南开大学李功玉：我的质谱前十年，从“菜鸟球员”到“菜鸟教练”的奇妙之旅

　　从收到中科大黄光明老师转发的贺老师邀请邮件至今，已过去数月有余。很遗憾没能赶上盛大的CNCP-2020《十年回顾》。思考了很久，也拜读了多篇优秀的CNCPer回顾文章，今天总算在南开园，敲下了《我的质谱前十年》这样一个平淡而真实的题目。一直在想是否用《我的质谱前半生》为题会更有吸引力。2012-2022，从中科大起步，踏入质谱分析的科研殿堂，我用了将近十年的时间，勉强完成了从一个质谱“菜鸟球员”(质谱分析方向的一年级研究生)到“菜鸟教练”(质谱分析方向的特聘研究员)的艰难转身。

然而，时至今日，在CNCP中我仍然是一名初学者，每天都在继续学习蛋白质组学及相关技术，争取成为一名合格的CNCPer。很荣幸能成为第三代CNCPer一员，也特别感谢贺老师和黄老师给予这样宝贵的平台与机会，我也得以从繁杂的课题组事务中偷得片刻闲暇，在2022年11月的某个傍晚晚饭过后，关上办公室透着微光的玻璃门，放下《视频会议中///请勿扰》的警示牌，随手开了一瓶“82年”的可乐，开始回顾这十年的点点滴滴与细细碎碎。这篇波澜不惊的流水账，期待能给大家茶余饭后带来些许谈资笑料，足矣。如能给年轻的CNCPer学生朋友们带来些许借鉴或者经验教训，也是我内心深处最大的满足啦。

　　梦起中科大：初识基础质谱

　　中科大是一个令人魂牵梦萦的地方。出国率高、理科强校、数不清的第一名，对于一个“菜鸟”研究生来说，这些就是中科大耀眼的标签。由于怀揣一个出国梦，因此选择了考研中科大并最终以专业第一的成绩被录取(后来才知道很多同学是保研进来的，根本就不用跟我们pk)。2012年3月底第一次来到科大见到年轻的黄老师。当时在教学楼与黄老师第一次见面聊了一个多小时，初步印象是，黄老师皮肤很好，人也很好。我感觉自我回答很完美的一个问题是：为什么选择分析化学而不是有机化学等其它方向(是因为分析轻松吗)?我说，分析方向相对绿色环保、无毒无害，但是要想出重要成果，肯定要付出加倍努力才行(多么朴实无华的表态)。在我自己当过好多次面试官以后，我才发现自己当时的回答有多么强烈地抓住一位年轻老板的心(此处手动偷笑中)。自此被黄老师选中，追随着黄老师的脚步，在黄老师入职科大大约半年后，我也顺利成为了Huang Lab的第一届硕士研究生。(其实我第一位联系的是邓兆祥老师，当时官网上还没有出现黄老师的太多信息。现在回想起来也要感谢邓老师的推荐，才得以有机会进入质谱分析行业。)

　　图1. 在Huang Lab搭建的第一个CE-ESI-MS接口装置图。

　　在中科大这五年，在黄老师的指导下，在科研课题方面，很惭愧仅干了三件小事：1)第一个课题是关于毛细管电泳-质谱接口开发，近乎失败告终(图1，后来课题转给师妹，共同作者发表1篇RCM);2)基于非接触式电喷雾离子化技术，提出了In-cell MS的概念(原位细胞蛋白质谱，借鉴了当时很火的in-cell NMR)，实现了细胞内高表达蛋白的直接进样质谱分析(图2和图3，发表2篇Anal Chem，其中图3是博士毕业前3个月，拿到了博后offer之后等签证过程中的一个quick publication);3)发展出毫秒级微电泳理论(可能与第一个失败的电泳课题有关)与毫秒级电磁感应加热理论，并整合离子淌度质谱(访问密西根大学)，实现了溶液蛋白高级结构动态变化的在线质谱实时监测(发表1篇Anal Chem)。

　　图2.在Huang Lab搭建的脉冲高压电源电路图、In-cell MS及高通量非接触式电喷雾装置图

图3. 博士毕业前3个月发表的一篇Anal Chem

　　中科大读博期间，有太多的难忘时刻。正如我的博士毕业论文上青涩的文笔所描绘的那般场景，我们致力于发展一种新型的蛋白质质谱监测方式，力争实现细胞内蛋白质的原位、快速监测与结构分析，核心的解决思路是利用超强抗基质干扰能力的离子化方法，并在活细胞内金属蛋白与配体相互作用等方面做了初步的尝试。至今仍会为尝试了6个月差点放弃的全细胞电喷雾实验而突然看到蛋白信号的那一瞬间所触动，起初黄老师和我自己其实都并不太确定最后能拿到信号。6个月的时间里，我们尝试了除了稀释样品外的几乎所有可能想到的方案，直到有一天，我不小心把细胞稀释液给配稀了3个数量级(“失误”)，隐隐约约在杂乱的氯化钠团簇离子背景峰中，看到了几个与众不同的多电荷态峰。虽然那时候的信噪比奇差无比，我顿时就预感了成功就在眼前了。剩下的只是参数优化而已。这个课题当时是和中科大化学系刘扬中老师课题组合作的，翻到当时给刘老师的邮件(图4)，当时还起了一个特别诗意的名字，One Spray One Separation。这个课题后来我总结起来，还是自己受限于思维定势了，当时一直想着寄希望提高样品量以此获得信号，不曾想过稀释、降低浓度可以减少干扰、提高离子化效率，毕竟惯性思维(思维定势)告诉我，细胞内的蛋白太少了。可是质谱是一个超高灵敏的检测仪器，甚至可以实现单个分子水平上的离子信号监测。虽然后来我们开复盘会的时候，有朝这个方向思考，不过最终并没有进一步实施，后来Albert Heck等相关课题组在charge detection-mass spectrometry（CDMS）仪器上就实现了类似的设想(发表了一系列高影响力文章)。（欲了解相关可点击：电荷检测质谱技术进展）

　　总结而言，中科大的这段时光是质谱梦的开端，在黄光明老师的指导下，我学会了基础质谱的相关知识，尤其是离子源方面。在黄老师自由宽松的学术氛围下，一切似乎都是那么从容，我可以做自己想做的课题，可以尝试自己不靠谱的想法，这种和谐的科研环境让我很多时候都觉得博士生活并不是人们宣扬的那样枯燥与无趣。这份心态陪伴我渡过了一个又一个关键的时间节点：2014年4月第一篇文章的发表，2015年6月第一次看到细胞内冷应激蛋白的信号，2015年12月与斯坦福大学Richard Zare教授在南京第一次面谈，2016年3月校青年基金获批，2016年4月成功抵达密歇根大学安娜堡分校Brandon T. Ruotolo教授实验室，2016年10月Anal. Chem.接收，2017年4月提交博士毕业论文。

　　图4. 2015年6月17日首次看到全细胞喷雾钙调蛋白的信号之后，给合作导师刘扬中老师的邮件

　　寻梦安娜堡：启蒙结构质谱

　　安娜堡给人的感觉就像是初恋，砰然心动、短暂相伴却也刻骨铭心。在个人职业发展方面，也特别感谢黄老师的大力支持，成功前往密西根大学进行短期交流。这次作为访问学生的身份前往安娜堡的经历，对我的人生走向起着至关重要的作用，彷佛打开了新世界的大门。我可以把所有的事情写成回忆录、拍成照片视频等共享，然而这种认识新事物的过程与体验，若非本人经历是无法体会的。

　　作为访问学生，第一次去美国，一切都充满未知，语言、饮食习惯、生活和社会环境，每天都给我带来冲击。当时Brandon刚好过了tenure考核，正在学术休假。因此与他直接面对面的交流机会并不多。大多数时间都是跟着实验室师兄师姐们学习离子淌度质谱。很庆幸在此期间接受了离子淌度理论、非变性质谱样品制备以及质谱数据采集及数据处理等方面的系统训练。短短的四个月时间，太多令人回忆起来觉得温暖的瞬间，报到那天是4月11日，负责帮我办手续的HR上来就是一句happy birthday，随后就拿到了后来失而复得的两张UM校园卡(图5)。2016年参加了人生第一次ASMS会议，一个人感受经济舱(第一次坐那种只有二三十个座位的小型客机)、乘坐灰狗长途汽车、换乘短途Uber穿梭在美国中西部大玉米地之间，安娜堡、普渡、俄亥俄州立以及UIUC香槟多个校区，朝发夕至。

　　图5. 两张UM校园卡(其中一张属于遗失又找回)

　　图6. ASMS-2016 Ruotolo课题组圣安东尼奥聚餐

　　翻看着旧照片，思绪万千。2016年和2019年，两次到访Ruotolo Lab，体验截然不同。图6是第一次访问时随课题组参加当年的ASMS年会，在圣安东尼奥(德州)当地一家牛排店，课题组聚餐前的大合影。那一次会议对我来说突如其来，规模之大、交流之深，完全超出我对学术会议的预期，由于我没有做好充分准备，一切都猝不及防，走马观花、热闹过场，却也收获了一批一面之交的、之后时不时线上交流的学术网友。学术上，我的结构质谱是从这里开始的，Ruotolo Lab教会了我离子淌度质谱的基础知识。在做文献阅读时我被Brandon发表在JACS和Angew上的三篇Hofmeister盐调控蛋白结构的文章所深深吸引。作为一个初学者，最快入门的方式就是模仿与重复别人的代表性实验。当时我对此执念很深，因此就开始动手重复那些让我痴迷的实验。Brandon那三篇文章主要是聚焦在盐本身对蛋白的一级质谱的信号挖掘，包括寡聚体组成以及碰撞横截面积CCS的变化等信息。我当时就很想知道，这些盐如果真的调控了高级结构，是否这些盐也能调控复合物拓扑学组装结构?我当时有一个猜想：有没有可能在特定盐的喷雾条件下，复合物的拓扑学结构能够得到更好的保护?因为在结构质谱领域，一直被人诟病的一个地方，就是我们直接测量的是脱溶剂条件下的结构，与溶液相真实结构之间必然存在差异。而这种差异具体有多少，尚缺乏有效的定量评估方法以及通用的差异缓和措施。

　　图7. 附带普渡大学Graham Cooks院士真迹的实验记录本

　　一次实验中我意外地发现，当我在经典的非变性质谱溶液中，加入低浓度的碳酸氢铵时，神奇的现象出现了：血红蛋白四聚体复合物的气相解离路径发生了显著变化。传统条件下，几乎所有文献和实验都会相信，四聚体会解离成单体和三聚体，这种解离路径与其溶液中“二聚的二聚”的结构特点是相矛盾的。而在我调整Hofmeister盐条件之后，这种传统认知被打破，四聚体优先解离为二聚体，而这恰恰是溶液相拓扑学结构的真实情况。在我去Purdue访问Aston Lab以及去Ohio State University访问Wysocki Lab时，分别与Graham和Vicki谈论了我当时引以为傲的新发现，试图从两位SID发明人那里得到机制解析方面的帮助。两位都对这个现象表示感兴趣，Graham还用一张便签纸写下了他从电荷态分布的角度给我的一些猜想建议(图7)。第一次观测到这个新现象是大约在抵达安娜堡一个月内。Brandon对此非常谨慎，为了说服他，我接下来的访问时间里，做了至少十种不同复合物体系，并从各种不同的侧面去试图解释这里到底发生了什么。正如博士导师黄光明老师经常在组会上说的那样，咱们做科研的，没有人会相信魔术。后来经过接近2年的断断续续补充实验(图8)，我们发现这可能和pH改变之后邻近的双硫键易发生交联有相关性，最终Brandon选择将文章发表在IJMS的一期结构质谱约稿专刊上(尽管我当时有一万个不愿意，从一个初学者的执拗与不成熟的角度看，这种新奇的发现怎么都可以发到一个影响力更高的杂志上)。

　　图8. 论“喷针质量对于非变性结构质谱实验成功重要性” ——UM实验记录本

　　2019年夏天，在美国质谱学会博士后职业发展奖的支持下，我再次来到Ruotolo Lab，再次感受安娜堡夏天的尾巴。只是这次是短暂的两周交流，来之前我就一个一个联系之前一起住在Arbor Village、周末一起打球的好朋友们，包括现在已经回到浙大任教授的优秀结构生物学专家张岩老师(青千、长江、青年973首席科学家)，只是大家大都已经搬走离开或已回国。我自己选择住在一个更远的、公交车可以直达的地方，想着进一步感受安娜堡downtown远端的生活。这一次，UM给我重新启用之前的学号，课题组安全培训表上我的两次签名之间竟然还没有翻页(亲切感油然而生!)，实验室也仍然沿用之前大家商量安排质谱机时的传统(图9)。这一次我来的主要任务是学习结构质谱指引下的分子模拟方法(图10)，然而很遗憾，两周的时间还是太过短暂，我并没有完全掌握分子模拟本身，在课题组成员的帮助下，我只基本掌握了在拿到分子结构后，如何用我们的结构质谱数据去匹配、筛选、构建气相条件下的蛋白结构。而图10是当时我在离开安娜堡之前，为了防止我离开课题组以后就忘了怎么做，带我做模拟的Chae要求我在黑板上写下来的工作流程。这一张照片已经成为了我实验室(LimsLab)分子模拟初学者的第一手教材。看着图5的校园卡，猛然发现，还在有效期内，期待疫情过后，重返安娜堡的画面。

　　图9. Ruotolo课题组安全培训记录(2016+2019)与质谱实验安排表。

　　图10. 结构质谱指引下的分子模拟过程(2019年8月，写于安娜堡Ruotolo Lab)。

　　驻扎麦迪逊：感受定量质谱

　　麦迪逊的经历印象深刻，酸甜苦辣，受益终生。从2017年8月至2021年1月，我在麦屯过了四个中国年。期间没有回国，后来疫情来了，也就直接放弃了回国休假的打算，直到回南开的那一天。麦屯是全美宜居幸福指数排名第一的城市，也是我人生中待过时间第四长的一个城市，同时也是我在美国待过时间最长的一个城市。难忘的生活细节太多，也认识了超级多好朋友兄弟姐妹。竟然一时间不知从何处下笔。今天回想起来，还是觉得时间过得太快，过去四年的时光历历在目，仿佛一切就在昨天。

　　图11. 博士后导师Lingjun赠送歌手赵雷亲笔签名CD，2019年3月23日，药学院办公室。

　　非常荣幸加入李灵军老师课题组Li Lab进行博士后训练。印象中Lingjun一直都非常忙，Li Lab课题组大小事务都要操心，几乎每天都工作到凌晨两三点，在凌晨收到李老师的邮件或者信息也不足为奇，当然如果你的邮件被淹没在茫茫list中也偶有发生。记得当时联系李老师申请博后位置，李老师就是在我发送第二封邮件时才回复。Li Lab课题组的研究兴趣广泛，但是以定量质谱方法开发为核心，Lingjun在这个方向上还获得了美国质谱学会ASMS专门给中青年科学家设立的、一年仅颁发一位的重量级奖项Biemann Medal(李老师获得的荣誉如果全部列出来，将占据我这篇文章一半以上的篇幅，建议感兴趣的读者请自行查阅)。Lingjun最让我佩服的一点是，可以常年不花时间锻炼身体，却似乎从来不感冒不生病，一年365天铁人般坚守在工作岗位上。平时的爱好，主要是追追星(图11，赵雷)以及朋友圈发发美食美景和美图。

　　犹记得当时，刚好前期主要负责离子淌度相关方向的贾辰熙师兄回国(现任北京蛋白质中心独立PI)，而我在Brandon那边有一些离子淌度的训练背景，加上有NIH的基金需要这个方向继续发展，最后顺利进入了Li Lab，成为麦屯定量质谱大团队的一员。李老师备受领域内同行的尊敬与认可，作为李老师的学生与课题组成员，我们也深得其益，每次出去开会提到Madison Li Lab就能得到wow的大声回应，而我自己也得益于Lingjun的reputation，成功申请到ASMS的博士后职业发展奖(Postdoc Career Development Award)。这对于我的职业生涯确实起着很大的鼓舞作用，并以此为契机，推动着后面的每一步探索。

　　图12. “快速入门”的一篇文章(手性修饰质谱方法学开发)。

　　博后期间，协助指导了几名研究生，负责维护管理离子淌度质谱Synapt G2，参与撰写了几份NIH基金并发表了五六篇论文，代表Li Lab在ASMS年会上做了两次口头报告。科研方面，总结起来，很惭愧在Li Lab仅干了以下两件小事：

　　(1)定量质谱方向，一事无成，只是在最后一年时间里(拿到南开的offer之后回国之前)，跟着实验室的小伙伴们，学会了4-plex DiLeu的简单合成与组学定量应用，没有在这个方向上帮助Li Lab做出任何贡献(而我自己到今天还在后悔，如果给我更长的时间，我一定会把蛋白组学样品制备、数据处理、定量测量等方面加强，组学质谱技术太强大了!)。当然，在我现在自己课题组LimsLab，我正在弥补这个遗憾，我的学生们目前也正在DiLeu定量质谱的道路上摸索着前行，争取能将DiLeu探针推广到完整蛋白标记领域中。

　　图13. “厚积薄发”的一篇文章(纳秒光化学点击反应助力原位蛋白质谱分析)。

　　(2)结构质谱方向，三年多的时间里，主要在以下三个方面取得一点小的进展：发展了面向蛋白结构微小差异的高通量构象操控新策略AIU(发表1篇AC+1篇JASMS);借鉴印第安纳大学Clemmer Group多维分离单糖小分子的思路，发展了多维差异放大结构质谱新策略，并成功应用于手性多肽的快速结构拆分(图12，如果没记错，这是Li Lab近年来的第一篇Nat. Commun.);受荧光热电泳实验启发，开发了质谱兼容的纳秒光化学点击反应，实现了蛋白原位检测与结构标记分析(图13，如果没记错，应该是Li Lab近年来的第二篇Nat. Commun.)。前两个工作我现在的学生也在follow，似乎他们现在很喜欢使用相关的技术方法，而第三个工作，我当时在Li Lab协助指导的博士生也跟着拓展，应用到小分子代谢物的检测分析中，今年发表了一篇AC。第二个工作我把它标注为“快速入门”，第三个工作则为“厚积薄发”，主要原因在于课题的完成过程截然不同，前者的关键数据是在我抵达麦屯一个多月就拿到了(美国入境签证为证，哈哈哈)，而后者则是我构思了很长时间的一个idea(2017年开始构思)，经过漫长的摸索调整，才以最终发表的样子呈现在大家面前。

　　2020年2月，一场突如其来的新冠疫情席卷全球。所有人的生活方式均因此而改变。犹记得最后一次驱车前往UIUC校园，Jonathan Sweedler实验室使用TIMS仪器就是2月底，当时还特别幸运，在大玉米地香槟这座城市遇到了受Jonathan邀请来化学系做特邀报告的Dick Zare(图14，右下倒数第二张)。这也是除了我去斯坦福Zare Lab访问期间与Dick在美国的唯一一次会面。从此之后，大家经历了居家办公、线上组会、带薪休假的艰难岁月，后来给南开投了第一封求职信便很快收到学院回复，再后来就是和Li Lab的各位小伙伴线上告别(图14，Lingjun很贴心地拼贴了我们故事的点点滴滴，包括第一次线下和李老师在海口国际分析化学年会见面的青涩照片，右下，太感动啦)。

　　图14. 2021年1月，与Li Lab的各位小伙伴们线上告别。

　　南开再起航：创办LimsLab

　　南开是一个既熟悉又陌生的全新环境，无限可能、机遇大于挑战，因此充满期待。南开化学在我投递求职信的第二天就给了我面试通知，并在面试后一周内毫不犹豫地通知我通过了学院的面试。我也在随后毫不犹豫地接受了这份来自南开的爽快offer。于是开始筹建实验室，回国前就在构思自己实验室名字，博后实验室叫Li Lab，最后把自己的实验室叫做LimsLab(图15)，寓意为Li-MS-Lab或者Li-IMS-Lab。如其名，LimsLab将打造以离子淌度质谱为核心技术的大分子结构质谱分析实验室。

　　图15. 南开大学大分子结构质谱分析实验室Logo。

　　2021年2月25日，我第一次来到天津，第一次来到南开，高效完成了各项报到工作。至此，可以算得上是完成了从“菜鸟球员”到“菜鸟教练”的角色转换。虽然之前也曾帮助实验室做过一些相关的服务工作，而只有此次真正完成角色转变之后，我才深刻意识到一位导师所面临的事物有多繁杂，尤其是对一个从毛坯房白手起家的“菜鸟教练”(图16)。每次被要求填写业余爱好时，我都会毫不犹豫地写下“篮球”这两个字。如果把科研事业当成篮球爱好，首先要建好球场，然后要招募球员。而在这些工作之前，最为重要的是，作为这样一个身兼数职的“菜鸟教练”，虽然有学校给提供的start-up启动经费，还需要时时刻刻思考着如何“融资”，而不断构思着说服“资本家们”给你投资的理由。

　　庆幸的是，在各位同行专家的大力支持与鼓励下，经过快两年的摸爬滚打，LimsLab目前运转逐渐步入正轨，课题组目前拥有操作室(图17)、质谱室(图18)、制样室(图19)、细胞间和学生办公室等多个活动空间，仪器设备有适用于蛋白组学高通量定量分析的Orbitrap Eclipse(依托生科院)、Fusion Lumos(依托药化生国重)，有高分辨结构质谱离子淌度仪Cyclic IMS(依托海河实验室)和经典结构质谱仪Synapt G2(依托国重)，近期也着手采购非变性大分子结构质谱QE UHMR仪器。同时，实验室的小伙伴们还一起盲盒般开箱了一台适用于离子源等方法开发的Orbitrap二手质谱仪器(图20)。除配套设备外，LimsLab课题组目前经费充足，拥有研究生和科研助理十余名科研人员，现亟需在定量蛋白组学、合成化学和计算模拟化学等方向的博士后研究员加入，以充实、完善LimsLab队伍，尽快提升团队的整体科研素养与综合水平。待遇由你定，要求仅一条，那就是对高水平科研工作有足够的热情与向往。

　　随附LimsLab课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/gongyu_li

　　同附PI联系方式：李功玉(ligongyu@nankai.edu.cn)

　　再附PI简介：李功玉，南开大学化学学院，研究员、博士生导师。入选国家高层次青年人才计划(2021)、主持科技部重点研发青年项目(2022)。2017年毕业于中国科学技术大学，获理学博士学位。 2017年至2021年在美国威斯康星大学麦迪逊分校开展博士后研究。2016年和2019年两次前往美国密西根大学安娜堡分校交流访问。2021年2月加入南开大学化学学院，成立LimsLab课题组，研究方向为大分子结构质谱分析。

图16. “菜鸟教练”的必修课之毛坯实验室装修(拍摄于2021年3月)。

图17. 南开大学LimsLab实验室操作室(拍摄于2022年11月)。

图18. 南开大学LimsLab实验室质谱室(拍摄于2022年11月)。

　图19. 南开大学LimsLab实验室制样室(拍摄于2022年11月)。

　　图20. 南开大学LimsLab实验室成功自主拆机(拍摄于2022年11月)。