中美太空合作“零”的突破 北理工科學(xué)載荷登上國際空間站
發(fā)布日期：2017-06-04 供稿：黨委宣傳部 辛嘉洋 攝影：生命學(xué)院
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北京時間2017年6月4日凌晨5時7分
美國SpaceX公司龍飛船發(fā)射成功
中國首個登上國際空間站的生命科學(xué)實驗載荷
北京時間2017年6月4日凌晨5時7分，由北京理工大學(xué)鄧玉林教授團隊研制的“空間環(huán)境下在PCR反應(yīng)中DNA錯配規(guī)律研究的科學(xué)載荷”在美國佛羅里達(dá)州肯尼迪空間中心由負(fù)責(zé)運營國際空間站科學(xué)研究平臺的NanoRacks公司通過SpaceX公司“獵鷹9號”火箭乘坐龍飛船送往國際空間站。該載荷將在空間輻射及微重力環(huán)境下，在軌開展抗體編碼基因的突變規(guī)律研究。
按照既定計劃，龍飛船將于美國時間6月6日與國際空間站進(jìn)行對接，本次搭載項目的順利實施，將是中國空間科學(xué)項目首次登入國際空間站，標(biāo)志著中美空間科學(xué)合作取得了“零”的突破。根據(jù)雙方協(xié)議，美方將把北理工校旗帶到國際空間站，未來宇航員將在空間站內(nèi)展開，這是中國高校校旗首次出現(xiàn)在國際空間站內(nèi)，意義深遠(yuǎn)。
本次升空的北理工空間生命科學(xué)載荷，是科技部重大科學(xué)儀器開發(fā)專項和國防科工局民用航天專項支持下，由北京理工大學(xué)生命學(xué)院教授、國際宇航科學(xué)院院士鄧玉林團隊自主創(chuàng)新研制，是繼該團隊所研制的載荷在2011年“神舟八號”搭載、2016年“長征七號”首飛搭載以及2017年“天舟一號”搭載之后的又一次實現(xiàn)“太空之旅”。此次北理工載荷將被帶入到國際空間站美國實驗艙，實驗數(shù)據(jù)將傳回給北理工研究人員進(jìn)行后續(xù)的科學(xué)研究。
“小實驗” 破冰中美太空“大合作”
能夠由美方搭載，并進(jìn)入國際空間站，除了北理工在空間生命科學(xué)研究領(lǐng)域取得的成績得到國際充分認(rèn)可外，也得益于我校團隊對相關(guān)法律的認(rèn)真研究，并形成突破。2011年，美國國會曾出臺“沃爾夫法案”禁止美國國家航空航天局（NASA）及與NASA有合同關(guān)系的美國航天企業(yè)與中國航天領(lǐng)域進(jìn)行任何接觸和合作，該法案為阻止中美太空合作的“壁壘”。北理工生命學(xué)院鄧玉林教授團隊帶著北理工人特有的“敢為天下先”創(chuàng)新精神，大膽嘗試通過商業(yè)合作模式，在2015年8月與美國NanoRacks公司簽署協(xié)議，并通過各項審查，為國際空間站帶去首個中國項目，受到各方廣泛關(guān)注。
太空中的美國“龍”貨運飛船
此次搭載是中美兩國30年來在空間領(lǐng)域的首次合作，具有“破冰”之意義，通過商業(yè)合作模式實現(xiàn)中美空間站領(lǐng)域合作，也為中美太空合作開辟了新的途徑，開創(chuàng)了中美空間領(lǐng)域合作的新局面。
“小小”載荷開展“大量”研究
本次北理工的空間載荷從關(guān)注航天員生命健康切入，延展到空間環(huán)境影響微(分子)進(jìn)化的探索。空間飛行過程中航天員將面臨多種健康威脅，其中空間輻射和微重力是導(dǎo)致航天員生理功能失調(diào)的重要因素。團隊負(fù)責(zé)人鄧玉林介紹到：“在‘神舟八號’載荷實驗的研究中，我們發(fā)現(xiàn)了在空間環(huán)境中DNA變異的一些新現(xiàn)象，從而推斷空間環(huán)境之于基因突變可能與生物分子進(jìn)化有著重要的聯(lián)系。鑒于抗體是人體中較為保守的重要生物學(xué)元素，我們提出大膽的創(chuàng)新設(shè)想，將抗體編碼基因片段作為研究空間環(huán)境對分子進(jìn)化影響的模型，開展了此次空間實驗。”
據(jù)團隊主要成員北京理工大學(xué)生命學(xué)院副教授李曉瓊介紹，此次載荷是采用微型微流控PCR儀，對抗體DNA片段進(jìn)行在軌飛行狀態(tài)下的基因擴增，來模擬人類生命的延續(xù)與發(fā)展。在空間飛行結(jié)束后，分析基因突變規(guī)律，進(jìn)而探討空間輻射及微重力環(huán)境下的基因誘變機理。
最終測試和安全性評價前
實驗團隊緊張配液、加樣、封膠、測試等
“這是一項基礎(chǔ)性生命科學(xué)研究，具有重大的科學(xué)意義。團隊在國際上首次利用空間環(huán)境開展‘微進(jìn)化’研究，一方面有助于我們認(rèn)識空間環(huán)境對于生物進(jìn)化規(guī)律的影響，另一方面當(dāng)我們掌握基因突變規(guī)律，對其做出相應(yīng)改變和修飾，以更好的適應(yīng)環(huán)境，對預(yù)防和控制疾病有著重要意義，對人類發(fā)展具有重要的影響。”團隊成員生命學(xué)院王睿博士介紹到。
此次空間實驗不僅具有理論上的創(chuàng)新，在技術(shù)上也做出了多種新的探索。據(jù)介紹，團隊利用微流控芯片模擬人體發(fā)育過程，利用擴增技術(shù)模擬細(xì)胞中基因復(fù)制，實現(xiàn)對生命擴增與發(fā)展的動態(tài)過程模擬，從而掌握環(huán)境對基因擴增的影響；同時，團隊突破了在太空變溫條件下實現(xiàn)基因擴增的技術(shù)難題，“溫度過高會給芯片帶來巨大的壓力，容易產(chǎn)生破裂。2011年‘神八’搭載時，我們就攻克了這項難關(guān)——用微流控芯片來實現(xiàn)變溫PCR擴增技術(shù)，在‘狹小’的載荷儀器中，開展‘大量’的科學(xué)研究。”李曉瓊說。本次搭載共有兩組、12塊芯片，60個通道，將對20個基因在空間環(huán)境下進(jìn)行突變規(guī)律的研究。“能在體積如此嚴(yán)苛的載荷條件下，實現(xiàn)20種基因的突變規(guī)律研究，這一技術(shù)在國際上也是領(lǐng)先的。”王睿說。
“我們的招牌產(chǎn)品是人才”
神八、長七、天舟一號、國際空間站……每一次搭載都彰顯著北理工國防新型交叉學(xué)科空間生物與醫(yī)學(xué)工程在儀表、自動控制、信息電子與生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)的交叉融合方面已經(jīng)形成特色，展現(xiàn)出雄厚的技術(shù)實力，同時也在人才培養(yǎng)和團隊建設(shè)方面取得了可喜的成績。李曉瓊、王睿等青年骨干教師和楊春華、任浩、張朋藝、金晨、冷坤、韓杰和樊云龍等優(yōu)秀研究生和高年級本科生擔(dān)當(dāng)大任，重點實驗室張亞璽、柯紅梅和周迪在實驗技術(shù)和后勤保障上給予了極大支持，年屆76歲高齡的莊逢源教授不辭勞苦擔(dān)任顧問參與國際合作。這次任務(wù)由十余人的隊伍完成，分為科學(xué)和載荷兩個部分，每個部分都由青年教師和學(xué)生構(gòu)成。鄧玉林用“敢想、敢干、敢創(chuàng)新”來形容團隊中的師生。他說：“無論是科學(xué)還是載荷，我們都做到了多項創(chuàng)新，面對空間輻射、復(fù)雜機制、規(guī)律難以把握、整體實驗設(shè)計、核心芯片研制等一個又一個難題，我們從老師到博士生，每個人都非常刻苦努力，嚴(yán)格按照時間節(jié)點完成，團隊開辟了一種有效的模式，‘青年教師+學(xué)生’，并密切與企業(yè)對接，可以說是非常成功的模式范例。這次任務(wù)得到了長沙湘計海盾科技有限公司的大力支持。”
博士生任浩是從本科做畢設(shè)的時候開始進(jìn)入課題組，在僅僅一年多的時間里，跟隨項目組已經(jīng)開始了博士生課題，“從前我每天都要做PCR，覺得枯燥乏味，但是老師告訴我們，科研不是每天都要做出新成果，而是在重復(fù)中摸索規(guī)律，在規(guī)律中找出新發(fā)現(xiàn)。”任浩坦言自己是跟著項目一起成長。為了完成科研任務(wù)，她還與老師一起學(xué)習(xí)制作微流控芯片，“每天連軸做也只能做十幾片，雖然路途艱難，但堅持下來，成就感真的無法言語。”
鄧玉林坦言，一項項科研項目的開展不僅僅收獲了豐富的科研成果，更鍛煉了學(xué)生們攻堅克難的科研態(tài)度，加強了師生們的國際交往能力，歷練了他們的大局意識、全局精神，對于未來獨立科研和技術(shù)開發(fā)提供了難得的機遇。
李曉瓊認(rèn)為，每一次攻堅克難不僅僅是科學(xué)研究，更是人才培養(yǎng)的過程，通過學(xué)科交叉融合，希望有更多的優(yōu)秀學(xué)子加入到團隊當(dāng)中，為國家、為生命科學(xué)載荷研究做出更大的貢獻(xiàn)。他說：“我們的產(chǎn)品不僅僅是載荷，我們最招牌的產(chǎn)品是人才。希望通過國際、國內(nèi)對于北京理工大學(xué)空間生命科學(xué)的認(rèn)可，能夠為學(xué)校的發(fā)展、生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供更多的成果和更優(yōu)秀的人才。”
近年來，北京理工大學(xué)瞄準(zhǔn)世界科技前沿，立足服務(wù)國家重大戰(zhàn)略，充分發(fā)揮自身多年來在國防科技領(lǐng)域研究中積累的工程技術(shù)優(yōu)勢，加強生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科建設(shè)，著力學(xué)科深度交叉融合，實現(xiàn)了在空間生命科學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展。在國家重大項目的資助下，在上級和兄弟單位的大力支持下，抓住機會，實現(xiàn)北理工空間生命載荷的多次搭載，為我國深空探測研究做出貢獻(xiàn)，在國際空間研究領(lǐng)域形成影響。下一階段，北理工與歐洲太空局（ESA）在國際空間站的合作已經(jīng)啟動，相信在未來，北理工將在人類探索宇宙空間的偉大征程中，寫下屬于自己的精彩筆觸。
