WILEY人物访谈——上海科技大学钟超教授

钟超,博士,上海科技大学物质科学与技术学院材料与物理生物研究部研究员、博士生导师,国家“青年千人”入选者、上海“曙光学者”入选者,入围科学中国人2018年度人物,获得国家自然基金面上和联合基金、上海市科委基础重点研究、国家重点研发计划“合成生物学”重点专项子课题、国家海洋科学重点实验室开放基金以及JKW国防科技部项目等科研基金的支持。 

钟博士教育和科研背景包括材料科学、合成生物学以及生物医药工程,当前的研究兴趣是合成生物学和生物材料。于2001、2014年本科和硕士分别毕业于天津大学、北京化工大学材料系,2009年博士毕业于康奈尔大学,2009~2011年在华盛顿大学西雅图分校从事博士后研究,2012~2014年在麻省理工学院合成生物学中心担任研究科学家职位,2014年7月加入上海科技大学物质学院组建生物灵感分子工程实验室,担任课题组长。

Introduction

MVC: 当您还在上学的时候,您想未来从事什么职业?是什么把您吸引到科学领域的呢?

ZC:中学时就幻想长大如果能从事科研方面的工作会很酷。在本科上学期间进入科研实践,特别是接触到科研一线工作人员,了解科研人员的实际工作状态之后(比如对创新的不断自我追求),就越发觉得做一名科研人员是一个令自己向往的职业。

MVC: 如果您没有走科研这条路,您现在会干什么?如果重新选择,您还会继续做学术研究吗?

ZC:如果没有走科研这条路,可能还会从事和科研相关联的职业。因为曾经在科研道路上碰到各种困难都没有放弃,而且直到现在对学术研究还是保留有最初入行时的热情,所以相信如果重新选择应该还会继续做学术研究。

MVC: 是什么促使您选择合成生物学与材料科学交叉学科成为您的研究课题?

ZC:我们团队主要从事的研究方向是合成生物学与材料科学交叉领域,具体来说是利用合成生物学技术开发新的生物材料和生物纳米技术。我们希望利用合成生物学技术推进材料科学特别是生物材料领域最前沿的研究,比如我们近期开发的细菌活体功能材料代表概念上的新材料,这种新材料在生物医用、能源和环境等领域都有着重要的应用价值。

我博士期间是从事生物仿生矿化方面的研究,当时领域内很多的研究范式是从化学和材料角度进行仿生,而很多自然的生物矿化体系的形成(例如我们的人体骨骼)和细胞深度参与息息相关,因而觉得那样的研究范式并不能真正解决领域的关键问题。而合成生物学领域让人觉得有无限可能,当时就设想如果能借用这些生物新技术改造和操控细胞,也许会给新材料的发现和创造提供新的思路。之后机缘巧合我在麻省理工学院的科研训练让我对合成生物学有了直接的接触和更深的认识。在2014年加入上海科技大学物质学院后,也就有了我组建的科研团队从事合成生物学和材料科学交叉研究的故事。

Main  fields of interest

MVC:你刚刚提到“活体功能材料”,能否具体讲讲这一新兴研究方向? 您的研究组在围绕活体功能材料方面开展了哪些工作?开展这方面工作的意义是什么?

ZC:的确,活体功能材料是合成生物学和材料科学交叉领域的新兴研究方向。借助合成生物学工具开发的活体功能材料代表了一种概念上的新型材料,这种材料具有多功能、自我修复和适应性强的特性,以分布式、自下而上和环境可持续的方式创建和构筑。其实这一新方向的很多灵感来自于自然的生物材料体系。比如我们熟知的人体骨材料或者贝壳类材料,他们是细胞高度参与而形成的复合材料,这些自然生物材料能将生命系统的活体属性(包括快速生长能力、自我修复和环境适应性)和特定的材料性能完美结合,同时这种材料能够动态响应周围环境的变化,并具有智能调节材料性质的特征(例如骨材料会随着人的年龄增长而变脆,当踢球受伤的时候,受伤部位又能够自我愈合),而这也正是活体功能材料这一新兴研究方向最终期望实现的目标。    

       在这一方向上,我们团队当前的很多工作都是围绕细菌生物被膜开展的。细菌生物被膜通常由细菌及其胞外分泌物质(如蛋白质、多糖、DNA)组成。基于细菌的可编程生物被膜可以当成一种具有活体特征的功能材料来应用,表现出很多传统材料不具有的性能,比如具有基因操作功能、环境响应、自适应以及可进化等特征。课题组前期证明光感应细菌生物被膜可应用于动态自组装材料领域,能将溶液中悬浮的无机纳米颗粒按预先设定的方式有序地组装成各种阵列和相应的电子装置(Advanced Materials 2018)。最近我们又证明了这种基于无机纳米颗粒/生物被膜杂化材料可以在人工光合体系中得到应用(National Science Review 2019 (In revision))。此外,我们开发了基于枯草芽孢杆菌生物被膜的可编程可3D打印的活体功能材料,在生物医药和环境修复等领域有广阔的应用前景(Nature Chemical Biology 2019);而以海洋生物中的动态水下粘合作为灵感,我们首次报道了基于工程改造的枯草芽孢杆菌生物被膜活体粘合胶水(Living Cellular Glues),这项研究从概念上推动了水下仿生粘合材料的发展(Materials Today 2019)。最后,我们利用工程改造的细菌环境响应等特点,正在致力于智能型活体功能材料的开发。

        从基础科研角度来看,我们在活体功能材料方面的工作,拓展了当前的仿生和生物灵感材料所定义的范畴,同时推进了合成生物学技术在材料领域的应用。而从应用角度,我们工程改造的生物被膜活体功能材料具有传统材料不具有的一些独特特性,已在生物医药、能源、环境甚至国防军事等领域表现出很大的应用潜力。

MVC:那您如何看待活体功能材料的研究现状和前景?

ZC:在我看来活体功能材料的提出和发展是合成生物学和材料科学交叉发展的必然产物。这个领域应该说才刚刚兴起,合成生物学技术的发展已经为时空控制以及精确调控生物分子的表达、分泌以及自组装提供了可能,这个领域的发展为未来构建环境响应甚至智能型活体功能材料提供了全新的机会。相信在不久的将来多功能、多用途的智能活体功能材料的开发会在医药、环境、能源和国防军事等多个领域发挥重要的作用和用途。

MVC: 对于您发表的著作,哪些是令您最骄傲的?您最喜欢的是您哪部分的研究工作?

ZC:刚刚提到的利用细菌生物被膜构建的活体功能材料平台是我们最近的工作重点之一。此外,我们在利用功能淀粉样蛋白作为基本单元构建生物材料和生物纳米技术方面也做出了一些比较原创的工作,比如利用哺乳动物低复杂序列结构域,通过调控不同蛋白单体的自组装顺序,我们构建了结构多样的纳米纤维网络(ACS Nano 2017),最近我们还利用哺乳动物低复杂序列的液液相分离和随后的淀粉样蛋白自组装形成纤维的特征,构建了强力水下粘合涂层材料(Science Advances 2019)。

在合作方面,利用生物被膜淀粉样蛋白的成核机制,我们和上海交通大学的樊春海老师课题组合作构建了新颖的Amyloid/DNA Origami 复合纳米技术 (Nature Communications 2019), 此外,我们还和上海科技大学物质学院的李涛老师课题组合作利用生物被膜淀粉样蛋白易在界面形成涂层,并利用这些蛋白作为成核点,在各种基底大规模地制备金属有机框架晶体薄膜材料,有望在气体分离等应用中发挥作用(Chemical Science 2018),应该说这些交叉工作都是我们课题组比较喜欢的工作。

Work life balance

MVC: 什么时刻您最享受工作中的乐趣?在科研经历中是否有些趣事可以和我们分享?

ZC:科研中最享受的乐趣应该是发现之美,也就是我们常说的“Aha moment” 带来的乐趣。

博后科研阶段,我曾经看过一篇关于某个组织工程领域大牛专家的专访,他说其实很多科研想法在当时看起来很不现实,具有挑战性,但是只要在课题组中营造一种创新氛围,和组员不断重复他的“过分”要求,很多想法在若干年后都能逐一实现。虽然我做的领域并不是组织工程,但是领域之间有很多相通性。回国后我有意在科研交流的过程中和我学生聊一些看似天马行空的想法。这种交流模式曾经让课题组的很多成员产生过忧虑,开始的时候或多或少地在抗拒接受我的想法(这一点我认为合乎情理,因为人往往都易接受自己感觉舒适一点的、自己能把控的想法)。有趣的是经过几年的培训,我的学生慢慢已经习惯了我的这种培养方式。更为有趣的是正如前面那位大牛所说的,很多在当时看来不实际的科研点子,真的只要给组员说多了,最终都会在不同程度上得以实现。

MVC:科研工作之余,您有什么爱好?

ZC:和朋友聊天,看科幻、侦探和冒险类的电影,以及喜欢观赏足球、网球等体育比赛。

MVC: 您最喜欢的书是什么?

ZC:喜欢的书有很多,最喜欢的是海明威的《老人与海》,简单的故事背后蕴含让人深思的哲理。

Advices to youth

MVC:您认为科研人员最重要的品质是什么?您对有志从事科学研究的青年学生有什么建议?

ZC:我认为对于科研人员最重要的品质是对事物要一直保留好奇心,好奇心驱动的研究能让自己在碰到各种挫折之后,仍会激励自己在科研的道路上不断前行。而对于有志从事科学研究的青年学生来说,除了保持好奇心,也需要在专注科学训练的同时注意加强个人想像力和团队合作精神方面的训练。

MVC:您能否用简单的几个英文单词形容下拥有快乐的实验室生活的关键

ZC:Self-motivation, Open-mindedness and Optimism