探究“软物质”魅力的“追梦人”

徐强

我们的生活中充斥着各种软物质，包括生命体系物质、聚合物、胶体、液晶、膜、泡沫、颗粒物质等。随处可见的橡胶、胶水、墨汁、洗涤剂、涂料、化妆品等都属于软物质，不一而足。软物质不仅具有巨大的市场，在现代生物医药和特种材料领域有着广泛的应用前景，更是魅力无穷的科学世界。软物质王国是熵主宰的，生命则更是一场与熵之间的周旋和战斗。由于软物质特殊的性质，人们在研究它的功能时往往需要从软物质的结构着手，因此在物理领域，凝聚态物理逐渐产生了一个集物理、数学、生物、化学、计算机和工程学为一体的交叉学科新方向—软凝聚态物质大分子显微成像和结构与功能研究，并得到了巨大的发展。该方向的主要研究内容就是利用先进的透射电子显微镜器材，发展和应用下一代软硬件技术，实现对软物质对象（尤其是结构活性高和分子量小的生物大分子，特别是具有极大生物医药学价值的蛋白质大分子）的纳米尺度的高分辨成像，并重构研究对象的高分辨三维结构，揭示其结构与功能，传递给下游工业的各种商业化开发。

奇花初胎，矞矞皇皇；干将发硎，有作其芒。本文的主角—西安交通大学理学院应用物理系张磊教授，是国内软凝聚态物质大分子显微成像和结构与功能研究领域的杰出代表，长期致力于该领域的研究，尤其是在单分子透射电子显微镜领域，取得了一系列原创性成果，逐渐成长为探究“软物质”魅力的“追梦人”。

立志求学，开启追梦之旅

勤学功深心似镜，苦练日久手出灵，勤勉好学的张磊博士于西安交通大学一气呵成拿下应用物理学学士、理论物理硕士、凝聚态物理博士学位后，一路高歌猛进，通过美国加州大学旧金山分校联合培养项目获得了蛋白结构与功能方向的深造，而后在美国劳伦斯伯克利国家实验室从事蛋白结构与功能的单分子透射电子显微镜博士后研究并最终进职为项目科学家。2015年张磊博士载誉回国，担任西安交通大学理学院应用物理系物理学教授，奉命组建西安交通大学的冷冻电镜平台，继续发展软物质大分子显微成像和结构与功能的研究方向。

学之染人、甚于丹青，由博返约、精修一门，在治学之路上不停求索的张磊博士科研成果硕果累累，已陆续在包括Nature Chemical Biology、Nature Communications等国际权威期刊发表论文30余篇，书籍章节1篇，获得美国医药类专利一项；科研工作成果在顶级综合性国际会议及其他专业国际会议、学术专访活动中给邀请报告、口头报告、海报等40余次，获得了外界充分的肯定。

搏击风云，强健梦想羽翼

张磊博士在美留学期间曾参与多项美国国立卫生研究院、美国国家能源部及大型医药企业项目，开创和应用多种透射电子显微镜技术，提出了系统研究蛋白质等生物大分子的空间动态结构的方法，填补了多项科学空白，解决了多个生物医药等领域的难题，产生了重大的社会影响和经济价值，凭借所得成果获得了包括美国国立卫生院（两个R01项目）和美国辉瑞制药公司在内的数百万美元的多项资金支持。

一是开创和应用多种透射电子显微镜技术，揭示了运载人体胆固醇的胆固醇酯转移蛋白（CETP）的结构与机理。通过开创性的针对脂蛋白的特殊负染色电子显微镜技术并结合高动态蛋白结构的电子显微图像筛选与三维重构技术、正交测量颗粒尺寸随时间变化的统计分析方法，蛋白结合位点的抗体测量法，以及两种独立的分子动力学模拟等手段，系统地完成了CETP的结构功能研究，揭示了CETP与脂蛋白结合的结构与机理，指出了CETP在传递胆固醇时的关键氨基酸位点，对于人类心血管疾病类药物的研发提供了战略性的指导和应用信息，是历史上首次利用电子显微镜对人类脂蛋白质的结构与功能进行的系统研究，推动了透射电子显微镜在生物医药研发领域的系统应用。

二是应用透射电子显微镜的电子断层成像技术，开创了一整套测定单个蛋白质等软物质大分子纳米三维结构的方法：IPET方法和FETR算法，获得了迄今为止最高分辨率的单个蛋白质大分子的空间结构，使得该方法成为研究蛋白质及其他软物质大分子结构变化、动态特性和功能的基本方法之一。此项研究首次系统地完成了对人体抗体及其药物复合物的动态结构的电子显微镜三维结构研究。

立足教学科研，明确梦想航向

胸怀万里世界、放眼无限未来，挥洒旷世奇才、重上瑶台、天地为之惊骇。圆满完成学业后，2015年9月张磊博士回国发展，受聘于西安交通大学理学院物理学科任教授职务，開启了他“春播桃李三千圃，秋来硕果满神州”的新征程。

凭借着精湛的专业背景和坚韧的拼搏精神，依托着西安交大理学院、生命学院以及学校各相关部门的关怀与支持，在不到一年时间里，张磊博士打造出了一支拥有1名在职高级工程师、1名博士后、1名博士研究生、1名硕士研究生，配备了价值数百万元的样品制备、储存和数据处理工作站等设备的能够独立开展以研究软物质（包括有机无机复合物）纳米分辨率的结构为基础、挖掘软物质材料的功能机理的精致团队，在拓展和深化透射电镜在软物质大分子结构确定领域的应用方面取得了系列成果，并将针对非对称性的分子量较小的软物质大分子的成像技术和图像处理方法，应用在脂蛋白等典型的软物质大分子的结构与功能研究方面以期取得更为突出的成绩。

三尺讲台三寸舌，三千桃李三寸笔，十年树木十载风，十万栋梁十载雨。过去的成绩没有使张磊博士安于现状，而是为自己定出了更高的目标。当一场以科学研究为先导，以课堂教学为核心，以学生发展为突破的新课题摆在年轻教师面前时，张磊博士又开始投入到了“新角色”的洪流中，以一名海归教师的国际视野、卓越理念，将自己在海外求学期间积累的严谨治学、砥砺勤勉的科研态度毫无保留地教授给学生，将精神的浩瀚，想象的活跃，心灵的勤奋融汇在科研治学的每一个细节，将海外自由灵动的授课方式与国内传统高校教育相互融合，紧跟信息时代步伐，勇于探索、求真务实，推动学科建设和科研创新协同发展，增强核心竞争能力，为西安交通大学理学院物理学科科研水平的提高发挥着青年教师的“尖兵”作用。