对话伯克利化学家，我们学到啦！

美国加州大学伯克利分校，简称“伯克利”，是世界最顶尖公立大学之一，在学术界享有盛誉，其化学专业世界排名第一。作为全球化学界首屈一指的研究中心，伯克利化学系的主任，他的讲座会是怎样的呢？

近日一中国际部的学生聆听了远在大洋彼岸美国加州伯克利化学院的化学系主任马修·弗朗西斯教授认真聆听的同学们

Matthew Francis的线上实时讲座

Using Chemical Biology to Address Environmental Challenges

（《用化学生物学应对环境挑战》）

认真聆听的同学们

仔细听讲的领导、专家和老师们

这是今年一中国际部与加州伯克利化学院联合开展的2022 GOLD Science Fair的活动内容之一，也是双方合作六年来首次由伯克利化学院顶级教授为一中同学们开设讲座。

伯克利化学院执行主任肖恩·布彻Sean Butcher先生主持了讲座。他介绍了马修·弗朗西斯Matthew Francis教授的基本状况、研究领域和所获得的荣誉。接着，弗朗西斯教授用一个小时的时间介绍了自己的成长和一步步走向有机化学的历程。

执行主任Sean Butcher介绍讲座嘉宾

化学系主任Prof. Matthew Francis做讲座

从小爱用沙子和乐高玩具搭建的他在进入迈阿密大学后选择了化学，因为可以用元素周期表上的元素搭建从药物分子到塑料到乐高的一切有趣的东西。

在导师引领下，他开始使用有机化学来构建大而复杂的分子，例如研究海洋中堵塞离子吸入通道而使鱼类、贝类致死的裸藻毒素-A大分子最末端的结构。教授认为，通过设计实验来用科学方法找出问题的答案，是很有价值的经历。

Francis教授展示他在本科时研究的裸藻毒素A的分子结构

进入哈佛大学研究生院后，他的研究涉及开发发现和优化新的过渡金属催化剂的组合策略。

五年的研究，一张幻灯片

之后，他搬到了加州大学伯克利分校，在那里担任米勒基础科学研究所的博士后研究员。他在教授的指导下，重点开发基于DNA的聚合物材料组装方法和树枝状大分子在药物传递中的应用。

基于DNA的树突状材料的自组装

弗朗西斯教授于2001年在加州大学伯克利分校的化学系开始了他的独立职业生涯，并建立了一个研究项目，涉及开发新的蛋白质修饰有机反应。这些新的化学工具随后被用于修改生物分子组件，为用于诊断成像、废水处理和太阳能电池开发制备新材料。

化学修饰生物分子的新材料可能性

弗朗西斯教授谈到了他们研究的应用，其中最为重要的就是水的纯化。随着全球变暖，气候变化，全球淡水资源越来越紧缺，尤其是一些干旱地区。例如美国加州奥罗维尔湖Lake Oroville，加州第二大水库和饮用水源，在连续的干旱后，该湖水域面积缩小，水中的重金属如汞、砷等有害物质浓度加大。

加州对供水系统不断减少的提醒

于是弗朗西斯教授的团队利用金属硫蛋白制造新材料，从环境样品中去除重金属。

用金属硫蛋白制造新材料

弗朗西斯教授向同学们展示了向金属硫蛋白制成的凝胶中加入含镉的水后，凝胶收缩，加入螯合剂，提取中间的有害金属镉，使其还原为原始模样的实验照片，介绍了这种凝胶对铜、锌、镉、汞具有同样的识别功效，而对钙、镁、钠等无害金属不识别。

从环境样品中去除重金属

接着，教授又介绍了利用这种特性制成漏斗，用于检测水中重金属离子的有趣实验。用这种水凝胶封在漏斗底端，若含有重金属离子的水加入漏斗时，凝胶会收缩，水会从漏斗下口处流出。

检测重金属污染

他们还利用同样的原理，制成检测水中砷含量的器具。通过液面收缩到的位置可以探测水中所含砷的浓度。如果浓度小于可检范围，则液面保持在绿色区域，大于1000μg/L则到达红色区域。

环境和生物样品中砷的检测

接着，弗朗西斯教授介绍了测量另一种污染物的方式。这种污染物叫激素干扰污染物，如7β-雌二醇、乙炔基雌二醇、他莫昔芬、乙烯雌酚等化合物以及BPA、BPB、DDT、PCB等等。

激素干扰污染物

随着人类农业、畜牧业活动，这些含有羟基-OH的有毒化合物正在淡水资源中积累，它们对野生动物的危害是明确的，也对人类健康造成威胁。弗朗西斯的团队就是要研究如何检测饮用水中含有的羟基，并将其去除。他们找到了蛋白质分子--人体雌激素受体，并利用细菌来制造人体雌激素受体。他们发现激素干扰污染物的羟基与人体雌激素受体的结合有个“开关”——一种单体蛋白质。

含有雌激素受体的材料

那么只要用一种介质提供这种单体蛋白质（图中绿色部分），再用另一种介质提供人体雌激素受体蛋白质（图中蓝色部分），两种蛋白质在水中相遇，如果它们结合，就意味着水中激素干扰污染物（红色部分）的存在。于是，他们用冻干的工程大肠杆菌，接受基因改造而能够在它们的表面上展示雌激素受体蛋白质，用金电极提供单体蛋白质。两种蛋白质一旦结合，则金电极表面特性会发生变化，说明水中含有有害的雌激素干扰污染物。

用细菌制造传感器

弗朗西斯教授展示了测量工具的小体积，只有3厘米长，1厘米宽，上面的检测电极只有美国一角硬币上罗斯福总统耳朵那样大，只需要一滴含有细菌的水样就可以检测出污染物的含量。

展示测量工具的小体积

利用电化学性质计算电极表面上的细菌数量并检测到激素干扰污染物含量，教授称这是一个巨大的进步。

他还提醒大家，制作塑料制品的聚碳酸酯含有有害物质BPA。他们在婴儿配方奶粉中也检测到BPA。特别是塑料婴儿奶瓶，尽管标签上标注不存在BPA，不加热也没有激素干扰污染物释放。但是当微波炉加热后，可以检测到奶瓶存在显著的雌激素活性。玻璃瓶则没有变化。

检测婴儿配方奶粉中的污染物

最后，弗朗西斯教授感谢了参与他工作的本科生、研究生、博士生团队以及为他们研究提供资金的人员。说作为科学家，尤其是科学家教员是非常有意义的。

积极踊跃，深入交流

随着一个小时的精彩讲座在不知不觉中的结束，大家进入到互动环节。

张红主任问：听说今年化学诺奖获得者Caroline Bertozzi 教授曾经在伯克利化学院工作，与诺奖获得者一起工作是怎样的经历？

答：Caroline曾是我导师，我刚到伯克利那会儿，Caroline是伯克利的教师。我俩是很好的朋友，我对她无所不知。但我最欣赏的是Caroline的为人。她是我遇到的绝顶聪明的人，非常有创意，但同时真心待人，尊重周边人的想法。我觉得可能介绍另一位同仁也很有趣，2020年诺贝尔化学奖获得者Jennifer Doudna。她们都是我的好友，大家经常一起聚餐聊天。作为化学系的主主任，很难预测系里哪位教授会获奖，但的确令人高兴。

弗朗西斯教授向我们展示凌晨2点40当瑞典皇家科学院宣布诺贝尔奖获得者时，他向Caroline祝贺的短信和对方发的笑脸表情包，而前年2点45他也发信祝贺Jennifer，对方没回，第二天早上才知道错过了奖项公布的时刻。看来这些顶级科学家对获奖看得不是很重。

周若函同学问：做一个项目要花多长时间？

答：一般说来每个项目可能2年至5年，我最长的项目做了20年，还在做。当然每个项目中个人承担的部分不同，有时，同一时间段内有多个项目同时进行。

窦泽昊同学问：生物化学的净水新方法与其他净水方法有何区别？

答：所有的净化方法都是选择性的问题。常用的软化水法可以滤掉水中过多的钙，因为水太硬会影响洗涤，但对微量金属的过滤无效，只能依靠生物化学的方法。反之，今天介绍的去除重金属的方法对水中的钙、镁、钠的去除不管用，所以要针对需要来选择。

陶得诚同学问：如何去除酚类有害化合物？

答：讲座中介绍了如何鉴别水中是否含有酚类化合物，但对如何有效去除，尚在进一步研究中。其中的一个策略是找到一种酶，不仅能与酚类结合，还能消灭它。

Alden老师问：如何在购买塑料制品时了解其是否含有BPA或BPS？

答：有时看标签确实难以判断，因为原料不会都标出。不过任何情况下避免使用不需要的塑料制品是最安全的。金属的可反复使用的水杯是明智之选。买罐头的时候，要当心。开盖后里面的那一圈（垫圈）是需要避免的安全隐患。但是让自己对环境里的一切都避免使用，害怕有毒，的确是让人抓狂的。正确的方法是减少所选择使用的东西，并睁大眼睛，提高警惕。

谌宇恒同学问：从事尖端科研最有趣的是什么，是书本中的知识还是研究中的发现？

答：简短的说，都是。学习的好方式太多了，阅读、看电视...... 但是，实验室研究的独特在于它是唯一能让你身临其境地面对疑难，发挥创造性思维去解答问题的地方。你可能需要的不是一本书，而是十本书。就像今天的讲座所介绍的内容，不是单一一本生物书、或是化学书可以解决。你需要所有这些加在一起，那才能让研究变得有趣。另外一方面是，很多人认为研究就是按照预先设定的方案去实施。虽然这没错，也许你是可以从阅读书籍去获取知识，但这不是发现的要义。发现并不像人们所说“对，这就是我原先认为会发生的！”，而是“哈，我怎么也没想到会是这样！”所以，“发现”不是在书中找到的，这也是“做实验”的意义所在。

黄智祺同学问：假如要从事类似的研究，在大学应该选报哪些课程？

答：如果要从事科学研究，数学和物理是必须选择的。化学是中心学科，与材料科学、物理、生物等都相关联，我教这门课，所以偏重它。生物也很重要，包括生物化学、中枢新陈代谢最为重要。基因学、免疫学可以再晚些学，但也需要知晓。实际上我还想给你另一条建议。上大学之前，我学的课程都“不是”科学课程。我想说我的创造性思维和多角度思考问题的能力，以及在实验不顺利时能够放轻松的能力，来自于非科学类的其他课程。我当时选的课有“莎士比亚电影”（因为不想读原著）、戏剧、艺术史、溜冰、多种语言等等。你们学习英语就很好，还需要学更多语言，这样你能和更多的人交流。这些课程与科学课相互弥补。应该尽量追求文理兼备，全面发展。

此次讲座

让一中国际部的学生们大开眼界，

他们没想到

顶级科学家居然可以如此接地气，

把艰深难懂的原理

讲得那么通俗而有趣！

今年参加伯克利GOLD Science Fair的张清雅同学在讲座结束后说：这是我们第一次在线上听取国外教授对于我们开设的一个讲座，让我受益匪浅。教授讲座中展示的2011和2014年同一个湖泊水位变化的图让我印象深刻。他说，水位下降的主要原因之一应该是重金属导致，他主要研究的一个方向是蛋白质的合成，他认为可以用蛋白质去除重金属的性质使水位再次回升。

我的研究是我家小区中的一条小溪，今年夏天由于天气非常炎热，它的水位下降也非常厉害，甚至有一些段已经干涸。如果我有机会接触到他所说的这种蛋白质合成技术，我是否可以运用这种技术使小区溪水的水位回升。我认为自己这次整体的研究过程是非常可贵的，让我学习到了很多科学研究的技术，希望在未来学习中我能对其进行一个总结及运用。

东南大学能源与环境学院黄瑛教授带着两位东大博士生，也是我校伯克利GOLD Science Fair高中生科研项目校外指导老师，聆听了此次讲座。

黄教授说

自己的孩子郭树荫去年参加的GOLD Science Fair，研究的是关于南京市的酸雨预测模型的一个建议。他自己一开始拟定主题后，觉得比较简单，后来才发现很难，不仅要收集南京市几十年的酸雨数据，还要对数据要进行分析，然后编写计算机程序，最后用它进行预测，再把预测的结果和原始的酸雨的结果进行对比。

在这一过程中，孩子理解了如何在科学研究中做数学模型，得了一个叫做 most creative award，就是最佳创新奖。当时他们还有其他同学做的课题是一个用污泥来做一种砖，放在河道边上，既可以做护河砖，又可以去除污水当中的重金属，这个令人印象深刻......今天的讲座对一中国际部学生是非常难得的学习机会，可以拓展他们的科学眼界，让他们在高中阶段就能提前进入到科学研究的实践中。

今天讲座特别值得一提的是弗朗西斯教授说，在实验室当中忽然发现我没有想到居然是这样的，这才是真正的科学。如果同学们能够用心的去体会，这一点会深深的影响他们今后的科研道路，因为这才是真正的科学精神。

文字：张 红

图片：贾婷婷