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李棟在實(shí)驗室里調試設備。

本報記者 施 芳攝

人物名片

李棟，1983年生，云南個(gè)舊人。中國科學(xué)院生物物理所研究員、生物大分子國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究組長(cháng)，主要從事超分辨顯微成像技術(shù)研制及其生物學(xué)應用研究，系統掌握了超分辨顯微鏡的關(guān)鍵技術(shù)，提出了新的成像方法，關(guān)鍵指標達到國際領(lǐng)先水平；研究成果“掠入射結構光超分辨成像技術(shù)發(fā)展與應用”入選2018年度中國科學(xué)十大進(jìn)展；曾獲中國科學(xué)院青年科學(xué)家獎等多項榮譽(yù)。

又是一個(gè)深夜，中國科學(xué)院生物物理所一間簡(jiǎn)樸的辦公室里，李棟時(shí)而快速敲擊著(zhù)鍵盤(pán)，時(shí)而盯著(zhù)三個(gè)標準顯示屏大小的電腦屏幕凝神思考。身后的白板上，畫(huà)著(zhù)光譜圖、光路和融合基因結構。

“生命科學(xué)是各個(gè)學(xué)科的交匯點(diǎn)，是一個(gè)蘊含著(zhù)無(wú)限可能的研究領(lǐng)域”

李棟出生于云南個(gè)舊的一個(gè)彝族家庭，當護士的母親希望他學(xué)醫。2002年，填報高考志愿時(shí)，李棟對浙江大學(xué)光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)很感興趣，便填報并成功被錄取。開(kāi)學(xué)第一課，當看到老師用自主研制的高速攝像機拍攝的視頻時(shí)，李棟被深深地震撼了。

“我來(lái)對地方了，一定要像前輩們一樣干出一番事業(yè)來(lái)！”李棟暗下決心。大學(xué)4年，他除了去自習室學(xué)習，就泡在實(shí)驗室。他不滿(mǎn)足于掌握一個(gè)個(gè)知識點(diǎn)，而是下功夫梳理了學(xué)科的知識體系。后來(lái)，李棟攻讀博士時(shí)，開(kāi)始接觸“生物光子學(xué)”這一交叉學(xué)科，“生命科學(xué)是各個(gè)學(xué)科的交匯點(diǎn)，是一個(gè)蘊含著(zhù)無(wú)限可能的研究領(lǐng)域?！?/p>

相較電子顯微鏡，光學(xué)顯微鏡能對任意蛋白分子在活體條件下進(jìn)行連續追蹤，對于生物學(xué)研究意義重大。但長(cháng)久以來(lái)，光學(xué)顯微成像技術(shù)受制于阿貝極限，分辨率無(wú)法超過(guò)200納米，不足以看清動(dòng)輒幾納米、幾十納米的生物大分子。

為了突破阿貝極限，2011年，在做博士后期間，李棟選擇了當時(shí)較為冷門(mén)的一條研究路徑——結構光照明。

兩個(gè)正弦函數相乘，波函數的頻率會(huì )增加。李棟從這個(gè)數學(xué)公式中找到靈感：給出兩個(gè)不同顏色的光源，讓它們的波峰與波峰互相疊加，從而突破原有的極限，就能大大地提高分辨率。

這一思路對光學(xué)系統的色差矯正極為苛刻。譬如，如何實(shí)現兩種激發(fā)光波函數的“波峰對波峰，波谷對波谷”？波函數的周期將近150納米，而光學(xué)顯微鏡的成像視野大概為50000納米，這就意味著(zhù)，要在半根頭發(fā)絲粗細的成像視野中，調整兩個(gè)分別出現3000多個(gè)周期的波函數。倘若兩個(gè)波函數沒(méi)有對齊，又該如何檢驗？

將近兩年時(shí)間里，李棟閱讀了大量文獻，模擬計算分析，最終與合作者開(kāi)發(fā)出新的軟件算法，僅需利用標準的光學(xué)元件，優(yōu)化不同波長(cháng)結構照明的周期，即可補償不同波長(cháng)之間的色差，并開(kāi)發(fā)出相應的高雄率校準流程，使得“結構光激活、結構光激發(fā)”的思路可以在工程上實(shí)施。

轉眼到了2012年年末，窗外下著(zhù)大雪，實(shí)驗室內依然忙碌。取了樣本細胞，李棟開(kāi)始測試新技術(shù)方案的效果。

顯微鏡下，從衍射極限分辨率100納米再到60納米，細胞內微絲骨架的脈絡(luò )逐漸清晰。盯著(zhù)屏幕，喜悅從心底蔓延開(kāi)來(lái)，李棟只覺(jué)得看不夠，索性把對比圖作為屏保，一遍遍地給同事們介紹。

李棟首創(chuàng )的高數值孔徑非線(xiàn)性結構光照明顯微鏡技術(shù)一舉打破了100納米局限，把活細胞高速成像的光學(xué)分辨率提高到60納米，讓科學(xué)家們有機會(huì )在活細胞中清晰地看到生命活動(dòng)的精細動(dòng)態(tài)。這一成果登上了2015年《科學(xué)》雜志封面。

“搞科研不能單打獨斗，需要科學(xué)家們攜手攻關(guān)”

2015年，李棟來(lái)到中科院生物物理所，從事超分辨顯微成像技術(shù)研制及其生物學(xué)應用研究。

物理、光學(xué)工程、自動(dòng)化控制、精密機械設計……李棟所在團隊現有20多人，涵蓋8個(gè)學(xué)科方向。他們的工作包括物理原理應用、工程搭建、自動(dòng)化控制、生物樣本制備觀(guān)測等多項內容。

“除了做好本職工作，李老師還要求我們掌握上下游知識?！敝锌圃荷镂锢硭毖芯繂T王新禹說(shuō)，在每周的跨小組交流會(huì )上，大家互相切磋，取長(cháng)補短。工作間隙，李棟常在不同辦公室之間走動(dòng)，詢(xún)問(wèn)研究進(jìn)展，及時(shí)答疑解惑。

學(xué)科交叉的優(yōu)勢逐漸凸顯：借助掠入射結構光超分辨成像技術(shù)，發(fā)現了多種細胞器互作新行為，這一成果入選科技部遴選的2018年度中國科學(xué)十大進(jìn)展；開(kāi)發(fā)深度學(xué)習超分辨顯微成像算法，在不同成像條件下均可實(shí)現最優(yōu)的超分辨圖像重建效果；研制三維高時(shí)空分辨生物力學(xué)顯微鏡系統，將生物力三維測量的空間和時(shí)間精度提升了5倍……

“搞科研不能單打獨斗，需要科學(xué)家們攜手攻關(guān)?！崩顥澱f(shuō)。多年來(lái)，李棟與國內外近30個(gè)實(shí)驗室開(kāi)展密切合作，做出多項重大原創(chuàng )成果。

2019年的一天，李棟和同事晚飯后散步時(shí)，研究員高璞提到實(shí)驗中的一個(gè)有趣現象。李棟很感興趣，他們邊聊邊走進(jìn)實(shí)驗室，然后深入研究這一問(wèn)題。此后，他們又邀請同所的另一位同事鄧紅雨，一起全力攻關(guān)。2021年5月，研究成果在《分子細胞》發(fā)布。這項研究首次發(fā)現病原微生物可以調控宿主細胞內相分離的現象，拓展了人們對大分子相分離調控復雜性的認識。

“學(xué)習能力超強”，這是北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院分子醫學(xué)研究所教授羅金才對李棟的評價(jià)。第一次見(jiàn)面，李棟就問(wèn)了他許多生物學(xué)方面的問(wèn)題。共同的興趣使得他們當即決定，運用李棟發(fā)明的活細胞超高分辨率成像系統去研究?jì)绕ぜ毎置谶^(guò)程中微絲骨架環(huán)的形成方式及其調控機制。2017年，相關(guān)成果在《自然通訊》發(fā)表，羅金才稱(chēng)贊李棟“完全進(jìn)入了生物學(xué)領(lǐng)域”，而李棟則稱(chēng)自己為“二手生物學(xué)家”。

“時(shí)間不等人，我們只是剛剛出發(fā)”

留學(xué)期間，李棟發(fā)現國外的生物學(xué)家可以用最先進(jìn)的光學(xué)顯微鏡乃至原理樣機進(jìn)行觀(guān)測，而中國科學(xué)家常要等高端光學(xué)顯微鏡的原理樣機產(chǎn)品化后才能使用，這往往需要很多年。光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)相對冷門(mén)，很多人中途轉行了，但李棟選擇了堅守，他想讓中國科學(xué)家盡早用上先進(jìn)的光學(xué)顯微鏡。

走進(jìn)李棟的實(shí)驗室，只見(jiàn)一個(gè)個(gè)工作臺上，密密麻麻擺放著(zhù)各式各樣的顯微鏡。大量光學(xué)元件組成了復雜的鏈路，每一個(gè)元件的位置、角度，都經(jīng)過(guò)了精心調試。

“這是我們研制的多模態(tài)結構光超分辨智能顯微鏡……”指著(zhù)工作臺上一臺樣機，李棟如數家珍。這套系統集成了6種照明方式，可根據不同的生物問(wèn)題，靈活選擇最合適的成像模態(tài)，達到最佳超分辨成像效果。通俗地說(shuō)，可以用每秒684幅的速度（相當于27倍電影放映速度），用95納米分辨率（相當于頭發(fā)絲直徑的兩千分之一），呈現全細胞范圍內的生命過(guò)程。

為了提高系統穩定性，在樣機完成后，他們還不斷修改機械結構和光學(xué)結構，光圖紙就有100多個(gè)版本。兩年內，顯微鏡的體積縮小了3/4，設備穩定工作時(shí)間從一周延長(cháng)到一年無(wú)需校準，他們成功地將一個(gè)試驗室使用的科研設備變成了通用的產(chǎn)品。從設想的提出到落地，整整花了11年時(shí)間。

最近忙不忙？忙！今天去不去實(shí)驗室？去！這是李棟和愛(ài)人在周末時(shí)常有的對話(huà)。李棟以攀登珠峰作比方：“時(shí)間不等人，我們只是剛剛出發(fā)，可能還沒(méi)有到達攀登科學(xué)高峰的大本營(yíng)，也許連大本營(yíng)在哪里都不知道?！?/p>

■記者手記

心懷熱愛(ài) 勇攀高峰

生活中的李棟沉默寡言，可一談起工作卻有說(shuō)不完的話(huà)。

看似矛盾的性格卻是一個(gè)科技工作者優(yōu)秀品質(zhì)的生動(dòng)體現：對事業(yè)無(wú)比熱愛(ài)、心無(wú)旁騖、全身心投入。實(shí)際上，科研事業(yè)的成功不僅依賴(lài)于智力因素，更重要的是專(zhuān)注和勤奮。

“要把科研時(shí)時(shí)放在心上，這樣在生活中才會(huì )有不經(jīng)意的驚喜?！边@是李棟經(jīng)常叮囑學(xué)生的一句話(huà)。做科研唯有心懷熱愛(ài)，不計名利得失，不懼艱難險阻，才能抵達一個(gè)個(gè)高峰，取得不平凡的成就。

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關(guān)鍵詞： 成像技術(shù) 光學(xué)顯微鏡 生物物理所