理论物理 理论计算机科学,张阳：从理论物理到理论生命

美国堪萨斯大学助理教授张阳在讲解他的研究。摄影：R. Steve Dick

最近，中国科学院理论物理研究所的欧阳钟灿院士很高兴：他的前博士后、美国堪萨斯大学的助理教授张阳获得了数项奖励和资助：

美国国家健康研究院一项125万美元的研究项目；2008年度斯隆研究奖(Alfred P. Sloan Award)；2008年度美国国家科学基金会的教授早期事业发展奖(NSF Career Award)。

张阳的工作是设计研制新的计算机算法，从氨基酸序列预测蛋白质的结构和功能。现在，他的实验室的一个重要研究课题是预测G蛋白质偶联受体(GPCR)的结构。

GPCR是一种非常重要的跨细胞膜蛋白质家族，负责将细胞表面接到的信息转换成细胞内信号。目前，市场一半以上的药物都是以它们为靶标的。GPCR蛋白的三维结构信息将为这些药物设计研究提供重要导向。目前已知人体大约有850种GPCR，其中只有一种蛋白质由X-衍射技术解得其三维结构，所有其他GPCR蛋白质必须依赖于计算机结构预测。

这些新的经费对张阳在这个方向上的研究十分重要。

蛋白质结构预测的新领袖

2008年2月28日，张阳收到美国斯隆基金会主席保罗·乔斯科博士的一封来信，信中说：“我非常荣幸地通知您：您已当选斯隆研究奖获得者……”

“这的确令人兴奋，”张阳说，“我的另一位导师杰弗里·斯科尔尼克(Jeffrey Skolnick)是1983年斯隆研究奖获得者。能成为一名斯隆学者，我深感荣幸。”

斯隆研究奖由美国阿尔弗雷德P·斯隆基金会于1955年创立。这是一个声望很高且极具竞争力的奖项，旨在提高和促进特定科学领域中最杰出青年学者的事业发展。自创立以来，获奖者中已有35人获诺贝尔奖，14人获菲尔茨奖，一半以上的经济学类获奖者获得了所在领域最高荣誉之一——约翰·贝茨·克拉克奖。

2008年，斯隆基金会在来自美国和加拿大64所大学的600位候选人中，授予118位学者斯隆研究奖，他们分属化学、计算和环境分子生物学、计算机科学、经济学、数学、神经科学和物理等7个领域，总奖金额达590万美元。

张阳所在的计算和环境分子生物学领域，有12名学者被授予这一荣誉。

“这表明我们目前的研究得到了同行认可。我明白斯隆奖对一个年轻科学家的意义，我希望自己未来的努力不辜负这个荣誉。”张阳在接受《科学时报》采访时说。

在谈到如何利用斯隆奖经费的时候，张阳介绍说：“基于我们开发的算法，我们建立了一个网络在线服务器，帮助科学家们预测蛋白质结构。目前，有大约50个国家的800多位科学家在使用这个服务器，已经预测了1万多个蛋白质的结构。但受限于实验室计算机资源的能力，每天仍有几百位用户在排队等着使用。有了这笔钱，我首先想到的第一件事，是可以买更多的计算机，服务于更多科学家的需求。”

在获得斯隆研究奖前不久，张阳还获得了NIH一项125万美元的研究项目，资助他进行GPCR高精度结构预测研究。他计划用这些钱来招博士生和聘请研究助理。

3月初，他又接到NSF的通知：他被授予2008年度NSF的教授早期事业发展奖。

所有这些奖项，均源于张阳在计算机预测蛋白质结构研究中的杰出表现和发展潜能。在2006年举行的第七届国际蛋白质结构预测技术评估大赛(CASP)中，张阳的结构预测测评成绩位居第一；如今，他的研究小组开始向预测G蛋白质偶联受体的结构进军，“我们的目标是能精确地预测所有GPCR的蛋白结构，以协助药物研发人员设计出更有效的GPCR药物。”

张阳的研究得到了堪萨斯大学的重要支持。堪大分子生物学系系主任Kathy Suprenant说：“张阳获斯隆奖受之无愧，他已成长为蛋白质结构预测领域的一位国际领袖。”

“这个成就令人兴奋”

每次获奖，张阳总是愿意在第一时间同欧阳钟灿分享他的喜悦。事实上，他真正进入这个领域是1999年；而他此前的领域是高能理论物理。

20世纪90年代，张阳在华中师范大学师从刘连寿教授获得物理学博士学位。1999年，在德国做完洪堡学者后，张阳来到中科院理论物理研究所，原计划跟随郝柏林院士作理论物理研究。

此间，他偶然读到欧阳钟灿院士有关细胞膜的一篇论文，“觉得特别有意思。我原来研究高能物理，研究对象是电子、质子、夸克等看不见摸不着的基本粒子，观测这些粒子需要高能碰撞，然后对末态进行间接研究；欧阳老师的文章让我觉得生物和我原来的研究领域完全不同，研究对象可以是看得见、摸得着的东西。这对于生物学家们可能没有什么，但是对于一个一直在做理论物理抽象研究的人来讲，这种感觉十分振奋”。

于是，张阳转到欧阳钟灿的研究小组，与当时的博士生周海军共同研究DNA分子的弹性和伸长间的关系。

“当时，虽然他是做高能物理的，但我看他计算机能力很强、很有潜力，作生物膜研究全靠模拟，这是他的特长所在，他做得非常好。2001年博士后出站，又到美国跟随国际权威结构生物信息学家杰弗里·斯科尔尼克继续作研究。”欧阳钟灿说。

传统上，蛋白质结构是通过X射线衍射或磁共振实验获取的，但这两种方法都极其昂贵、费力。有没有更经济快速的方法呢？物含妙理总堪寻。既然蛋白质结构的密码隐藏在序列中，那么解开这个密码就可以通过序列来解开蛋白质的结构，这就是计算机预测蛋白质结构的基础。

张阳很庆幸自己能到斯科尔尼克的实验室工作。“从他的实验室，我得到了关于蛋白质结构方面的系统学习和训练。实际上，在到美国之前，我甚至连蛋白质长什么样都不知道。”

2002年，张阳和斯科尔尼克合作参加第五届CASP，他们应用切割模板结构的方法设计了一种名为TASSER的软件，按最低自由能原理预测蛋白质结构。

2005年底，张阳成为堪萨斯大学的助理教授，建立了自己的实验室。他开始独立做的第一件事就是参加2006年5月开始的第七届CASP。这一次，他根据经验重新制作了新的软件——I-TASSER。他说，这个软件对已知蛋白质片断进行再切割和组合，使预测精度大大提高。

欧阳钟灿说：“CASP被誉为蛋白质结构预测领域的奥林匹克竞赛，从1994年的33个目标蛋白质、35个参加小组，到2006年100个目标蛋白质、207个参加小组与98个服务器，CASP进行到了第七届，成为代表着蛋白质结构预测领域的世界前沿水平竞争，张阳获得第一名，表明他已经走在这个领域的最前沿，这个成就令人兴奋。”张阳说：“这也是一个测试自己方法的好机会。之后，许多人都想使用我们的服务器。”

2007年5月，应麻省理工学院统计物理学家黄克荪邀请，欧阳钟灿到新加坡南洋理工大学参加蛋白质折叠理论研究会。会上，新加坡国立生命信息研究所所长专门介绍了2006年世界蛋白质折叠竞赛的情况，多次提到张阳的杰出贡献。欧阳钟灿回忆，当他告诉黄克荪，张阳是从中科院理论物理所出去的时候，在场华人无不为他的成就感到扬眉吐气。黄克荪也对张阳赞赏不已。

荣誉接踵而至。欧阳钟灿说：“张阳获NIH百万美元资助、获斯隆奖和NSF事业发展奖，为中科院博士后再次争光，证明理论物理人才在理论生命科学领域大有作为。”