今天的年轻人如何追求科学梦想呢?美国科学家科恩兴趣多样,曾自愿到非洲做老师,用一年拿下剑桥大学的物理博士,又获得斯坦福大学的生物学博士,年纪轻轻就做了哈佛教授,他应用物理技术研究生物,追寻生物的闪光。
哈佛大学的物理学家亚当•科恩的父亲是洛克菲勒大学的一名教授,在科恩成年礼的时候父母送给他一台示波器作为礼物。
高中科学俱乐部的导师培养了科恩对科学的兴趣,同时也跟科恩分享了很多关于他的故乡利比里亚的故事:利比里亚经历了14年的内战,直到2003年才结束。在这期间,大部分教师在战争中死亡或是逃离了故土,以至于整个国家的科学教育体系完全要从零建起。在这位老师的启发下,科恩后来去利比里亚参与了科学教育的重建工作。
在科恩第二次去利比里亚时,他们在利比里亚大学和那里的老师一起起草了科学课程的大纲,包括讲课内容,以及只需就地取材,不用引进昂贵的外国材料就可以进行的研究项目。
科恩近日接受美国《细胞》杂志专访时表示,他非常乐意再去利比里亚,但是因为目前的研究非常繁忙,暂时只能帮助组织其他科学团队去利比里亚工作。科恩的第一个博士学位是在英国剑桥大学获得的。
他参与的几个研究项目都与理论物理相关,包括光与物质的相互作用的理论研究。在解释自己为什么念了两个博士时,科恩对《细胞》杂志说:“自从我在哈佛读本科的时候我就非常想做带有实验的工作,因此我在剑桥的第二年就回美国重新开始我的博士学位。我本来并没有打算拿到剑桥的博士,但当时与我一起工作的人,建议我提交我的文章,于是我就这么做了。我就成了拿着剑桥的博士学位,在斯坦福开始念第一年的怪异博士生了。”
在斯坦福,科恩与W.E. Moerner合作研究在显微镜下追踪和操纵单分子的方法,毕业以后花了六个月做博士后,然后他到哈佛开始创立自己的实验室。在理清头绪之前,科恩和他的团队探索了很多不一样的课题和项目。但这些课题的共同点就是运用显微镜和激光来进行复杂的光学设置。一开始的几年里他们的研究都没有涉及到细胞,而且科恩对细胞生物学一无所知。
后来他们开始对细胞感兴趣,于是科恩不得不去本科生的生物课旁听来学基础知识。
但是科恩是如何从理论物理开始对细胞生物学感兴趣的呢?这发生在科恩在波士顿大学演讲的时候。他遇到了Kenneth Rothschild,且得知了视紫红质这种有趣的蛋白质:微生物能用它将光转化为能量或根据光来进行远离或靠近。
后来的两年里科恩在实验室里研究这种蛋白质,并试图找到一种光学办法能观察到这种蛋白质感光并做出反应的构象变化。但是为了看到单分子的变化信号,他们施加的光量远远大于这种蛋白在自然状态下会接收到的光量,因此基本上这种实验都会将分子致死。
在那个时候科恩的实验室已经投入了两年的时间到这个研究里,于是他想办法挽救他们的付出和努力。
既然神经学家对于神经元电子活动的可视化非常感兴趣,而他们已经发现这些蛋白可以吸收光,并且一些蛋白还能降将这种能量转换为跨膜的电位差。于是科恩问自己:“我们可不可以让这些都反过来运行?先制造电压然后产生可视的光学信号?”此后,科恩联系了Ken Rothschild实验室的研究生Joel Kralj, 他在细菌里培养突变的视紫红质,并拍到细菌里发出荧光的照片。
在科恩的建议下,他试着拍视频记录下来,拍到细菌在一闪一闪的,这让科恩的团队感到很惊喜。
后来的一年科恩的团队研究发现细菌能产生电脉冲,就像神经元的动作电位。但是当科恩试图把它运用到了哺乳动物时,蛋白质没有抵达它必须到达且发挥电压感应器作用的细胞质膜。花了一年尝试了45种不同的组合结构以及各种方法使它抵达细胞质膜都没有成功。
就在科恩的团队想要放弃的时候,Ed Boyden实验室发表了一篇文章,他们的研究测试了大量的不同种生物的同源视紫红质,发现了其中的几种能够很好地转化光为电位差。因此科恩采用了他们的研究中表现最好的蛋白质Arch,让它在哺乳类细胞里表达,这一次实验终于成功了。
在那之后科恩与Robert Campbell实验室一直合作去优化这种蛋白质,使其更亮更快,并确保它不会穿越质子流。科恩说他一直对自然界的生物电现象非常着迷。每个细胞都有细胞膜,而且还有很多其他的系统,比如酵母、植物、线粒体这些地方的膜电位差会影响细胞的行为,但因为很多原因,无法观察和测量电位差。但是现在我们改良之后的视紫红质可以帮助观测和解答这方面的很多有趣的问题。
科恩也与干细胞生物学家Kevin Eggan合作,用视紫红质来研究人神经细胞和心肌细胞的电生理学。这个技术有很多的医学应用,它可以用来监控新药,比如心脏毒性和神经毒性。除此之外,他们最近也找到一家公司一起探索更多的商业应用。