在交叉学科前沿领域探索有成的两星友<br/>——访2018级星友，上海交通大学宰建陶副教授、陶飞研究员

在交叉学科前沿领域探索有成的两星友
——访2018级星友，上海交通大学宰建陶副教授、陶飞研究员

2022-01-25江世亮

世界科学 2022年1期

关键词：老师

在今天这样一个鼓励创新的时代，很多人都会觉得走交叉学科之路势在必行。以成员众多、学科齐全、创新活力旺盛为特征的上海科技启明星群体能否提供一些交叉学科的成功案例？一提起这个话题，笔者马上就想到宰建陶和陶飞两位星友。他们同为2018级星友，分别就职于上海交通大学化学与化工学院和生命科学学院。在2018年市科委组织的当年入选星友的颁证交流会上，两位交大人相知相识。正是在那次交流会上，彼此聊到了各自的科研方向和希望得到的帮助。彼时陶飞正在为寻觅一种纳米材料而伤神，而这种材料在宰建陶所在实验室里却是平常之物。两人由此聊到各自的研究志趣，大有相见恨晚之感。会后两人走动频繁，交流热络，短短三年间已形成了三项合作成果，第四项也在筹划推进。

笔者在之前的启明星通讯上曾报道过宰建陶、陶飞两位星友开始交叉学科探索的信息。2020年在筹办第四次“双碳”主题的启明星论坛时，宰、陶两星友联袂发来“电驱动微生物固碳”的主题报告，这是他们合作推进的第二项交叉合作的内容。此话马上勾起笔者对两人做这次启明星联合采访的冲动。这次采访从中午一直谈到傍晚六点，足足6个小时，采访笔记整整17页。这在启明星采访史上是破纪录的。两位星友各有怎样的经历？是什么因素让他们能在交叉互补的路上走得比较顺？对基础研究，对如何走通交叉学科之路又有何独到的心得？

宰建陶篇

生活习惯能自律，从小到大当班长

宰建陶是河南安阳人，爸妈都是农民，爸爸当过兵。建陶妈妈是村里少有的重视孩子读书的家长，在儿子上学前就借来小学课本教他识字拼读。也因为有基础，建陶小学成绩一直是班里第一。建陶就读的初中是新建学校，到学校得走两三公里的土路，雨天基本上泥泞一片，没法骑车，中午无法回家吃饭，只能带方便面。宰建陶通常早上5点就要出门，冬天这个点天还很黑，路上不安全，学校为此安排了一个大通铺。高中他第一次月考得到了20多名的成绩，到后来学习成绩一直保持前几名。高中班主任李清顺老师灌输给学生的就是要学会一个“拼”字。在这种氛围下，大家都是这样要求自己的：多一分钟也要挤出来学习。回过头来看，建陶说他们都对这位班主任很感念，建陶也庆幸自己初高中都遇到了好老师。

高考那年碰上“非典”，数学考试还碰上了少有的启用备用卷，非常难，但因为建陶班主任平时很注意学生的心理素质教育，学生整体承受能力强，最终他们班是全年级考得最好的。最终，建陶的数学考了124分，语文94分，英语是个人有史以来最好的125分。这样建陶考取了自己心仪的大学——上海交大。

建陶平时生活十分自律，且从小到大都当班长。高中班主任对他的评价是：他最大的优点不是成绩好，而是能处理好与同学老师的关系，与所有搭档都相处很融洽。所以班主任认为建陶同学更适合从事行政管理。这个评价对建陶是有影响的，也导致了他大学一二年级在社会活动上花了不少时间，热心于当时的素质拓展活动，而学习的努力程度不及高中。

思政老师一番话，促其清醒归科研

本科阶段建陶他们五个班都没有班主任，班级学生一些学业、情绪方面的问题，班长都要和负责年级思政的林洁老师对接，也因此班长和林老师的关系都很好。入学一年半后的建陶对自己以后要干什么有点迷茫，他感觉在科研上没有百分百投入，做社团也不得心应手。也是带着这个困惑，他找林老师聊了一天。林老师的话让他冷静下来：你做行政管理时确实十分得心应手吗？如果不是那就还是去做科研吧。想明白后，建陶从大三起就把更多的精力放在科研上，并且申请进了钱雪峰教授的纳米材料课题组。那一年，他基本上就是实验室、教室和寝室三点一线。全身心投入不久就有产出，大三下学期，他已经有第三作者和第五作者的两篇文章刊登在领域内知名杂志上。大四的时候，建陶获得了在钱教授实验室直博的机会。

学科交叉“种基因”，宾大求学读原著

宰建陶读博那年正值纳米材料研究方向从原来的材料形态控制为主转向各种应用，这需要相应设备、测试条件的支持。读博时建陶的课题调整了4次，涉及纳米合成、光催化、电池、气敏几个方向，他最终选择了锡基氧族化合物，理论上它能用于光催化，还能做电池和气敏。彼时课题组经费有限，购买设备也都要再三斟酌。为了完成博士论文，建陶前后花了5年时间。与此同时他也在诸如量子点、石墨烯等方向进行了尝试。建陶说他是组内第一个涉及多领域研究的，“其实这种多学科背景对我还是很有帮助的”。建陶说出了一个关键点，“擅学科交叉者其实多少内含某种学科交叉种子基因”。或许也因为有这种多学科知识储备，博三起建陶就协助钱老师写一些基金的申请书，并得到钱老师认可。毕业后钱老师希望他留下来，但当时学校规定留校要有海外留学经历，于是钱老师就介绍他去美国宾州州立大学纳米能源实验室做博士后研究。

宰建陶的研究背景主要是光催化，宾州大的合作导师希望他能继续在光催化产氢方面开展工作。一到实验室他就与一位师兄聊起了各自的研究方向，兴起了将师兄已有的储能材料做光催化产氢的想法。由于需要购置实验所需的色谱等设备，在最初的两三个月他有较多的空余时间。时值2012年冬天，欧美人这段时间正准备过圣诞新年，建陶就利用这段时间认真读了英文版的《半导体物理学》，包括基础理论、经典案例等内容，比如讲到半导体物理基本概念时是从量化计算慢慢推导出来，与化学晶体结构互有印证。这段差不多两个月的研读经典的经历弥补了他博士期间很少有时间读原著的遗憾，也是他在宾州大一年多时间最有收获的地方。建陶说他现在也要求学生读一些基本教材，不能光读文献，文献只涉及一些点，真正要深入研究问题还是要看经典原著教材。两个月后设备到了，建陶每天十多个小时地运转，两个礼拜后就有了数据，几个月后他的文章发在《自然-通讯》（Nature Communication）上。

入职交大管课题，服务需求凝真题

在宾州大待了一年后，钱老师的工作有变化，希望他回交大负责照管课题组，他正式向学校提出申请。这样宰建陶2014年1月入职上海交大化学与化工学院，受聘为助理研究员。一晃7年，建陶说他入职以来主要做的几件事是申请课题找经费、做课题写论文以及为本科生上课（一年有100多个课时）。科研方面探索了不少方向，做过太阳能电池、储能，如用合成化学方法破解企业在储能应用中碰到的问题。谈起与企业的合作，建陶认为帮企业解决问题不仅能得到一定的科研经费，也能从中提炼一些基本的科学问题。以锂电池为例，国内外文献一般都强调其循环稳定性，但企业更关心首次效率（首次充电后充放电的比例），当时首次效率只能做到70%左右，一般要达到80%以上才有商用价值。为提高效率，建陶团队利用丰富的纳米材料几何形态和复合结构控制经验，设计了一些有利于抑制副反应的、特殊的硅碳复合结构来同时提高首效和循环稳定性。目前首次效率已近90%，这种复合结构材料也已经做到公斤级水平。“和企业合作的另外一个方向是电催化有机合成，核心是卤素的催化转化。这类氧化还原媒介通常会用于太阳能电池、液流电池，最近我们尝试用到电催化的有机合成中。我和陶老师的合作课题中就是用了这一技术来降低能耗。”

星友聚会始相识，志趣相投促合作

说起与陶飞的合作，建陶称真是机缘巧合。在2018年启明星颁证交流会中，他俩住一个房间，晚上就聊开了。陶飞说起他的实验急需一种能满足功能的半导体材料，建陶一听乐了：“这种材料我有啊！”建陶觉得自己不仅能提供陶飞所需要的这种半导体材料，而且还能参与陶飞的工作，同时陶飞正在做的课题与自己的互补。于是双方进一步聊了合作的细节。启明星交流会后不久，陶飞就申报并获得了一个半导体和蛋白相互作用的课题，两位志趣相投的星友也由此开始了他们的首次交叉合作课题。“一开始这个投入不大，都是各自擅长的领域。首先是简单的A+B测试，看其是否有效果，验证可行性。进一步做下去，就需要把A+B为什么能达到效果的原因机理说清楚，这需要进一步的经费支持。”建陶以他们的合作项目蛋白-纳米复合材料为例介绍，“这两种物质结合传感效果特别好，甚至能打破传统的检测极限。我们首次合作课题所用的传感器检测效果极为灵敏，但要搞清楚为什么能有如此高的探测灵敏性。这个机理一旦破解可以服务新冠病毒检测等需求上——只要对某个公共场所进行检测，就可以实时监测该空间是否存在新冠病毒；只要有新冠病毒就能第一时间检测到。这一技术是基于分子对分子的识别，特异性很好，只针对某种检测对象。”

宰建陶给学生上设计性试验讨论课

两课题组进行讨论

再度合作促双碳，交叉课题需滋养

知道本次采访的重点之一是了解交叉学科互补合作的事，建陶又说了他和陶飞的第二个合作课题：电驱动微生物固定碳。陶飞课题组培养的一种菌可以“吃”二价铁，“吐”出三价铁。“陶老师问我有没有可能使三价铁还原成二价铁，这样的话就可以为细菌供能，实现持续的繁殖和生长。”这种菌从空气中吸收二氧化碳来合成自身所需的代谢生物质。通常需要不断地投入化学能量（硫酸亚铁）来维持细菌的繁殖和生长。“现在我们使用电化学方法可将细菌吐出来的三价铁还原为二价铁，就可以通过电驱动，使这种菌不间断地繁殖生长，实现碳固定、碳捕集，并将其转化为高级的生物质。”电驱动细菌固碳的意义在于可以利用光伏和风电产生的绿电驱动微生物细胞直接去固定空气中的二氧化碳，与基因和代谢工程配合可以进一步生产一些有用的化合物。这个合作工作两人在2019—2020年就完成了，当时他们并没有申请经费，而是利用双方已有的课题资源和科研积累，历时两年不断磨合完成。论文投到《自然-可持续发展》杂志，但审稿人说无法判断先进性，难以找到相应的审稿人。后来这篇论文被美国化学会主办的《可持续化学与工程》杂志接受了。“反过来说，我俩的这个工作如果能有稳定的支持，稳定做下去相信会有更好的结果。”建陶说他这些年来从事交叉学科研究的一个深切感悟是：一个新的交叉方向要从小到大成长起来是需要滋养的，包括时间、精力、资金上的投入。他们的这一课题从生物、化学、物理原理上为碳的固定捕获提供了科学可行性的支撑。“现在讲双碳，如果没有类似创新的技术与途径是很难做到的，甚至是不可能的。”

陶飞篇

喜好观察好动手，7岁能“修”拖拉机

陶飞1983年生于安徽宿州。父母均务农，父亲还祖传习得一门木匠手艺。“耕地的犁在木匠活中是公认的高难度手艺活，只有我爸能做，他做的犁用来耕地省力，甚至周边几个县都有人慕名而来。”尽管这一绝活随着拖拉机时代到来慢慢失传，但说起父亲的木匠活，陶飞印象深刻：“从小我就是父亲的帮手，帮他拉锯，钻孔时拉钻，耳濡目染。我自己也能干一点小木匠活，比如三四年级时就用木头做成了一个可以打开的储蓄罐。当时我也是偷偷学偷偷干，父亲不支持我，要我多读书。但父亲看到我做的小储蓄罐蛮像样的，也很欣慰。这些儿时习得的能力与后来自己动手做实验装置很有关系。”说起儿时生活和能力的培养，陶飞说自己小时候特别喜欢观察。“小时候没有见识过拖拉机、汽车，一听到拖拉机进村就会追着拖拉机跑，只要拖拉机一停下来就会围着看，看它的轮子、马达，有机会就爬上去坐一坐。”陶飞大约7岁时，家里买了拖拉机，这可把他乐坏了，看了一遍又一遍，几乎把它的结构都记了下来。有一次家里的拖拉机出了故障，请了师傅来修，但修了半天还是不能开，师傅也找不出原因。师傅走后，陶飞跑过去对爸爸说可能是离合器装反了，上次看到的不是这样的。陶爸死马当活马医，父子俩拆下来一试，果然装反了。“这也是我的观察能力帮了忙，如果没有这种能力，科研中很多事就会做不好。”

濒死体验促顿悟，偏科少年成学霸

但是这种可贵的观察能力、动手能力没给刚上学的陶飞带来好处，相反，因为花了太多时间玩，不喜欢做作业，他上学后的成绩一直不好，最差的时候是在班里倒数第三名，老是挨老师批评，家人都认为他不是读书的料。但是，不愿意循规蹈矩学习的陶飞却喜欢摆弄各种机械，喜欢玩自行车，拉煤的平板车都会成为他喜欢玩的对象。两个姐姐的物理课本他看后觉得好玩，课本上讲到电动机怎么运转马上吸引了他，他就想手工去做电动机——按照书本的讲解把电器上的铜丝拆下来绕线圈做电动机。而当时家里人对他热衷动手都是反对的，在不少人眼里，陶飞就是一个不好好学习的学渣，甚至当时所有的老师同学都认为这个孩子日后难以在学习上有什么出息。这种状态一直维持到初一。

初二时，学校开了陶飞喜欢的物理课。这些物理课本上的内容陶飞都看过，一考试就感觉这些题目都会做，他的物理成绩居然是全班一二名。班主任像是发现了人才。但是班主任对他说只是物理好，其他科目这么差是不行的。后来发生的一件事深深触动了陶飞，他痛下决心，决定学好其他课。初二的暑假，有一次陶飞在村里的池塘里玩水，池塘底部有很多取土留下的深坑，陶飞脚一滑就陷到坑里，周围也没有可以攀援的东西，脚不着地，感觉身子在下沉，拼命想呼救但一紧张已经叫不出声，只是手还在拼命动，也就几秒钟水就没过他的头。这是濒临死亡的一瞬，那种无助绝望的感觉令他至今历历在目。幸好当时不远处有一位成年人发现了他，并把他救了上来。“这几秒钟里于我像是跨越了阴阳两个世界。”这次“死而复生”的经历让陶飞突生一种顿悟——死亡离一个人并不远。他想起了爷爷和老师的话，要么做木匠，要么下决心好好学习。他从那天起内心突然生出了一种悲壮的情绪——人活在世上，时间非常有限，要做有意义的事。“也因为在死亡边缘上逗留过，我便生出了一种不怕死和敢拼的劲头，愿意不计代价、不考虑回报地去付出努力。”从那以后陶飞就像换了一个人，他用自学的方式把初一、初二的语文课本都重新学了一遍，初一到初二的英语课本也都重新背过，而这两门课是他当时最差的。“那段时间经常学到凌晨两点，然后早上七点起床上学。除了刻苦努力，方法上也有一些改进，如每天写日记、与同桌进行背书比赛等。”花了整整一年时间，陶飞把前面两年的课恶补回来，原来一年用不完一支笔芯，最后一年用了几十支，成效非常明显，初中的毕业考试考了全乡第一名，上了县城的省级示范中学。这种不松懈的状态一直维持到高中，高中也一直保持着班级前几名。

高考时，陶飞身体状况不好，考完试当晚就发高烧到42度。尽管最后分数超过了重点线，但是离陶飞理想中的中国科技大学还有距离，考虑到家庭经济等原因，他最后选择了山东大学，被生命科学学院制药工程专业录取。

老师校车一番话，改变陶飞人生路

陶飞与宰建陶合作做实验

陶飞在山东大学读了9年，从本科到博士毕业。本科的专业偏药学，大三时他进了许平老师的实验室。之前有一次在校车上，有一位女老师与陶飞聊天时提醒他现在起就要考虑今后要做什么，不能只是埋头读书。陶飞至今很感激这位老师的点拨，这也是他大三就进实验室的原因。初进实验室的陶飞，满眼看到的都是神奇的东西，眼界大开。许平老师让他跟着学做燃油生物脱硫的实验，这也成了他博士阶段的研究课题。大四毕业时，陶飞就取得了创新的阶段性成果，博二时在领域内主流杂志发了文章，拿了奖学金。陶飞说许平老师很开明，给了非常大的自由度，他尝试做了很多基因组操作相关的挑战性课题。尽管这些探索大都没有结果，但却从中积累了不少方法，也了解了学科前沿。陶飞是幸运的，他读博的那几年正是合成生物学处在孕育突破的前夜。陶飞那些天马行空的探索性工作也为他以后进入这个领域打下了基础。2007年，许平老师作为微生物领域的知名科学家被上海交大引进，需要在交大建立新的学科方向，陶飞作为许平团队主要成员，在博士毕业后，也就是2010年，跟着许老师入职上海交大。

智能代谢重编程，关键时刻获“星”助

来交大后，许老师就以陶飞为助手建立了工业微生物-合成生物学方向。陶飞2011年拿到了国家自然基金委的青年项目，这也是基金委支持的第一批合成生物学的方向。陶飞当时的方向就是改造微生物用于生产各种化合物，也就是现在说的“细胞工厂”。其中改造光合蓝细菌以光能和二氧化碳生产各种有用化合物的内容就是现在比较热门的“光驱动细胞工厂”方向。要设计细胞使其合成化合物最大的障碍就是细胞的代谢网络过于复杂，其复杂程度不亚于人的神经网络，但是现有的认识十分有限，想要理性干预细胞代谢网络几乎无从下手，且工作量非常大。在没有方法上的突破前，只能不断通过试错来慢慢摸索。做了几年，到2014年，陶飞团队就提出能否换一种思路，找出代谢网络的关键“敏感点”，通过敏感点的干预和智能的设计来操纵代谢网络。这样就提出了一种智能代谢重编程的概念，团队以此做尝试，并完成了一些比较成功的工作。2017年末，为了继续推进智能代谢重编程方向，陶飞申请了启明星课题，并于2018年获得了资助，支持他在这个方向继续探索。“这个40万的启明星项目对我们这些高校年轻教师而言特别可贵，它能让我定下心来，也逼着我去把好的想法一步一步做下去。正是有了启明星计划的牵引，我才能在这个方向上继续做系统的工作。后面以这个方向的研究为基础，2019年我又申请到国家重点研发计划青年科学家项目，2020年申请到青年长江学者奖励计划。”陶飞告知，解析细胞代谢网络的工作仍在推进中，并且已开始和人工智能合在一起。代谢网络可以看成一个超级复杂的黑箱，解决黑箱问题正是人工智能所擅长的工作。有了人工智能的加持，也许可以在不详细了解代谢网络内部机制的情况下，预测和判断给定条件下代谢网络的性质，比如产物浓度、生产效率等。尽管现在还在过程中，但陶飞认为已经离破解细胞代谢网络之谜不远了。

MIT受训得启示，学科交叉奠基础

在交大工作的过程中，陶飞在2013年曾去麻省理工媒体实验室比特原子中心做了一年访问学者，参与了蛋白质工程和提高蛋白质稳定性的膜蛋白工作。MIT的媒体实验室是世界知名的交叉学科研究先驱，计算机、互联网、机器人、生物、艺术等学科在这里都可以做大跨度的融合。实验室的开放式设计及独居匠心生活区布置非常方便研究人员交流探讨。也是在那里陶飞的学科交叉的思想被进一步训练激发出来。2014年回到交大后，他就想做一些跨学科的探索但一直找不到合作机会。2018年国外有学者提到过半导体合成生物学的概念，陶飞马上意识到做生物传感——特别是气味传感——是切入半导体合成生物学的契机，恰好当时在启明星颁证交流会上遇到做纳米技术研究的宰建陶星友，就开启了合成生物学与纳米学科交叉的研究历程。