,点不着是常有的事。原因很简单,少量的金属铁在摩擦时脱落,并且因为摩擦的高温被氧化从而产生火花儿,这个时候如果化学反应无以为继,自然就终止了,但我们没有办法保证火花儿正好就能让引火物正好发生反应。打个比方,你在追求一个女孩,趁着下雪天玩个浪漫,攒了一夜的尿,准备去写三个字,尿量是够的,这是热力学允许的。但是,万万没想到,尿结石……
铝箔的燃烧其实就是这么个问题,它的产物是氧化铝,会形成致密的氧化膜覆盖在铝的表面,这就阻隔了铝和氧气的进一步反应。
但是,氧化物从形成到转化为“致密的氧化膜”,这也是有时间的,不是说一生成就致密了,所以,一旦氧化反应快到产物来不及板结的程度,反应就可以持续了。
正所谓,只要跑得足够快,阻力就追不上我。
除了增加氧气的浓度以外,直接增加空气的压力也是一种办法,比如10个大气压,一样能点着铝箔。
此外还有一种办法,那就是通电,电化学反应速度也是可以很快的。
把铝箔做成铝粉,增加了铝和氧气接触的面积,反应当然也是加快的,这也就是比表面积增加后的效果。其他也有否定这一点的,然而道理却是说不通的。可燃物无论辐射率高低,也不管热传导系数如何,只要颗粒变小,燃烧都会变得更容易,这说明尺寸的影响不可能被忽略,比表面积增大是让反应顺利进行的重要原因。
反过来说,只要能够一直清除氧化铝,那么反应也可以持续下去,即便反应速度并不快。相信很多人都知道,飞机上不能带水银温度计,原因就是水银会对铝合金造成致命危害,因为水银会溶解铝,所以铝的表面就无法再生成致密的氧化膜,只能任由氧气玩弄。这个反应在常温下进行,比燃烧慢多了,但是很持久。
但是,说到这儿还有个最基本的问题没有解决,铝的氧化反应是怎么启动的?解决了这一点,就不难知道铝粉为什么更容易被点着。
铝粉的燃烧试验在军工及航天领域还是挺重要的,所以研究资料不少,特别是有一些统计学方面的研究,很有深度,只是公式太复杂,我也没办法完全领会。
简单来说,铝在燃烧前,首先会熔化成液态,而液态物质在表面张力的作用下会倾向于形成球形。但是即便是颗粒状的铝粉,原本的形态也不可能是球形,在加热的条件下,要想维持角动量守恒,那么铝粉就会发生旋转,而最外层没有熔化的氧化铝薄膜就成了阻尼的来源。
这个状态,其实很像微缩的地球,内部是熔岩,外层是地壳。就像熔岩会造成火山喷发一样,不断旋转的铝粉,表面的氧化膜也会被挤出一些小口子,反应于是就启动了。从这个模型也不难看出,粉末状的铝,显然比铝箔更容易被引燃。
当铝粉足够细的时候,速度很快,就好像火山喷发了之后,拉开的伤口始终不能结痂,反应不会停止,温度越来越高,又加剧了反应的进程,所以铝粉一旦被点燃,往往就是不可控并导致爆炸的后果。
这个模型,和气溶胶并无关系,实际上,气溶胶一般是纳米材料或者几微米的尺度,这时的颗粒物可以在空气中比较稳定地漂浮,就像液体里的胶体一样。我们平常所说的PM2.5,指的是2.5微米直径以下的颗粒物,这可以说是气溶胶。
我此前做一个项目用到的气溶胶二氧化硅,粒度分布在0.1微米到1微米之间。而大多数研究所用的燃烧铝粉都是几十微米到几百微米,根本不可能形成所谓的“气溶胶”。所以,用气溶胶来解释铝粉燃烧的原理,没有依据。
总结一下——
1、铝箔不能被点燃,是因为动力学上存在障碍,反应不能持续地进行,如果速度足够快,避免产物氧化铝的板结,燃烧就可以发生。
2、因为比表面积增加的缘故,铝粉与氧气的接触面积大,可以点燃。
3、铝粉相比于铝箔,也更容易被点着,所以铝粉的危险系数非常高。
如果没有专业设备保护,一定不要尝试金属燃烧的实验,铝、铁等金属燃烧起来比钠、钾之类的碱金属更可怕。


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