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林炳承:精準把握前沿研究方向的戰略型科學家

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摘要:茍利國家生死以豈因禍福避趨之人總是要留一點東西給社會的對于從事科學研究的科學家來說更是如此在他們看來勇于擔當富有為國家和社會需求服務的社會責任感是一種基本素質上世紀年代由于石油工業的推動我國對色譜學科的需求空前旺盛色譜因而獲得了大規模的發展有這樣一位中國科學家因在色譜研究中的杰出成就而成為著名的德國洪堡基金的訪問學者上世紀年代美國啟動了人類基因組計劃
林炳承:精準把握前沿研究方向的戰略型科學家

“茍利國家生死以,豈因禍福避趨之。”人總是要留一點東西給社會的,對于從事科學研究的科學家來說更是如此。在他們看來,勇于擔當,富有為國家和社會需求服務的社會責任感,是一種基本素質。
上世紀70~80年代,由于石油工業的推動,我國對色譜學科的需求空前旺盛,色譜因而獲得了大規模的發展。有這樣一位中國科學家,因在色譜研究中的杰出成就而成為著名的德國洪堡基金的訪問學者。
上世紀90年代,美國啟動了人類基因組計劃。作為基因測序的主要技術平臺,毛細管電泳應運而生。還是這位科學家,在90年代初這個特定的歷史時期,毅然回國,在非常艱難的科研環境中組建毛細管電泳實驗室,并用整整十年帶領學生親歷它從起步發展到成熟,步步逼近巔峰,而他本人也因此成為該領域國際重要學術期刊Electrophoresis(《電泳》)雜志的副主編。
世紀之交,在人類基因組計劃主體部分完成之際,毛細管電泳作為一種重要平臺技術的歷史地位已被確立。也就在此時,生命科學的全面崛起推動相關社會需求的進一步提升,一種更小的、能夠對流體進行更微量、更精準操控的三維平臺——襁褓之中的微流控芯片正呼之欲出。依然是這位科學家,憑借其獨到的洞察能力,在常人看來前景遠不明朗的朦朧時期果斷出手,集中了手頭幾乎全部可調用的力量,傾力推動……
這位科學家,就是中國科學院大連化學物理研究所研究員,大連理工大學教授林炳承。林炳承自敘其科研生涯只做了三件事,即起步階段的色譜,親力主導的毛細管電泳和微流控芯片。近幾十年的科學史證明,當年的毛細管電泳和微流控芯片都堪稱是發展前景巨大的“潛力股”。在百廢待興的二三十年前,能夠正確判斷,扎根去做,并且取得極高的成就,這本身就是一件難能可貴的事情。
在談及這一段歷史時,林炳承表示,一個有所成就的科學家應該具備的基本能力是:“看得準,抓得住,做得好。”他進一步解釋道:“在科學發展的關鍵時刻,一定要能看準新的科學研究方向,看準是引導的基礎;看準了之后,要擺脫種種干擾,努力去抓住,允許小的偏離,確保大體不變;等到真正抓住了,更要‘大膽假設,小心求證’,寧拙毋巧,寧樸勿華,傾其所有,一絲不茍地把它做好。”
兩個重大的戰略決策
1978年,改革開放初期,為盡快改變科研隊伍嚴重青黃不接的狀況,中國科學院招收第一批研究生,林炳承就是其中的一員。他也是改革開放后中國科學院的第一批博士。作為一位成長于轉型年代的科學家,林炳承身上帶有一種深深的以國家戰略和社會需求為導向開展科學研究的時代烙印。
“我們在20世紀80年代后期就意識到關于色譜研究的主要工作已經做完,因此考慮布局新的學科研究方向,‘人類基因組計劃’的提出,讓我看到了毛細管電泳的潛力。”90年代初,林炳承帶領團隊組建毛細管電泳實驗室,這也是國內最早全面研究毛細管電泳的團隊。不同于色譜研究時的參與身份,林炳承在毛細管電泳的研究方面擁有絕對的主導地位。在他的帶領下,團隊在基因分型、手性拆分等方面取得了卓越的成就。1995年,林炳承所著的《毛細管電泳導論》一書由科學出版社出版。90年代后期,林炳承團隊已發展成為當時國際上毛細管電泳領域最重要的實驗室之一。此后的十多年中,林炳承在電泳雜志副主編的崗位上對國際毛細管電泳領域的發展做出了重要貢獻。
毛細管電泳作為第一代基因測序的核心平臺,對人類基因組計劃的最終完成起到了決定性的作用,林炳承的毛細管電泳研究團隊也因此完成了他們的歷史使命。上世紀末到本世紀初,林炳承又一次考慮為團隊確定新的研究方向,“這次,我們抓的是微流控芯片,而歷史證明我們又對了。”林炳承說:“2001年,我招收了兩批共12名博士研究生,我只留了一位繼續做毛細管電泳,剩下的11位統統都被派去做微流控芯片。”
這時的林炳承已年過半百,但從這近乎背水一戰的果斷舉動來看,對于第二次轉型,他依然滿懷信心。而后的發展表明,他的團隊又因此成為國內最早從事微流控芯片研究的課題組之一,并在整個21世紀00年代,一直活躍在國際微流控芯片領域的前沿,進而把這種輝煌,延續至今。
芯片實驗室的建立
在林炳承科研生涯涉足的三件事中,微流控芯片顯得尤為精彩。
微流控芯片,又稱芯片實驗室,是一種以在微米尺度空間對流體精準操控為主要特征的科學技術,具有將生物、化學等實驗室的基本功能微縮到一個幾平方厘米芯片上的能力。它把化學和生物等領域中所涉及的樣品制備、反應、分離,細胞培養、分選、裂解等基本操作單元集成到一塊很小的芯片上,由微通道形成網絡,以可控流體貫穿整個系統,用以實現常規化學或生物實驗室的各種功能。
在國際學術界幾乎同期起步,缺少可借鑒先進技術和產業支撐的情況下,林炳承帶領課題組經過短短幾年的努力,就具備了自行設計、制造多種不同材料的芯片和不同檢測器的芯片工作站的能力,掌握了化學和生物實驗室主要單元操作的芯片化及其集成技術,建立了具有自主知識產權和核心競爭力、富有生物醫學特色的微流控芯片系統,并應用于疾病診斷和藥物篩選,實現了微流控芯片的功能化,推動了微流控芯片的學科建設。
早在2004年,林炳承團隊所承擔的兩個項目“微流控芯片生產工藝與表面修飾技術”和“系列微流控芯片分析儀的研制”就已通過中國科學院組織的專家鑒定。這標志著“微流控芯片實驗室”平臺的初步建成,并催發了他們在疾病診斷、物種識別、藥物篩選等方面的功能化研究以及單細胞與單分子檢測技術研究,真可謂旗開得勝。林炳承團隊以較少的投入取得了突出的成績,贏得了國內外同行的高度贊譽,使中國的微流控芯片研究比較早地處于國際前沿地位。當時,“芯片實驗室”技術開拓者之一、歐洲終身成就獎獲得者,原英國帝國理工的A.Manz教授曾說:“大連化物所的芯片實驗室研究發展很快,令人吃驚。”美國三院院士,哈佛大學G.Writeside教授更直接致信林炳承教授對大連團隊的工作表示贊賞。
在此后的一些年里,林炳承團隊發表了大量關于微流控芯片的研究文章。他們在國際上首次提出并實現了利用噴蠟打印制作紙質微流控芯片的新技術,大大縮短了制作時間和成本,降低了技術門檻。時至今日,噴蠟打印已成為紙質芯片制作的最通用技術,有力推動了紙質芯片的發展。僅2008年前后一年多時間里,團隊關于細胞水平和模式生物(線蟲)水平高通量藥物篩選研究及藥物代謝研究的工作,就連續三次被本領域最重要國際刊物Lab on Chip(《芯片實驗室》)作為封面文章刊登,引起國際芯片和藥物研究領域的廣泛關注。線蟲芯片的工作發表后,下載量和引用率長期居高不下,并很快被英國皇家學會的Chemical Biology(《化學生物學》)作為亮點報道。美國Michigan大學線蟲研究著名學者N.Chronis教授的評論稱,“這一工作非常令人鼓舞,它極有可能使人們能夠準確記錄單個線蟲在接受藥物刺激后行為的瞬間變化,為模式生物高通量藥物篩選提供一個重要平臺。”
隨著微流控芯片技術應用范圍的不斷擴大,團隊面臨著下一輪主攻方向的定位問題。林炳承及時、敏銳地把細胞研究作為團隊微流控芯片研究的主要出口。他在以研究化學物理見長的大連化物所建起了第一個細胞培養室,招收了第一個醫學背景的博士研究生,并先后在微流控芯片上完成了細胞的系列培養、多種細胞的共培養和三維共培養、兔軟骨組織培養,以及帶有肝微粒體的藥物代謝等工作,進而于2010年10月的香山科學會議上正式提出并啟動微流控芯片仿生組織-器官的研究,甚至于不失時機地自行研發3D 生物打印機和生物墨水,配合微流控芯片的器官仿生研究。
近期,林炳承團隊研發成功了一種使多種細胞及組織在體外共存的類器官多功能微流控芯片,該芯片能同時測定藥物的吸收、分布、代謝、消除等藥代動力學參數,進行藥物的抗腫瘤和肝毒性評價,初步具備了試驗用動物的功能,為微流控仿生組織-器官芯片進行藥代和藥理研究,并部分替代臨床前動物試驗邁出了重要的一步。目前,林炳承團隊正和醫科大學的腎科、口腔科、婦產科、胃腸科和腫瘤科的醫學專家一起,研究相應的器官芯片,并積極和干細胞研究的專家合作,尋求在芯片上實現成人誘導干細胞定向轉化為各種器官細胞,進而開展個體化治療的可行性。2015年,大連化物所基于微流控芯片的單細胞分析研究組成立,開始了在單個細胞層面上開展蛋白質和核酸分析的進程。
至此,林炳承完成了以微流控芯片為基礎平臺,以細胞為核心對象,覆蓋從單細胞分析到全器官仿生的整體布局。對于林炳承這樣的戰略型科學家而言,確定這樣一個帶有前瞻性、全局性的主攻方向的重要性,絲毫不亞于當年對毛細管電泳和微流控芯片的選擇。
在談到這些時,林炳承微微有點動情,他說,“由于很多政策層面的限制,有一個階段,我們曾經很困難,沒有很多資源,無論是人力還是物力,幾乎是又一次從零開始。我們走到今天這一步很難。”
但是他們竟然做到了。靠的是什么?林炳承說:“一是前瞻性的學術思想;二是全方位的研究積累。當然,還包括很多好心人的真誠幫助。”
2011年6月,受大連化物所領導委托,林炳承為所里的青年研究人員做了一個題為“思想先行”的報告,報告聯系世界科學史和自身幾十年的實踐,對前瞻性學術思想在科學研究中的地位、學術思想形成的幾種途徑、學術思想和個人素質的關系、學術思想的戰略層面和戰術層面等作了較為詳盡的說明。在報告的最后,他說了這么一段話:“學術界總是要有點思想的,好的學術思想一般是獨立的,獨立的學術思想是一個科學家有別于其它科學家的本質屬性,形成獨立的學術思想應當被看成是科學家一生最重要的追求。”事實上,過去的幾十年中,在學術研究的每個重要關鍵時刻,林炳承就是憑借他的敏銳直覺和寬闊視野,不斷實踐上述基本判斷,強化前瞻性學術思想,精準操控自身科學研究方向,帶領團隊,跨過一個個艱難險阻,超越自我。“思想先行”的典型例子是,從1992年到2007年的15年中,林炳承以92%的極高成功率申請到包括3項重點基金在內的11項國家自然科學基金,這些指標,至今依然在大連化物所名列前茅。
林炳承還非常重視研究積累。在中國科學院,他耳濡目染了老一輩科學家“以任務帶學科”的基本做法。他說:“我們要在完成國家任務的同時,及時把得到的豐富的一線材料進行去粗取精,去偽存真,由此及彼,由表及里的改造制作,把特殊抽象為一般,從實驗上升到理論,一步步形成自己的學科。”在林炳承看來,微流控芯片正在發展成為一門學科。而他自己也努力帶領他的團隊直接參與微流控芯片學科的建設。顯然,只有形成了學科,發展才可能持續。所有的學科都有自身的基礎,而基礎連同它所支撐的學科,都需要全方位的積累。積累是一個過程,過程有可能加快,但永遠無法略去。
從2006年到2013年,林炳承團隊先后撰寫,并由科學出版社出版了《微流控芯片實驗室》《圖解微流控芯片實驗室》和《微納流控芯片實驗室》三部專著。成書過程中,團隊從思想、內容到邏輯、文字,對全書的方方面面作了反復的討論、充實、推敲和斟酌,力求引證梳理兼有,綜合分析并重,跡淺意深,言近旨遠。特別是,以作者實驗室的工作貫穿始終,字里行間滲透著來自第一線勞作的艱辛。這三部著作,連同團隊關于微流控芯片的100多篇學術論文,70余份專利,一批英文專輯和著作等,作為微流控芯片領域極為寶貴的財富積累,對我國及國際微流控芯片事業的發展起到了非常重要的作用。
基于以上這些研究成果,林炳承的團隊先后獲得2002年遼寧省自然科學獎一等獎,2007年遼寧省科技進步獎一等獎,以及2010年國家科學技術進步獎二等獎。
林炳承很早就是英國皇家化學會的會士,很長一段時期,也曾是《芯片實驗室》雜志唯一的中國籍編委。在此期間,他曾應邀為該雜志主編了一期題為“Focus on China(聚焦中國)”的專輯,集中反映了來自大陸、香港和臺灣的中國學者在微流控芯片領域的研究進展,產生了重要的國際影響。近期,林炳承被推舉為亞太微分離分析系列學術會議(APCE)學術指導委員會主席。
注定要被深度產業化的科學技術
微流控芯片的重要性在于:它是當代極為重要的新興科學技術平臺和國家層面產業轉型的潛在戰略領域,是一種注定要被深度產業化的科學技術。
微流控芯片的第一輪產業化已在體外診斷領域啟動,特別是其中的即時診斷,即在病人身邊,或者置于家庭、社區、事故災害現場或資源匱乏地區的被檢對象身邊直接開展診斷的技術,也包括正在崛起的單細胞分析和第二代、第三代基因測序技術。下一輪產業化將要波及的會是用于超大規模和超高通量的藥物和其他材料篩選的液滴芯片技術,以及用于個體化治療、制藥產業和化妝品產業等的組織-器官芯片技術。未來,微流控芯片還有望與半導體電子芯片技術深度對接,精準操控在平面上移動的成千上萬計的用作反應器的數字液滴,用于大規模測序中的文庫制備。
林炳承深知,他們這一代科學家缺少直接投身產業的客觀條件和成功案例,因此,他選擇從鼓勵、支持和幫助年輕一代著手,以精準醫學和精準藥學為推手,推動國家在這個重要領域的產業化進程。
2015年12月,林炳承團隊和南方科技大學共同主辦了“深圳-大連微流控芯片及其產業化戰略研討會”。 這個定位為小型高端的會議充分利用深圳在全國創新產業發展中的領軍地位和大連作為我國微流控芯片研發核心基地的地域優勢,以需求導向、產業引領、學科交叉和深入討論為主要特色,就微流控芯片關鍵技術的研發,微流控芯片在轉化醫學等方面的應用,以及微流控芯片的產業化等問題展開深入討論。
2016年6月,林炳承應邀在1000余人參加的“中國POCT(即時診斷)年會”上作了題為“微流控芯片:POCT產業崛起的科學技術支撐”的大會報告,緊接著又在上海東方科技論壇上作了題為“微流控器官芯片的崛起及其產業化前景”的會議主旨報告,從不同側面提醒與會的科技人員和創業人士,在人類比以往任何時候都更重視自身健康的今天,一定要牢牢抓住微流控芯片這個牽動我國精準醫學和精準藥學快速發展的“牛鼻子”。
作為一個戰略層面的科學家,林炳承認為,微流控芯片技術有可能會像50年前微電子技術為信息科學的發展引發一場革命一樣,在引領未來相關科學技術及產業的發展中起到極其重要的作用。它很可能成為下一輪產業轉型的突破點之一,在相當程度上影響人類經濟和社會的發展。
林炳承敏銳地感覺到,隨著微流控芯片的產業化進程顯著加快,其設計和工程層面的問題被提上日程。借鑒上世紀七八十年代電子芯片發展的經驗,芯片產業化的競爭將首先會反映在芯片的設計上,而微流控芯片設計的優劣在很大程度上取決于研究設計人員在微流體力學上的功底。盡快地從力學角度較為系統的向第一線的研究設計人員介紹微流控芯片中流體運動的特點,尋求力學家和化學家、生物學家和工程學家之間溝通的橋梁,一直被林炳承列為微流控芯片戰略推進的重要議題。多年來,林炳承不斷在不同場合向不同專業的人士強調這一問題。2016年7月,在國家自然科學基金委和中國科技大學主辦的微流體力學高級講習班上,林炳承向與會的來自全國各地的380位青年力學教師和研究生介紹微流控芯片產業化過程中的力學需求,鼓勵他們為國家的產業轉型做出貢獻。
林炳承培養的學生中,已經有人組建了自己的公司,開始了艱苦的創業歷程,比如從事核酸體外診斷的北京百康芯生物和從事食品安全檢測的杭州霆科生物科技。林炳承充分體諒他們在創業初期的困難,給他們提出很多建議,為他們提供團隊的積累,幫助他們和融資單位溝通,甚至參加他們的產品發布會,盡心盡意地為學生的產業獻計獻策,喜聞樂見他們在產業化道路上的每一個進步。
薪火相傳的科學精神
林炳承是全國優秀博士論文指導教師,也是很多所海外大學或研究機構的客座教授,現已培養了70余名學生,以博士研究生為主,也有一些碩士研究生和博士后,至今仍有一些學生在讀。林炳承認為,微流控芯片是一種典型的多學科交叉的科學技術,而這種交叉又能極大地促進學科的發展,因此他有意識地挑選來自化學、醫學、藥學、生物學、物理學和工程學等不同專業的學生,使他們在學生時代就得以學會和不同領域的同學、同事相互理解、相互滲透。特別是,考慮到未來社會的需求,學生中有醫學背景的占到了20%。現在,這批學生中已有二三十位教授、副教授和公司的老總,他們正領導著各自的微流控芯片研究團隊或微流控芯片公司,活躍在全國各地。他們是中國第一代微流控芯片研究和開發隊伍的中堅力量,他們的工作和國內其他團隊的工作一起,構筑了中國微流控芯片研究和開發的核心基礎。
在林炳承看來,他們是火種。他精心地呵護這些火種,期盼著有朝一日他們的燎原。他常對學生們說,“我們這一代,在非常艱難的環境下,把隊伍帶到了國際前沿。你們這一代有了這么好的條件,更應當有責任走到國際最前面,參與對整個領域的引領。”他認為,微流控芯片的研究和產業化,是一定會被不斷推進的,它對社會發展的影響,才剛剛顯現。因此,他期待著有一支宏大的隊伍參與這樣一種推進,期待著有一批人,而不是一兩個,參與引領。如果這一批引領者視野開闊,胸懷博大,微流控芯片在整體范圍內對社會發展的影響,將指日可待。
“現在,我直接聯系的有三個團隊,一個在大連化物所做單細胞分析,一個在大連理工大學做器官芯片,還有一個在大連醫科大學從事腫瘤芯片和外泌體研究。直接領導這三個團隊的是我原來的三位學生,他們從耶魯等海外名校回來,年富力強,朝氣蓬勃,我只起到一個學術上建議和工作上協調的作用,努力讓這三個團隊在內部形成一個合作機制,瞄準精準醫學和精準藥學這樣的目標,承擔并完成有一定全局意義的重大課題。”林炳承介紹說,“除此之外,我們已經建立了一個大連化物所微流控芯片校友的年會制度,我希望這三個合作的團隊能聯合全國各地由我前學生領導的微流控芯片研究或開發團隊,聯合我們在醫學、藥學、材料學等領域的朋友,共同推進我國微流控芯片及其應用的研究和產業化進程。最近的一個例子是,11月下旬的校友年邀請了全國化學、醫學和材料學界的著名中青年專家在徐州舉辦‘2016精準醫學、精準藥學中的微流控芯片高端論壇’。”
每天早晨七點多,在中國科學院大連化學物理研究所內西側山坡的林蔭小道上,總能看見一位儒雅的長者,提著一個公文包,拾級而上。十多分鐘后,林炳承教授打開辦公室的門,開始了又一天的工作。
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