李栋,1983年生,云南个旧人。中国科学院生物物理所研究员、生物大分子国家重点实验室研究组长,中国生物物理学会亚细胞结构与功能分会委员,主要从事超分辨显微成像技术研制及其生物学应用研究,系统掌握了超分辨显微镜的关键技术,提出了新的成像方法,关键指标达到国际领先水平;研究成果“掠入射结构光超分辨成像技术发展与应用”入选2018年度中国科学十大进展;曾获中国科学院青年科学家奖等多项荣誉。

又是一个深夜,中国科学院生物物理所一间简朴的办公室里,李栋时而快速敲击着键盘,时而盯着三个标准显示屏大小的电脑屏幕凝神思考。身后的白板上,画着光谱图、光路和融合基因结构。

李栋出生于云南个旧的一个彝族家庭,当护士的母亲希望他学医。2002年,填报高考志愿时,李栋对浙江大学光学工程专业很感兴趣,便填报并成功被录取。开学第一课,当看到老师用自主研制的高速摄像机拍摄的视频时,李栋被深深地震撼了。

“我来对地方了,一定要像前辈们一样干出一番事业来!”李栋暗下决心。大学4年,他除了去自习室学习,就泡在实验室。他不满足于掌握一个个知识点,而是下功夫梳理了学科的知识体系。后来,李栋攻读博士时,开始接触“生物光子学”这一交叉学科,“生命科学是各个学科的交汇点,是一个蕴含着无限可能的研究领域。”

相较电子显微镜,光学显微镜能对任意蛋白分子在活体条件下进行连续追踪,对于生物学研究意义重大。但长久以来,光学显微成像技术受制于阿贝极限,分辨率无法超过200纳米,不足以看清动辄几纳米、几十纳米的生物大分子。

为了突破阿贝极限,2011年,在做博士后期间,李栋选择了当时较为冷门的一条研究路径——结构光照明。

两个正弦函数相乘,波函数的频率会增加。李栋从这个数学公式中找到灵感:给出两个不同颜色的光源,让它们的波峰与波峰互相叠加,从而突破原有的极限,就能大大地提高分辨率。

这一思路对光学系统的色差矫正极为苛刻。譬如,如何实现两种激发光波函数的“波峰对波峰,波谷对波谷”?波函数的周期将近150纳米,而光学显微镜的成像视野大概为50000纳米,这就意味着,要在半根头发丝粗细的成像视野中,调整两个分别出现3000多个周期的波函数。倘若两个波函数没有对齐,又该如何检验?

将近两年时间里,李栋阅读了大量文献,模拟计算分析,最终与合作者开发出新的软件算法,仅需利用标准的光学元件,优化不同波长结构照明的周期,即可补偿不同波长之间的色差,并开发出相应的高雄率校准流程,使得“结构光激活、结构光激发”的思路可以在工程上实施。

转眼到了2012年年末,窗外下着大雪,实验室内依然忙碌。取了样本细胞,李栋开始测试新技术方案的效果。

显微镜下,从衍射极限分辨率100纳米再到60纳米,细胞内微丝骨架的脉络逐渐清晰。盯着屏幕,喜悦从心底蔓延开来,李栋只觉得看不够,索性把对比图作为屏保,一遍遍地给同事们介绍。

李栋首创的高数值孔径非线性结构光照明显微镜技术一举打破了100纳米局限,把活细胞高速成像的光学分辨率提高到60纳米,让科学家们有机会在活细胞中清晰地看到生命活动的精细动态。这一成果登上了2015年《科学》杂志封面。

2015年,李栋来到中科院生物物理所,从事超分辨显微成像技术研制及其生物学应用研究。

物理、光学工程、自动化控制、精密机械设计……李栋所在团队现有20多人,涵盖8个学科方向。他们的工作包括物理原理应用、工程搭建、自动化控制、生物样本制备观测等多项内容。

“除了做好本职工作,李老师还要求我们掌握上下游知识。”中科院生物物理所副研究员王新禹说,在每周的跨小组交流会上,大家互相切磋,取长补短。工作间隙,李栋常在不同办公室之间走动,询问研究进展,及时答疑解惑。

学科交叉的优势逐渐凸显:借助掠入射结构光超分辨成像技术,发现了多种细胞器互作新行为,这一成果入选科技部遴选的2018年度中国科学十大进展;开发深度学习超分辨显微成像算法,在不同成像条件下均可实现最优的超分辨图像重建效果;研制三维高时空分辨生物力学显微镜系统,将生物力三维测量的空间和时间精度提升了5倍……

“搞科研不能单打独斗,需要科学家们携手攻关。”李栋说。多年来,李栋与国内外近30个实验室开展密切合作,做出多项重大原创成果。

2019年的一天,李栋和同事晚饭后散步时,研究员高璞提到实验中的一个有趣现象。李栋很感兴趣,他们边聊边走进实验室,然后深入研究这一问题。此后,他们又邀请同所的另一位同事邓红雨,一起全力攻关。2021年5月,研究成果在《分子细胞》发布。这项研究首次发现病原微生物可以调控宿主细胞内相分离的现象,拓展了人们对大分子相分离调控复杂性的认识。

“学习能力超强”,这是北京大学未来技术学院分子医学研究所教授罗金才对李栋的评价。第一次见面,李栋就问了他许多生物学方面的问题。共同的兴趣使得他们当即决定,运用李栋发明的活细胞超高分辨率成像系统去研究内皮细胞分泌过程中微丝骨架环的形成方式及其调控机制。2017年,相关成果在《自然通讯》发表,罗金才称赞李栋“完全进入了生物学领域”,而李栋则称自己为“二手生物学家”。

留学期间,李栋发现国外的生物学家可以用最先进的光学显微镜乃至原理样机进行观测,而中国科学家常要等高端光学显微镜的原理样机产品化后才能使用,这往往需要很多年。光学工程专业相对冷门,很多人中途转行了,但李栋选择了坚守,他想让中国科学家尽早用上先进的光学显微镜。

走进李栋的实验室,只见一个个工作台上,密密麻麻摆放着各式各样的显微镜。大量光学元件组成了复杂的链路,每一个元件的位置、角度,都经过了精心调试。

“这是我们研制的多模态结构光超分辨智能显微镜……”指着工作台上一台样机,李栋如数家珍。这套系统集成了6种照明方式,可根据不同的生物问题,灵活选择最合适的成像模态,达到最佳超分辨成像效果。通俗地说,可以用每秒684幅的速度(相当于27倍电影放映速度),用95纳米分辨率(相当于头发丝直径的两千分之一),呈现全细胞范围内的生命过程。

为了提高系统稳定性,在样机完成后,他们还不断修改机械结构和光学结构,光图纸就有100多个版本。两年内,显微镜的体积缩小了3/4,设备稳定工作时间从一周延长到一年无需校准,他们成功地将一个试验室使用的科研设备变成了通用的产品。从设想的提出到落地,整整花了11年时间。

最近忙不忙?忙!今天去不去实验室?去!这是李栋和爱人在周末时常有的对话。李栋以攀登珠峰作比方:“时间不等人,我们只是刚刚出发,可能还没有到达攀登科学高峰的大本营,也许连大本营在哪里都不知道。”

看似矛盾的性格却是一个科技工作者优秀品质的生动体现:对事业无比热爱、心无旁骛、全身心投入。实际上,科研事业的成功不仅依赖于智力因素,更重要的是专注和勤奋。

“要把科研时时放在心上,这样在生活中才会有不经意的惊喜。”这是李栋经常叮嘱学生的一句话。做科研唯有心怀热爱,不计名利得失,不惧艰难险阻,才能抵达一个个高峰,取得不平凡的成就。

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【科学家掠影】李栋:看清细胞更深处

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