李栋：看清细胞更深处（讲述·弘扬科学家精神）

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

内容提要：李栋，1983年生，云南个旧人。中国科学院生物物理所研究员、生物大分子国家重点实验室研究组长，主要从事超分辨显微成像技术研制及其生物学应用研究，系统掌握了超分辨显微镜的关键技术，提出了新的成像方法，关键指标达到国际领先水平；研究成果“掠入射结构光超分辨成像技术发展与应用”入选2018年度中国科学十大进展；曾获中国科学院青年科学家奖等多项荣誉。

李栋在实验室里调试设备。　　本报记者施芳摄

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李栋，1983年生，云南个旧人。中国科学院生物物理所研究员、生物大分子国家重点实验室研究组长，主要从事超分辨显微成像技术研制及其生物学应用研究，系统掌握了超分辨显微镜的关键技术，提出了新的成像方法，关键指标达到国际领先水平；研究成果“掠入射结构光超分辨成像技术发展与应用”入选2018年度中国科学十大进展；曾获中国科学院青年科学家奖等多项荣誉。

又是一个深夜，中国科学院生物物理所一间简朴的办公室里，李栋时而快速敲击着键盘，时而盯着三个标准显示屏大小的电脑屏幕凝神思考。身后的白板上，画着光谱图、光路和融合基因结构。

“生命科学是各个学科的交汇点，是一个蕴含着无限可能的研究领域”

李栋出生于云南个旧的一个彝族家庭，当护士的母亲希望他学医。2002年，填报高考志愿时，李栋对浙江大学光学工程专业很感兴趣，便填报并成功被录取。开学第一课，当看到老师用自主研制的高速摄像机拍摄的视频时，李栋被深深地震撼了。

“我来对地方了，一定要像前辈们一样干出一番事业来！”李栋暗下决心。大学4年，他除了去自习室学习，就泡在实验室。他不满足于掌握一个个知识点，而是下功夫梳理了学科的知识体系。后来，李栋攻读博士时，开始接触“生物光子学”这一交叉学科，“生命科学是各个学科的交汇点，是一个蕴含着无限可能的研究领域。”

相较电子显微镜，光学显微镜能对任意蛋白分子在活体条件下进行连续追踪，对于生物学研究意义重大。但长久以来，光学显微成像技术受制于阿贝极限，分辨率无法超过200纳米，不足以看清动辄几纳米、几十纳米的生物大分子。

为了突破阿贝极限，2011年，在做博士后期间，李栋选择了当时较为冷门的一条研究路径——结构光照明。

两个正弦函数相乘，波函数的频率会增加。李栋从这个数学公式中找到灵感：给出两个不同颜色的光源，让它们的波峰与波峰互相叠加，从而突破原有的极限，就能大大地提高分辨率。

这一思路对光学系统的色差矫正极为苛刻。譬如，如何实现两种激发光波函数的“波峰对波峰，波谷对波谷”？波函数的周期将近150纳米，而光学显微镜的成像视野大概为50000纳米，这就意味着，要在半根头发丝粗细的成像视野中，调整两个分别出现3000多个周期的波函数。倘若两个波函数没有对齐，又该如何检验？

将近两年时间里，李栋阅读了大量文献，模拟计算分析，最终与合作者开发出新的软件算法，仅需利用标准的光学元件，优化不同波长结构照明的周期，即可补偿不同波长之间的色差，并开发出相应的高雄率校准流程，使得“结构光激活、结构光激发”的思路可以在工程上实施。

转眼到了2012年年末，窗外下着大雪，实验室内依然忙碌。取了样本细胞，李栋开始测试新技术方案的效果。

显微镜下，从衍射极限分辨率100纳米再到60纳米，细胞内微丝骨架的脉络逐渐清晰。盯着屏幕，喜悦从心底蔓延开来，李栋只觉得看不够，索性把对比图作为屏保，一遍遍地给同事们介绍。

李栋首创的高数值孔径非线性结构光照明显微镜技术一举打破了100纳米局限，把活细胞高速成像的光学分辨率提高到60纳米，让科学家们有机会在活细胞中清晰地看到生命活动的精细动态。这一成果登上了2015年《科学》杂志封面。

“搞科研不能单打独斗，需要科学家们携手攻关”

2015年，李栋来到中科院生物物理所，从事超分辨显微成像技术研制及其生物学应用研究。

物理、光学工程、自动化控制、精密机械设计……李栋所在团队现有20多人，涵盖8个学科方向。他们的工作包括物理原理应用、工程搭建、自动化控制、生物样本制备观测等多项内容。