青年科学家奖特等奖华人得主：奖金给孩子当科学启蒙经费

前不久，Science和SciLifeLab颁发的2020年度青年科学家奖揭晓，32岁的美国洛克菲
勒大学助理教授曹俊越成为全球唯一特等奖获得者，以表彰其在高通量单细胞测序技术以及发育生物学方面的杰出成就。

4年间，相关技术的论文曾5次登上《科学》《自然》及《自然—生物技术》。

今年11月，他的获奖论文《在细胞水平追踪发育》再次发表于《科学》。

新冠肺炎全球流行，让2020年成为曹俊越“喜忧交加”的一年。

喜的是，用3年半就从华盛顿大学获得博士学位的他，在洛克菲勒大学有了自己的实验
室。

洛克菲勒大学是世界著名的生物医学教育研究中心，也是开展诸如计算生物学和基因组学科培训项目的领头者，还是世界上在生物医学领域拥有诺贝尔奖最多的机构之一。

忧的是，疫情影响了他的实验室建设甚至研究工作。

“目前，我在纽约的新实验室刚初具雏形，因为疫情影响，很多实验工作还不能顺利开展起来。但是因为我们需要处理很多的高通量转录组数据，也可以利用这段时间，进行一些分析工作。”曹俊越在接受《中国科学报》独家专访时说。

“另外，照顾孩子们和做研究同时进行，需要学会见缝插针。”

与细胞为伴

生命是永远谈论不完的话题。生命是如何产生的，我们的身体是如何在发育中形成的？曹俊越就是在寻找这些普通人也非常好奇的问题的答案。

出生于河北的曹俊越，2006年从衡水中学考入北京大学学习生物学。

2015年，他进入华盛顿大学，并于2019年获得了基因组科学博士学位。

“我的工作主要是高通量单细胞基因组技术开发。”曹俊越说。

“正如我们所知，生命始于一个微小的单细胞。这个微小细胞不断分裂，然后分化成许多不同的细胞类型，形成不同的组织器官，最终发育成人体。为了理解生命过程，我们需要系统性地分析每种细胞种类以及其在发育过程中的动态变化及分子机理。这就对技术提出了非常高的要求。”

人体内有数百种不同类型的细胞，很难根据一种或两种分子特征区分它们。

而且，传统的检测技术灵敏性较差且价格昂贵，无法对几百种细胞进行全面的检测和比较。

在华盛顿大学Jay Shendure实验室的3年半博士研究期间，曹俊越研发了4项高通量单细胞测序技术。

sci-RNA-seq实现了不依赖于细胞分离的单细胞基因表达检测技术。

这项技术被应用于检测超过5万个线虫单细胞的转录组测序，从而构建了世界首个生物
个体水平的单细胞转录组图谱。

研究人员还绘制了27种主要细胞种类的基因表达图谱，并监测到了各种罕见的神经细胞种类。

这些数据对于线虫研究领域具有重大意义，并为构建其他生物物种的细胞转录组图谱提供了模版。

这项研究发表于2017年的《科学》，并被《纽约时报》报道。

sci-RNA-seq3可以同时检测几百万个单细胞转录图谱，同时费用较低、操作简单。

基于该技术，研究人员共检测到200万个单细胞组成的500多种细胞种类，并系统性地绘制了形成各种器官的细胞分化路径，以及每个路径中几万种基因的表达变化。

曹俊越和同事进一步应用这项技术分析了来自121个人类胎儿器官样本的超过400万个单细胞的基因表达水平。

这项研究发现并验证了一些新的细胞种类，还综合分析了主要细胞类型（包括血液，内皮细胞和上皮细胞）的器官特异性。

最后他们将人类胎儿单细胞图谱和小鼠胚胎细胞图谱整合在一起，构建了细胞和基因从胚胎到胎儿发育的动态轨迹。

该成果对于研究各种人体细胞的种类和分化途径，器官的形成，以及理解儿童的各种发育异常和疾病提供了分子和细胞学基础。

这两项研究分别发表在《自然》（2019）和《科学》（2020）上。

sci-CAR可以同时检测上万个单细胞的转录组和染色质可及性数据。

研究人员成功构建首个哺乳动物器官水平（肾脏）的单细胞双图谱。

同时，他将机器学习应用于分析基因表达和染色质可及性在单细胞水平的动态变化来识别基因组中的调控子及其调控的目标基因。

这项研究发表于《科学》（2018）。

sci-fate能用于研究大量单细胞在转录组水平的基因表达动态。

这项技术通过结合曹俊越2017年研发的高通量单细胞测序技术 sci-RNA-seq和 4-硫尿
苷（4sU）标记新生mRNA技术，可以大规模的分析几千到几百万个单细胞中的整个和新
合成的转录组。

这项技术被应用于研究超过6000个癌细胞的皮质醇反应。

基于这些数据，他们量化了细胞在细胞周期和糖皮质激素受体激活过程中的动态变化，发现了相关转录因子和基因的相互作用网络，并开发了分析和预测细胞状态转变的计算框架。

该方法可以广泛适用于定量研究各种系统中的单细胞转录组的动态变化和基因调控网络。这项研究发表于今年的《自然—生物技术》（2020）。

照亮“前路”

当然，新技术研发并非易事。
“我一直认为技术发展是与传统研究非常不同的领域。我们正在尝试创造自然界中从未存在过的新工具，从零到一的过程会经历很多失败和挫折。”曹俊越说。
曹俊越回忆道，在研发sci-RNA-seq的过程中，他曾花费2年反复尝试了262种实验条件
，才摸索出技术雏形。
之后，他又实验了超过1718种条件组合进行优化，这里面大部分的实验条件都没有成功。
“反过来想，如果没有这些失败的结果和付出，也就没有最终完善的技术。”曹俊越笑道，“也就没有10年质的飞跃。”
10年前，当第一个单细胞基因组技术被开发出来的时候，人们只能描绘3到5个细胞，每个细胞的成本大约是100美元。
现在，人们可以在一次实验中描绘出超过200万个细胞。而且每个细胞的费用减少到0.
01美元以下。
曹俊越说：“这些新技术就像一盏一盏明灯，照亮了生物学探索道路，我认为这将推进单细胞动力学领域发展。”
令他感到特别自豪的是，他的高通量单细胞技术不需要任何特殊设备，世界上几乎所有的实验室都可以使用它们进行研究。
它们也不是单一的技术，而是可以作为一个平台来使用。有了这个新平台，研究人员可以继续研发，将同一个单细胞的不同分子层剖面同时解析出来。
“没有一种技术是完美的，它们会有很多限制。我很高兴能想出一些新的方法来克服这些技术限制，使它们变得更好。同时，我期待并兴奋地使用这种新技术去探索世界，去了解生物学新知。”他说。

最近，曹俊越以助理教授的身份开启了自己的实验室。

“在未来的5到10年里，我希望开发新的单细胞测序技术，用来研究体内细胞的动态变
化，并且理解人体是如何随着时间的推移保持稳定的，以及细胞种群内稳态是如何在衰老过程中被破坏的。”他说。

平衡工作和生活在于专注

而对于日常生活，曹俊越可以称得上“张弛有度”。
“在实验室辛苦工作一天后，我晚饭后会去看风景，每天与妻子和孩子在附近的湖泊或河流散步。我和妻子研究相同的领域。所以我们通常谈论新的技术想法，或者我们从研究中学到的生物学新见解。”曹俊越说。
曹俊越有两个孩子，一个6岁的男孩曹永安和一个1岁半的女儿曹小妮。 
“我女儿正好在我准备毕业论文的前一个月出生。我认为平衡工作和生活的关键是真正专注于研究、充分利用时间，尤其是学会利用照顾孩子的间歇。”他说。
新冠肺炎疫情让许多工作“停摆”，照顾孩子成了曹俊越的主要日常工作之一。
“通常我会在孩子晚上睡觉后做一些分析。但与孩子们玩的时候、看书的时候，会完全放松。每个周末，我们会去附近的公园进行‘家庭旅行’，有时甚至会意外获得一些新‘点子’。”

得知自己获得青年科学家奖特等奖时，曹俊越说，“我真的很荣幸，我非常感谢过去几年来大家对我的所有支持，特别是我的导师Jay Shendure博士。”

作为青年科学家代表，曹俊越建议年轻研究人员不要害怕去追求最感兴趣的生物学问题。

同时，面对挑战和未来保持积极的态度非常重要。

2013年，该奖由Science/AAAS和SciLifeLab共同设立，是生命科学领域最重要的国际奖项之一。

该奖旨在鼓励和支持青年学者开启独立科研生涯，特等奖奖励30000美元；其他三个类
别的获奖者每人将获得10000美元的奖励。

此外，特等奖的获奖论文发表在《科学》杂志上，类别奖的获奖论文在线发表。

曹俊越告诉《中国科学报》，他准备把这笔奖金当做孩子的科学启蒙经费，希望引领他们进入到生命科学这个领域。

往年的获奖者通常会于12月应邀前往瑞典，参加为期一周的科学纪念活动，并有机会与所在领域的主要研究人员见面。

一年一度的颁奖典礼和宴会在斯德哥尔摩的镜子大酒店大厅举行，这是诺贝尔奖宴会的原址。

今年因为新冠的全球流行，颁奖典礼通过视屏会议的形式进行，即便无法前往瑞典，曹俊越也希望能与其他获奖者进行交流。

他特别还提到，今年的特等奖的奖杯由卡罗林斯卡的设计师Alicia Bergsten设计，它
的寓意如下：“我决定把奖杯做成一个球形，象征着地球，它由染色体形状的银色拼图组成。我认为研究就像在寻找一个特定的片段，能拼接到已知世界中。当你找到丢失的那一块时，你就在创造一个更大的画面，其他人可以给它添加更多的拼图碎片。”