化學獎：照亮了那些本不可見的世界

蔡如鵬

“我們需要支持一大批埋頭于科學研究的科學工作者，不要急于讓他們產(chǎn)生社會效果；當我們有很多這樣的科學家得到實質(zhì)支持后，自然會有一部分有重要發(fā)現(xiàn)。這一小部分人的回饋，將大大超過社會對科學的投入”

今年諾貝爾化學獎的主角是一種發(fā)綠色熒光的蛋白質(zhì)——綠色熒光蛋白(GFP)，三位獲獎科學家下村修、馬丁·沙爾菲和錢永健的工作均與它有關(guān)。

天然綠色熒光蛋白存在于水母中，和另一種發(fā)光物質(zhì)水母素一起，賦予了這種柔軟的生物在海水中發(fā)光的能力。

下村修是第一個從水母中分離出綠色熒光蛋白的生物學家；馬丁·沙爾菲則首次把綠色熒光蛋白引入其他生物體內(nèi)，展示了它作為生物示蹤分子的價值；而錢永健成功地對這種蛋白進行了改造，讓它成為現(xiàn)代生物科學最重要的工具之一。

“綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)和改造可與顯微鏡的發(fā)明相提并論。在過去的10多年中，它已成為生物學家的引路明燈。”諾貝爾化學獎評選委員主席貢納爾·馮·海伊內(nèi)評價說，“借助這盞明燈，我們已經(jīng)研究出監(jiān)控腦神經(jīng)細胞生長過程的方法，這在以前是不可想象的?！?/p>

目前，全球幾乎所有的生物實驗室都會用到綠色熒光蛋白。有評論說，三位獲獎?wù)呤蔷G色熒光蛋白研究上的三座里程碑——正是他們的接力，才讓這種已存在了1億多年的神奇蛋白照亮了那些本不可見的世界。

科學界的“阿甘”

現(xiàn)年80歲的日裔下村修居住在美國波士頓郊外的小鎮(zhèn)伍茲·霍爾。自從1980年到這的海洋生物學研究所工作以來，他就一直生活在這里。

伍茲·霍爾臨近大海，每次的潮汐都會把一種巴掌大小水母成群地送上岸來。對于這些小家伙，下村修是再熟悉不過了，他和它們打了一輩子交道。他說：“我一生一共撈了85萬只水母。”

下村修是從1960年開始研究水母的。那一年，他在日本名古屋大學獲得有機化學博士學位后，漂洋過海到美國普林斯頓大學做博士后。在普林斯頓，下村修開始對水母產(chǎn)生了興趣。當時，他的初衷非常簡單，就是想弄清水母為什么會發(fā)光。

為了收集到足夠的水母做研究，下村修經(jīng)常去海邊撈水母。有時，忙不過來，他就發(fā)動妻子和孩子一起去。在那段時間，他們一家人有時一整天都是拎著小桶在海邊度過的。他曾在一篇文章寫道：“五年過去了，當我的孩子長到八歲的時候，已經(jīng)能撈得像成年人一樣快了?！?/p>

到了1974年，下村修終于從水母中分離出了綠色熒光蛋白。

綠色熒光蛋白和水母中另一種發(fā)光蛋白水母素不同，它不需要借助其他物質(zhì)，自身就可以發(fā)光。前者好比太陽，而后者像似月亮。北京大學生命科學學院院長饒毅介紹說，水母素是熒光酶的一種，這類發(fā)光現(xiàn)象之前就有人研究，而發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)本身發(fā)光，下村修是第一個。

盡管發(fā)現(xiàn)了綠色熒光蛋白，但下村修本人對它的應(yīng)用前景不敏感，也未意識到應(yīng)用的重要性。他的發(fā)現(xiàn)完全是出于好奇。

幾年后，下村修轉(zhuǎn)到海洋生物學研究所從事這項工作，直到2001年退休?；丶液?，他仍然放不下，把家里的地下室改造成實驗室，繼續(xù)研究。

幾十年來，始終埋頭工作的下村修一點也不懂得“推廣”自己的研究成果。在很多人看來，他甚至有點“呆”。52歲離開普林斯頓時，仍然還是一名博士后。直到退休，也沒獲得過什么象樣的獎勵，在同行中更是默默無聞。甚至在綠色熒光蛋白被廣泛應(yīng)用多年后，很多生物學家都不知或搞錯其發(fā)現(xiàn)者。

湖南大學劉全慧教授評價說，下村修有些像美國電影《阿甘正傳》中一輩子執(zhí)著于奔跑的男主角阿甘——對科學完全出于內(nèi)心的好奇，不追求名利，自得其樂。

而對于這次問鼎諾貝爾獎，這位科學界的阿甘也只是把它當作“偶然的幸運”。

“死物學”變成“生物學”

最早意識到綠色熒光蛋白價值的可能是下村修海洋生物學研究所的同事普臘石。他想，如果想研究的其他蛋白也能發(fā)光，豈不是大大方便了觀察？

在綠色熒光蛋白應(yīng)用之前，如果要研究活體生物中的生命活動，往往是把熒光化合物結(jié)合到對應(yīng)的蛋白上。但這種方法的缺點很多。第一是熒光化合物可能有毒，會影響正常生理活動；第二，蛋白注射需要特殊的設(shè)備和專業(yè)訓練;第三，每研究一種蛋白，就必須先分離這種蛋白。這些都極大地限制了生物學家研究活體生物的能力。

饒毅說，當時不少生物學研究都是在殺死細胞后進行的，實際上是從“死物”上來推測生物的情況。

1992年，普臘石克隆出了綠色熒光蛋白。但當他向美國國家科學基金申請經(jīng)費，想繼續(xù)研究時，評審者說沒有蛋白質(zhì)發(fā)光的先例，就是找到這種蛋白，也沒有意義。一氣之下，普臘石放棄了科研，轉(zhuǎn)向其他行業(yè)。這也使他錯失了今年的諾貝爾獎。

事實上，當時普臘石只要再往前邁出一步——做一個簡單的轉(zhuǎn)基因?qū)嶒灐涂勺尵G色熒光蛋白在其他生物體內(nèi)發(fā)光。完成這一步的正是日后獲得諾貝爾化學獎的美國哥倫比亞大學教授馬丁·沙爾菲。1994年，他成功地讓綠色熒光蛋白出現(xiàn)在線蟲體內(nèi)。這個發(fā)綠光的線蟲立刻引起了生物學界的轟動。

上世紀90年代初，生物學家已經(jīng)具備很強的操縱基因的能力，對基因進行修飾已是實驗室的常規(guī)操作。馬丁·沙爾菲的成功讓大家意識到，只要把綠色熒光蛋白的基因接在需要研究的蛋白基因上，就等于給被研究的蛋白帶上了一個熒光標簽，而不必用此前的蛋白分離、注射等技術(shù)。

這大大降低了進行活體生物研究的門檻，“死物學”開始真正向“生物學”轉(zhuǎn)變。

如果把馬丁·沙爾菲的獲獎全部歸功于幸運，顯然并不準確。1988年，他在一個學術(shù)會議上偶然聽說綠色熒光蛋白后，就對它情有獨鐘。不僅迅速調(diào)整研究方向，還大力宣傳綠色熒光蛋白的應(yīng)用前景。事實上，正是沙爾菲承前啟后的工作，才開啟了綠色熒光蛋白走進生物學家實驗室的大門。

天才錢永健

真正將綠色熒光蛋白成為一個有用工具的人是錢永健。

錢永健之所以要改造綠色熒光蛋白，是因為它發(fā)出的熒光常常不夠亮，甚至需要用高能量的紫外線照射才能看見。

目前，生物學家使用的熒光蛋白大多是錢永健實驗室改造后的變種。這些熒光蛋白不僅強度高，而且還可以發(fā)出不同的顏色，五彩斑斕，非常漂亮。不同顏色不是為了好看，而是為了可以同時在同一個細胞或組織內(nèi)標記多種蛋白。

“我一直就喜歡顏色，”錢永健說，“顏色讓工作更有趣，能讓你做更長時間。尤其是在比較挫折的時候更有幫助?！?/p>

經(jīng)他改造后的熒光蛋白有櫻桃色、草莓色、橘子色、番茄色、橙子色、香蕉色和密瓜色?！熬拖褚淮蠛胁使P，”在加利福尼亞大學圣迭戈分校與錢永健合作多年的馬克·埃利斯曼說。

今年56歲的華裔錢永健出生在紐約，其父錢學榘與錢學森是堂兄弟。與這個家族很多人一樣，他很小就顯示出極高的科學天賦。

由于兒時患有哮喘，錢永健不得不盡量避免室外運動，因此經(jīng)常花上數(shù)小時在地下實驗室內(nèi)做化學實驗解悶，自制火藥曾不小心燒壞自家的乒乓球臺。

16歲那年，憑借對金屬如何與硫氰酸鹽結(jié)合的研究，錢永健獲得了西屋科學天才獎。這項比賽是美國歷史最久、最具聲望的科學競賽之一，參賽者以高中生為主，又稱“少年諾貝爾獎”。

中學畢業(yè)后，憑借美國國家優(yōu)等生獎學金，錢永健進入哈佛大學學習。20歲獲得化學物理學士學位后，他又拿著獎學金，前往英國劍橋大學深造。在那里，他為科學實驗制造工具的天賦初露崢嶸。

1981年，錢永健到加州大學伯克利分校并在那里工作了8年，成為大學教授。1989年，錢永健將他的實驗室搬到加州大學圣迭戈分校，一直工作至今。

錢永健1995年當選美國醫(yī)學研究院院士，1998年當選美國國家科學院院士和美國藝術(shù)與科學院院士。他還是全美擁有專利最多的科學家之一。

事實上，從上世紀80年代起，錢永健的工作就開始為科學界矚目。在這次諾貝爾化學獎揭曉之前，就有很多媒體報道他是獲獎的熱門人選。喜歡穿粗斜紋棉布襯衫的錢永健，研究領(lǐng)域橫跨生物學和化學，被認為既有可能獲得化學獎，也有可能獲得生理學或醫(yī)學獎。

與下村修相比，錢永健的科學道路可謂一帆風順，很早就獲得了同行的認可。一位和他共事多年的科學家說，“他得獎不是問題，只是時間早晚。我們關(guān)心的是他得幾個獎?！?/p>

但與下村修一樣，錢永健的科研動力也發(fā)自內(nèi)心。他說：“你的科研方向應(yīng)滿足你的個性需求，為你內(nèi)心提供快樂，這樣才能安然度過在科研中難以避免的挫折期?！?/p>

天才的錢永健令人敬仰，阿甘式的下村修同樣值得尊敬。

“我們需要支持一大批埋頭于科學研究的科學工作者，不要急于讓他們產(chǎn)生社會效果。”饒毅對《中國新聞周刊》說，“當我們有很多這樣的科學家得到實質(zhì)支持后，自然會有一部分有重要發(fā)現(xiàn)。這一小部分人的回饋，將大大超過社會對科學的投入?！?/p>