陶飛
上海交通大學生命科學學院 研究員
在今天這樣一個鼓勵創新的時代，很多人都會覺得走交叉學科之路勢在必行。以成員衆多、學科齊全、創新活力旺盛為特征的上海科技啟明星群體能否提供一些交叉學科的成功案例？一提起這個話題，筆者馬上就想到宰建陶和陶飛兩位星友。
他們同為2018級星友，分别就職于上海交通大學化學與化工學院和生命科學學院。在2018年市科委組織的當年入選星友的頒證交流會上，兩位交大人相知相識。正是在那次交流會上，彼此聊到了各自的科研方向和希望得到的幫助。彼時陶飛正在為尋覓一種納米材料而傷神，而這種材料在宰建陶所在實驗室裡卻是平常之物。兩人由此聊到各自的研究志趣，大有相見恨晚之感。會後兩人走動頻繁，交流熱絡，短短三年間已形成了三項合作成果，第四項也在籌劃推進。
筆者在之前的啟明星通訊上曾報道過宰建陶、陶飛兩位星友開始交叉學科探索的資訊。2020年在籌辦第四次“雙碳”主題的啟明星論壇時，宰、陶兩星友聯袂發來“電驅動微生物固碳”的主題報告，這是他們合作推進的第二項交叉合作的内容。此話馬上勾起筆者對兩人做這次啟明星聯合采訪的沖動。這次采訪從中午一直談到傍晚六點，足足6個小時，采訪筆記整整17頁。這在啟明星采訪史上是破紀錄的。兩位星友各有怎樣的經曆？是什麼因素讓他們能在交叉互補的路上走得比較順？對基礎研究，對如何走通交叉學科之路又有何獨到的心得？
從陶飛星友的成長故事說起。
喜好觀察好動手，7歲能“修”拖拉機
陶飛1983年生于安徽宿州。父母均務農，父親還祖傳習得一門木匠手藝。“耕地的犁在木匠活中是公認的高難度手藝活，隻有我爸能做，他做的犁用來耕地省力，甚至周邊幾個縣都有人慕名而來。”盡管這一絕活随着拖拉機時代到來慢慢失傳，但說起父親的木匠活，陶飛印象深刻：“從小我就是父親的幫手，幫他拉鋸，鑽孔時拉鑽，耳濡目染。我自己也能幹一點小木匠活，比如三四年級時就用木頭做成了一個可以打開的儲蓄罐。當時我也是偷偷學偷偷幹，父親不支援我，要我多讀書。但父親看到我做的小儲蓄罐蠻像樣的，也很欣慰。這些兒時習得的能力與後來自己動手做實驗裝置很有關系。”
說起兒時生活和能力的培養，陶飛說自己小時候特别喜歡觀察。“小時候沒有見識過拖拉機、汽車，一聽到拖拉機進村就會追着拖拉機跑，隻要拖拉機一停下來就會圍着看，看它的輪子、馬達，有機會就爬上去坐一坐。”陶飛大約7歲時，家裡買了拖拉機，這可把他樂壞了，看了一遍又一遍，幾乎把它的結構都記了下來。有一次家裡的拖拉機出了故障，請了師傅來修，但修了半天還是不能開，師傅也找不出原因。師傅走後，陶飛跑過去對爸爸說可能是離合器裝反了，上次看到的不是這樣的。陶爸死馬當活馬醫，父子倆拆下來一試，果然裝反了。“這也是我的觀察能力幫了忙，如果沒有這種能力，科研中很多事就會做不好。”
瀕死體驗促頓悟，偏科少年成學霸
但是這種可貴的觀察能力、動手能力沒給剛上學的陶飛帶來好處，相反，因為花了太多時間玩，不喜歡做作業，他上學後的成績一直不好，最差的時候是在班裡倒數第三名，老是挨老師批評，家人都認為他不是讀書的料。但是，不願意循規蹈矩學習的陶飛卻喜歡擺弄各種機械，喜歡玩自行車，拉煤的平闆車都會成為他喜歡玩的對象。兩個姐姐的實體課本他看後覺得好玩，課本上講到電動機怎麼運轉馬上吸引了他，他就想手工去做電動機——按照書本的講解把電器上的銅絲拆下來繞線圈做電動機。而當時家裡人對他熱衷動手都是反對的，在不少人眼裡，陶飛就是一個不好好學習的學渣，甚至當時所有的老師同學都認為這個孩子日後難以在學習上有什麼出息。這種狀态一直維持到初一。
初二時，學校開了陶飛喜歡的實體課。這些實體課本上的内容陶飛都看過，一考試就感覺這些題目都會做，他的實體成績居然是全班一二名。班主任像是發現了人才。但是班主任對他說隻是實體好，其他科目這麼差是不行的。後來發生的一件事深深觸動了陶飛，他痛下決心，決定學好其他課。
初二的暑假，有一次陶飛在村裡的池塘裡玩水，池塘底部有很多取土留下的深坑，陶飛腳一滑就陷到坑裡，周圍也沒有可以攀援的東西，腳不着地，感覺身子在下沉，拼命想呼救但一緊張已經叫不出聲，隻是手還在拼命動，也就幾秒鐘水就沒過他的頭。這是瀕臨死亡的一瞬，那種無助絕望的感覺令他至今曆曆在目。
幸好當時不遠處有一位成年人發現了他，并把他救了上來。“這幾秒鐘裡于我像是跨越了陰陽兩個世界。”這次“死而複生”的經曆讓陶飛突生一種頓悟——死亡離一個人并不遠。他想起了爺爺和老師的話，要麼做木匠，要麼下決心好好學習。他從那天起内心突然生出了一種悲壯的情緒——人活在世上，時間非常有限，要做有意義的事。“也因為在死亡邊緣上逗留過，我便生出了一種不怕死和敢拼的勁頭，願意不計代價、不考慮回報地去付出努力。”
從那以後陶飛就像換了一個人，他用自學的方式把初一、初二的國文課本都重新學了一遍，初一到初二的英語課本也都重新背過，而這兩門課是他當時最差的。“那段時間經常學到淩晨兩點，然後早上七點起床上學。除了刻苦努力，方法上也有一些改進，如每天寫日記、與同桌進行背書比賽等。”花了整整一年時間，陶飛把前面兩年的課惡補回來，原來一年用不完一支筆芯，最後一年用了幾十支，成效非常明顯，國中的畢業考試考了全鄉第一名，上了縣城的省級示範中學。這種不松懈的狀态一直維持到高中，高中也一直保持着班級前幾名。
聯考時，陶飛身體狀況不好，考完試當晚就發高燒到42度。盡管最後分數超過了重點線，但是離陶飛理想中的中國科技大學還有距離，考慮到家庭經濟等原因，他最後選擇了山東大學，被生命科學學院制藥工程專業錄取。
老師校車一番話，改變陶飛人生路
陶飛在山東大學讀了9年，從大學到博士畢業。大學的專業偏藥學，大三時他進了許平老師的實驗室。之前有一次在校車上，有一位女老師與陶飛聊天時提醒他現在起就要考慮今後要做什麼，不能隻是埋頭讀書。陶飛至今很感激這位老師的點撥，這也是他大三就進實驗室的原因。初進實驗室的陶飛，滿眼看到的都是神奇的東西，眼界大開。許平老師讓他跟着學做燃油生物脫硫的實驗，這也成了他博士階段的研究課題。
大四畢業時，陶飛就取得了創新的階段性成果，博二時在領域内主流雜志發了文章，拿了獎學金。陶飛說許平老師很開明，給了非常大的自由度，他嘗試做了很多基因組操作相關的挑戰性課題。盡管這些探索大都沒有結果，但卻從中積累了不少方法，也了解了學科前沿。
陶飛是幸運的，他讀博的那幾年正是合成生物學處在孕育突破的前夜。陶飛那些天馬行空的探索性工作也為他以後進入這個領域打下了基礎。2007年，許平老師作為微生物領域的知名科學家被上海交大引進，需要在交大建立新的學科方向，陶飛作為許平團隊主要成員，在博士畢業後，也就是2010年，跟着許老師入職上海交大。
陶飛與宰建陶合作做實驗
智能代謝重程式設計，關鍵時刻獲“星”助
來交大後，許老師就以陶飛為助手建立了工業微生物-合成生物學方向。陶飛2011年拿到了國家自然基金委的青年項目，這也是基金委支援的第一批合成生物學的方向。陶飛當時的方向就是改造微生物用于生産各種化合物，也就是現在說的“細胞工廠”。
其中改造光合藍細菌以光能和二氧化碳生産各種有用化合物的内容就是現在比較熱門的“光驅動細胞工廠”方向。要設計細胞使其合成化合物最大的障礙就是細胞的代謝網絡過于複雜，其複雜程度不亞于人的神經網絡，但是現有的認識十分有限，想要理性幹預細胞代謝網絡幾乎無從下手，且工作量非常大。在沒有方法上的突破前，隻能不斷通過試錯來慢慢摸索。
做了幾年，到2014年，陶飛團隊就提出能否換一種思路，找出代謝網絡的關鍵“敏感點”，通過敏感點的幹預和智能的設計來操縱代謝網絡。這樣就提出了一種智能代謝重程式設計的概念，團隊以此做嘗試，并完成了一些比較成功的工作。2017年末，為了繼續推進智能代謝重程式設計方向，陶飛申請了啟明星課題，并于2018年獲得了資助，支援他在這個方向繼續探索。“這個40萬的啟明星項目對我們這些高校年輕教師而言特别可貴，它能讓我定下心來，也逼着我去把好的想法一步一步做下去。
正是有了啟明星計劃的牽引，我才能在這個方向上繼續做系統的工作。後面以這個方向的研究為基礎，2019年我又申請到國家重點研發計劃青年科學家項目，2020年申請到青年長江學者獎勵計劃。”陶飛告知，解析細胞代謝網絡的工作仍在推進中，并且已開始和人工智能合在一起。代謝網絡可以看成一個超級複雜的黑箱，解決黑箱問題正是人工智能所擅長的工作。有了人工智能的加持，也許可以在不詳細了解代謝網絡内部機制的情況下，預測和判斷給定條件下代謝網絡的性質，比如産物濃度、生産效率等。盡管現在還在過程中，但陶飛認為已經離破解細胞代謝網絡之謎不遠了。
MIT受訓得啟示，學科交叉奠基礎
在交大工作的過程中，陶飛在2013年曾去麻省理工媒體實驗室比特原子中心做了一年通路學者，參與了蛋白質工程和提高蛋白質穩定性的膜蛋白工作。MIT的媒體實驗室是世界知名的交叉學科研究先驅，計算機、網際網路、機器人、生物、藝術等學科在這裡都可以做大跨度的融合。實驗室的開放式設計及獨居匠心生活區布置非常友善研究人員交流探讨。也是在那裡陶飛的學科交叉的思想被進一步訓練激發出來。
陶飛在MIT
2014年回到交大後，他就想做一些跨學科的探索但一直找不到合作機會。2018年國外有學者提到過半導體合成生物學的概念，陶飛馬上意識到做生物傳感——特别是氣味傳感——是切入半導體合成生物學的契機，恰好當時在啟明星頒證交流會上遇到做納米技術研究的宰建陶星友，就開啟了合成生物學與納米學科交叉的研究曆程。
-本文選自《世界科學》雜志2022年第1期“今日啟明星”欄目-
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