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如皋籍女科學家莊小威
獲得2019年生命科學突破獎
10月17日，有著“豪華版諾貝爾獎”之稱的“科學突破獎”（Breakthrough Prizes）名單在美國揭曉，其中生命科學領域有5名獲獎者（平分300萬美元獎金），他們分別是：莊小威（哈佛大學教授）、陳志堅（德克薩斯西南醫學中心教授）、C. Frank Bennett（ Ionis Pharmaceuticals）、Adrian R. Krainer （冷泉港實驗室）和 Angelika Amon （麻省理工學院）。
△莊小威。Credit: Cheryl Senter/HHMI
△“科學突破獎”頒獎典禮舉行的地方—— Hangar One building in Mountain View, California。引自：https://www.newscientist.com/
關於生命科學獎
科學突破獎成立於2013年，由俄羅斯億萬富翁YuriMilner夫婦設立，現由谷歌聯合創始人Sergey Brin、Facebook聯合創始人馬克·扎克伯格夫婦、騰訊公司聯合創始人馬化騰、23andMe聯合創始人Anne Wojcicki等知名實業家贊助。這一獎項被稱為科學界“奧斯卡獎”，每個突破獎獎金高達300萬美元，旨在表彰在生命科學、基礎物理及數學領域最傑出的成就。
獲獎理由
本次“生命科學突破獎”授予莊小威教授主要是因為她在超高分辨顯微成像方面的貢獻，通過開發超分辨率成像技術來發現細胞內隱藏的結構——這種方法超越了光學顯微鏡的基本空間分辨率極限。
關於莊小威
莊小威，1972年出生於江蘇省如皋市 。
1987年（15歲）考入中國科學技術大學少年班；
1996年獲得加州大學伯克利分校物理學博士學位（導師是以非線性光學領域的研究而知名的美籍華人物理學家沈元壤），之後師從朱棣文教授（1997年獲諾貝爾物理獎獲得者）在斯坦福大學做生物物理學博士後研究；
2003年獲美國麥克阿瑟基金會“天才獎”，是首位獲此榮譽的華人女科學家；
2005年入選HHMI研究員；
2006年（34歲）晉升為哈佛大學正教授；
2012年當選美國國家科學院院士；
2013年當選美國人文與科學院院士。
她在超高分辨顯微成像、單分子動力學、核酸與蛋白的相互作用、基因表達機制、細胞核病毒的相互作用等領域做出了傑出的貢獻。
什麼？沒看夠？
想知道最強鄰家女孩莊小威的養成秘笈？
這就來深入瞭解一下——
莊家有女初長成
書桌邊，父親正在教一個小男孩物理：“一杯水放在桌子上，這個水杯受了多少力？” 這是一個普通的初中物理問題。
“有水和水杯的重力，桌子還有個支持力。”男孩說。
“你還能不能想出來其他的力？”父親問。
“沒錯啊，就這兩個力，一平衡它就不動了。”男孩答。
一旁的妹妹在玩，沒仔細地聽，卻插了一句嘴：“空氣對水杯還有個作用力。”
父親大喜，道：“這孩子尚未上學，竟有幾分學物理的天分。”
這個小女孩就是莊小威，而且何止是幾分天分！日後她不僅踏進了物理學的殿堂，成長為美國科學院最年輕的院士，中國科學院的外籍院士，而且與諾貝爾化學獎擦肩而過。
莊小威出生在一個科學家庭，父親莊禮賢和母親朱仁芝兩位先生都是中國科技大學的教授。父親是空氣動力學家，曾經寫過一本經典的《流體力學》。小時候莊小威住在江蘇如皋的爺爺奶奶家，5歲才回到父母身邊，認字什麼的都是父母在工作之餘教的。
“我父母是大學教授，他們做的挺有意思的，還經常自得其樂。我爸經常對他做的東西有一種洋洋得意的滿足感，我覺得我也可以有這種滿足感。”莊小威說。
初中的時候莊小威開始上科大少年班的預備班。15歲那年，從合肥到北京再到蘇州，她一路過關斬將，高考600多分進了少年班。剛進科大的時候，莊小威一頭短髮，卻有兩個超人的本領。一是怎麼看書眼睛視力都是1.5，二是可以一邊聽評書一邊寫原子物理作業。她花了很多工夫，力圖把每一個物理定律摸得清清楚楚，絕不放過一點點細節，甚至發展到近乎病態的程度。於是，並不在意分數的她，“一不小心”將四大力學課程都考了滿分。這個傳奇紀錄在科大至今仍然無人打破。
19歲大學畢業赴美留學，父親建議她去舊金山，因為不用轉機。莊小威選擇了加州大學伯克利分校。她聽取楊振寧先生的建議，選擇了實驗物理方向，跟著沈元壤先生讀博士，很快喜歡上光學。24歲時，莊小威順風順水，拿下了伯克利的物理博士學位。
上帝說，要有光。於是就有了莊小威的生物之路……
關物理學家的生物之路
1997年博士畢業後，莊小威轉到斯坦福大學朱棣文教授門下做博後，而且改變方向，轉向生物領域。這一年，朱棣文不僅收了一名得意弟子，還榮獲了一枚諾貝爾獎章。
莊小威在回顧這一經歷時說，當時自己“想做點新的東西”，而朱棣文一直鼓勵物理學家進入生命領域，問她要不要做生物。她說，“Why not？”
轉折就是這麼偶然。於是世界少了一名原子物理學家，多了一名傑出的生物物理學家。
大學沒學過生物課的莊小威，起初甚至不知道DNA和RNA的區別是什麼。同事曾善意地開玩笑說DNA和RNA只有一字之差。然而，初生牛犢不怕虎，她無知無畏地闖入生物領域。
此後便是近3年蟄伏的沉寂，僅僅是艱苦的摸索和試探，沒有什麼結果。朱棣文經常否定她提出的一些自認為重要的命題，也會給她一些非常有見地的建議。“沈先生教給我質疑的能力，培養了我嚴謹的科學態度；在朱先生的實驗室，我學會了提出有科學價值的問題，選擇有意義的題目。”莊小威說。
正是這樣的經歷，帶給了莊小威交叉的思維。她用自己擅長的光學去“看”浩瀚的生物世界，逐漸成長為一個獨立的研究者，發現並解決重要的問題。
結束自己的博後訓練之後，莊小威收到哈佛、加州理工、麻省理工、耶魯、普林斯頓等7所大學的教職。她選擇了哈佛。
擦肩而過的諾貝爾
在哈佛的每一天，莊小威都是從早上十點工作到晚上十二點，全年無休，從來沒有周末。她說：“除了吃飯和睡覺，剩下的時間都在工作。”
她試圖探明生物體系中單個分子或單個粒子的運動表現。這個課題重要、艱難，而又充滿風險，以至於前兩年並不順利，申請基金都很困難。
憑藉多年的物理素養和敏銳的直覺，大的突破在2006年終於到來。熒光顯微鏡在生物學中廣泛應用，可是如何突破分辨率的極限一直是生物學家苦苦追求的命題。與此同時，單分子檢測技術的蓬勃發展使人們能夠對單個熒光分子在納米尺度精確定位，可是由於不同熒光發射體的重疊，這樣的單分子定位並不能直接轉換成成像精度。莊小威實驗室在2006年發展的新技術，如上圖所示。她們用綠光紅光激發然後關閉一小部分熒光分子，實現對其的準確定位；然後重複這一步驟，對另一小部分熒光分子定位，從而取得一系列互不重疊的成像，最後予以重構，得到遠低於衍射極限、精度在20nm的成像！ 這篇文章2006年7月7日投稿Nature Methods，7月31號就接收了。
這項突破光學衍射極限的STORM熒光成像技術，使得光學顯微鏡分辨能力提高20倍，接近納米尺度，能夠表現組織或細胞更加細微的結構，極大地推動了亞細胞微觀結構的研究，可以跟蹤單個病毒的行為，也可以跟蹤諸如蛋白質和核糖核酸片斷這樣的單個分子行為。莊小威也成為世界上第一個記錄病毒感染細胞全過程的人。STORM熒光成像技術在轉讓給尼康公司後，基於該技術生產的熒光顯微鏡已經上市。
而莊小威，卻出人意料地沒有獲得2014年表彰超高分辨率熒光顯微技術的諾貝爾化學獎，引起了極大的爭議。關於STORM技術，莊小威自己怎麼說呢？我們下面看看她接受美國化學學會的訪談。
熒光下的舞蹈
傳統光學顯微鏡由於光學作用的限制只能達到幾百納米的水平，STORM成像技術則可以得到小於10納米的畫面。然而莊小威並沒有止步，她的終極理想是實現細胞中每個分子的成像。在超分辨率成像這條道路上，她面對著哪些問題與困難呢？採訪來啦！
通過STORM方法，能夠觀察到哪些以往顯微鏡無法看到的東西呢？
在我們報道了STORM以後，神經科學家們紛紛來尋求合作。即便是擁有最先進的成像方法，他們還是面對著很大障礙，無法解析大腦中的具體構造。比如，突觸結構仍然很難被識別，因為這些神經元連結和交匯的區域寬度有幾百納米，在傳統顯微鏡下非常模糊。通過STORM，我們能夠清晰地看到這些突觸結構，瞭解其中的分子。
幾年前，我們在神經元中發現了一種新構造，看到一個週期性膜框架結構，由肌動蛋白、血影蛋白和其他相關分子構成，覆蓋了整個軸突。在2012年我們發現它以前，人們從來不知道還有這樣的結構存在。目前，我們繼續在研究其分子成分、功能，以及發生病變時它們如何變化。
你希望怎樣來提升STORM的能力呢？
我們的目標之一就是進一步提高分辨率。設想你能夠得到一個細胞的圖像，可以看到其中每個分子以及它們的交互對象。這樣的構造信息將切實改變我們對細胞的理解。我覺得這需要分辨率達到1納米級別。
另外，時間分辨率也非常重要，就是說成像速度可以有多快。因為細胞是一個活體系統，我們希望抓取到動態特徵，能夠實時監控其變化是最好不過的。其實這不僅是時間分辨率的問題，同樣重要的是在熒光物質耗盡之前，你能夠取得多少活體系統的圖像。在那之後你就無法再收集細胞的信息了。這些都是我們希望提升的方面。
你是如何朝著觀察細胞中每個分子這一偉大目標努力的？
同步觀測一個細胞中全部RNA顯然比觀察所有蛋白質要容易得多。我們通過一種多元途徑來解決這個問題，每次從那些RNA中特別選取一部分進行成像，這樣幾輪下來，即使沒有獲得所有RNA的信息，我們也積累了數千種RNA圖像。
單細胞RNA測序確實給生物學的諸多領域帶來了改變，但仍具有侷限性。它需要你將細胞從組織上分離出來再進行RNA提取。也就是說你失去了原有的空間環境，無法判斷這個細胞位於組織中的什麼位置。尤其對大腦來說，細胞的位置與相互關聯更為重要。通過成像，我們在觀察基因表達的同時無需將細胞從樣本中移除，同樣也不必將RNA從細胞中分離。
對一個細胞中的每個分子都進行成像，這真能辦到嗎？
我並不是特別擔心這個問題，即使我們完成目標的50%，那也會是非常了不起的。
如果能夠以很高的分辨率同步獲取細胞內的所有信息，那麼這將革新我們關於細胞的認知。結構生物學已經幫助我們很好地瞭解了分子功能，因為我們知道了每個原子以及其在分子中的位置。相似地，當我們能夠掌握細胞中各個分子時，結果可想而知。
我所描繪的這一圖景可能看起來有些遙遠，從某些角度講有些事是不太可能的，但並非完全沒有可能。在衍射極限被突破之前，它也曾被視為無法攻破的物理法則，現在這個障礙也已經被技術性地克服了。
對於人生
莊小威有著自己的準則——
專心的態度，通過科研訓練獲得與眾不同的長遠眼光，敢於選擇難度大且有深遠意義的課題堅持下去！
對於年輕學者
莊小威想告訴他們這些——
“在科研領域，搭建關係網絡並不是最重要的，在博士和博士後階段更應該專注於課題研究，成功的研究成果一定會引起別人的關注，功到自然成。” 這是莊小威對年輕學者的寄語。
如皋廣播電視臺
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