測(cè)序人生

2013年11月19日，一位偉大的生物化學(xué)家走完了95年的人生旅程。世界各地的科學(xué)博客和學(xué)術(shù)期刊都在撰文紀(jì)念他，連一向桀驁不馴的基因組科學(xué)家克萊格·文特爾也發(fā)了一條Twitter，表示他是“20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家之一，兩次改變了科學(xué)世界前進(jìn)的方向”，即使剛?cè)ナ赖倪@位曾公開批評(píng)文特爾的研究所商業(yè)色彩太重，分享精神不足。著名科學(xué)作者艾德·楊（Ed Young）則寫了一段DNA序列來(lái)表示哀悼：CGCATTCCGTTTCGCGAAGATAGCGCGAACGGCGAACGC。

這位死者在當(dāng)學(xué)生時(shí)成績(jī)普通，從沒拿過(guò)獎(jiǎng)學(xué)金，后來(lái)卻兩次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，成為惟一一位兩獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家；他凡事都愛自己動(dòng)手，不愛上課也不會(huì)帶學(xué)生，但第一個(gè)學(xué)生卻也是諾貝爾獎(jiǎng)得主；他獲得過(guò)巨大的榮譽(yù)，有以自己名字命名的研究所和技術(shù)，卻淡泊名利，甚至拒絕封爵。他就是弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）。

“富二代”做科研

桑格出生于英格蘭格洛斯特郡的一個(gè)小鎮(zhèn)，父親是一名醫(yī)生，曾在中國(guó)工作，后因肺結(jié)核回國(guó)休養(yǎng)。他有一個(gè)大他一歲的哥哥西奧多，后來(lái)在劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)農(nóng)學(xué)。桑格一開始想繼承父業(yè)，成為醫(yī)生。但去劍橋上大學(xué)之前，他改變了主意，想研究生物了。

在一次采訪中，桑格表示，促使他轉(zhuǎn)變職業(yè)目標(biāo)的原因是，他發(fā)現(xiàn)自己“與照顧很多人、解決不同的問題相比，更喜歡專注于一個(gè)問題，并進(jìn)行深入的研究”。

桑格在高中時(shí)不算出類拔萃，他在自傳中承認(rèn)，“如果不是父母相當(dāng)富有，我很可能根本進(jìn)不了劍橋”。和很多大科學(xué)家一樣，在大學(xué)里他有些偏科。在物理和數(shù)學(xué)上，盡管與身邊那些起步更早的同學(xué)相比，他學(xué)習(xí)起來(lái)有些吃力，但也比拉丁語(yǔ)和歷史要強(qiáng)。

當(dāng)時(shí)的劍橋大學(xué)要求學(xué)生學(xué)習(xí)兩個(gè)主修學(xué)科和一個(gè)副學(xué)科。桑格選擇了物理和化學(xué)作為主修學(xué)科——這也是科學(xué)專業(yè)學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)選擇，不過(guò)第二年，他就因?yàn)閷?shí)在跟不上物理課程的進(jìn)度而轉(zhuǎn)去學(xué)生理學(xué)。在他為選什么作為副學(xué)科傷腦筋的時(shí)候，看到了學(xué)科列表上的一個(gè)詞：生物化學(xué)，導(dǎo)師是歐內(nèi)斯特·鮑德溫（Ernest Baldwin）。此前他從沒聽說(shuō)過(guò)這門學(xué)科，不過(guò)用化學(xué)來(lái)解釋生物現(xiàn)象的思路很吸引他。鮑德溫博士是一位相當(dāng)不錯(cuò)的導(dǎo)師，他很有活力，也懂得如何啟發(fā)學(xué)生，于是桑格在拿到學(xué)士學(xué)位后，決定在劍橋再學(xué)一年高等生物化學(xué)課。連他自己也沒想到的是，他這門課的成績(jī)被列為最優(yōu)。這對(duì)向來(lái)功課平庸的他來(lái)說(shuō)是個(gè)不小的鼓勵(lì)，讓他決定申請(qǐng)去劍橋剛成立的生物化學(xué)系攻讀博士學(xué)位。此前他對(duì)自己的未來(lái)并不確定。

桑格給生化系寫信，詢問自己能否去那里繼續(xù)求學(xué)，一個(gè)月都沒收到回音，于是，這位“富二代”決定親自到系里問問。那時(shí)，他的父母剛剛?cè)ナ溃麖哪赣H那里獲得一筆不小的遺產(chǎn)——他母親是一位棉花富商的女兒。他表示可以不需要任何資助，就這樣，有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室愿意接受他。

桑格先跟一位有點(diǎn)古怪的蛋白質(zhì)化學(xué)家工作，任務(wù)是從草里提取可以食用的蛋白質(zhì)。這位蛋白質(zhì)化學(xué)家屬于“放手型”導(dǎo)師。他給桑格一大罐凍住的碎草讓他自己研究，而自己不久之后就離開了劍橋。此時(shí)他的化學(xué)知識(shí)顯然不足以支持他獨(dú)立研究，他希望當(dāng)時(shí)還在做博士后的阿爾伯特·紐伯格（Albert Neuberger）給予指導(dǎo)。在紐伯格那里，桑格完成了博士論文。他的博士研究和賴氨酸代謝有關(guān)，沒什么特別新穎的地方。但他在紐伯格那里學(xué)到了很多，不僅獲得了豐富的生物化學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技巧，而且學(xué)會(huì)了如何做研究。

獲得博士學(xué)位后，桑格在劍橋大學(xué)生物化學(xué)系的新任教授（當(dāng)時(shí)歐洲一般一個(gè)系只有一個(gè)教授）阿爾伯特·查爾斯·奇布諾爾（Albert Charles Chibnall）那里開始了博士后研究。奇布諾爾當(dāng)時(shí)正在研究胰島素。胰島素在人體糖代謝中起到重要作用，如果胰島素分泌不足，就有可能導(dǎo)致糖尿病。1922年，弗雷德里克·班廷和約翰·麥克勞德發(fā)現(xiàn)了胰島素對(duì)糖尿病的治療作用，他們因此獲得了第二年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。在那個(gè)年代，研究胰島素的生化性質(zhì)不僅因?yàn)檫@種蛋白質(zhì)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，還因?yàn)樗钱?dāng)時(shí)僅有的幾種能被提純的蛋白質(zhì)。

桑格測(cè)序

蛋白質(zhì)由20種氨基酸首尾相連再盤曲纏繞構(gòu)成，簡(jiǎn)單地說(shuō)，蛋白質(zhì)是由20個(gè)字母組成的句子。當(dāng)時(shí)，生化學(xué)界對(duì)蛋白質(zhì)存在一些爭(zhēng)議。有些人認(rèn)為蛋白質(zhì)只是隨機(jī)的混合物，沒有確定的化學(xué)組成，也無(wú)法用化學(xué)方法研究。但奇布諾爾不認(rèn)同這點(diǎn)，他希望找到蛋白質(zhì)確定的化學(xué)組成——也就是氨基酸鏈的序列。奇布諾爾發(fā)現(xiàn)，胰島素蛋白質(zhì)有很豐富的自由氨基，他據(jù)此認(rèn)為胰島素的氨基酸鏈很短，因?yàn)樵谂懦恍┢渌蛩睾螅挥邪被徭湹囊欢瞬艓в凶杂砂被Ｋ裕屔８裾业揭环N方法，可以準(zhǔn)確鑒定出胰島素上的自由氨基，這樣就能找到一些胰島素的長(zhǎng)度和氨基酸成分的線索。

桑格的方法是尋找一種化學(xué)物質(zhì)，可以“黏”在自由的氨基上作為標(biāo)記。但要找到這種化學(xué)物質(zhì)并不簡(jiǎn)單。首先，它必須有足夠的活性，這樣靈敏度才足夠，并且可以在日常條件下使用。其次，它和自由氨基的結(jié)合必須非常緊密，即使在蛋白質(zhì)被打碎研究的時(shí)候也不會(huì)掉下來(lái)。它最好還要有明顯的特征，幫助實(shí)驗(yàn)人員鑒定出來(lái)。

桑格最終選擇了2，4-二硝基氟苯。這種物質(zhì)在常溫下就能和自由的氨基穩(wěn)定地發(fā)生反應(yīng)，而且在“黏住”氨基后會(huì)呈現(xiàn)出黃色。桑格將蛋白質(zhì)徹底打碎，然后提取出只被標(biāo)記黏住的那個(gè)氨基酸并進(jìn)行分析，就知道蛋白質(zhì)鏈中最頂端的那個(gè)氨基酸是什么了。如果不把蛋白質(zhì)徹底打碎，而是讓它斷成幾個(gè)片段，就能鑒定更多位置的氨基酸，并最終得到完整的氨基酸序列。桑格用“拼盤子”來(lái)比喻整個(gè)分析過(guò)程：雖然很難判斷在地上摔成20塊碎片的盤子原本的樣子是什么，但如果你把碎片收集起來(lái)，拼在一起，就會(huì)看到盤子上的圖案。

1953年，桑格成功地測(cè)序了胰島素的氨基酸序列。直到今天，他的方法仍有應(yīng)用，2，4-二硝基氟苯現(xiàn)在被稱為桑格試劑，而它和自由氨基的反應(yīng)則被稱為桑格反應(yīng)。1958年，桑格單獨(dú)獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

1962年，桑格來(lái)到劍橋的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Laboratory of Molecular Biology）。許多重要的生物學(xué)進(jìn)展都是在這里出現(xiàn)的，比如DNA的結(jié)構(gòu)和復(fù)制原理。雖然桑格當(dāng)時(shí)還不知道DNA序列和蛋白質(zhì)序列的關(guān)系，但他知道DNA是基因的材料，而人類的遺傳信息就儲(chǔ)存在DNA的序列里。所以，他希望能像給蛋白質(zhì)測(cè)序那樣給DNA測(cè)序。

如果說(shuō)蛋白質(zhì)是由20個(gè)字母組成的句子，那么DNA的字母只有4個(gè)。但DNA卻比蛋白質(zhì)長(zhǎng)得多，有時(shí)會(huì)有數(shù)百萬(wàn)個(gè)字母。所以給DNA測(cè)序被認(rèn)為是幾乎不可能完成的工作。

一開始，桑格想用與蛋白質(zhì)測(cè)序類似的方法來(lái)給核酸測(cè)序：打破DNA，就像把盤子砸碎在地上一樣。但進(jìn)展并不順利，因?yàn)橥ㄟ^(guò)這種方法進(jìn)行測(cè)序的前提是找到一種合適的方法打破DNA，然后把不同的碎片分離出來(lái)，再找出一個(gè)特定的碎片進(jìn)行研究。他沒有在DNA上找到合適的類似方法，于是決定反其道而行之，不在“打碎”DNA的過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行測(cè)序，而是在合成DNA的過(guò)程里尋找它的序列信息。

他利用模板合成想測(cè)序的DNA序列，然后通過(guò)“人造字母”讓DNA合成終止。人造字母能發(fā)出熒光，告訴研究人員在合成終止位置上的是什么字母。如果說(shuō)桑格在發(fā)明蛋白質(zhì)測(cè)序技術(shù)的時(shí)候參考了很多前人的研究，那么他的DNA測(cè)序技術(shù)卻更富有想象力和原創(chuàng)性，所以被命名為“桑格測(cè)序法”。

桑格測(cè)序法給生物科學(xué)帶來(lái)了巨大影響。在他提出這一技術(shù)的二十多年后，為人類的DNA進(jìn)行測(cè)序的人類基因組計(jì)劃使用的就是桑格測(cè)序法，他也因?yàn)镈NA測(cè)序技術(shù)而與保羅·伯格（Paul Berg）和沃特·吉爾伯特（Walter Gilbert）分享了1980年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，成為惟一一位兩度獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家。

實(shí)驗(yàn)工人

兩個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)讓桑格走到哪里都有人追著向他詢問成功的秘訣，謙虛的他總是表示，自己運(yùn)氣很好，“我總在合適的時(shí)間碰到合適的人和合適的問題。”他直言自己對(duì)教學(xué)和行政不感興趣，據(jù)說(shuō)他還因授課差被學(xué)生轟下臺(tái)，但他的第一個(gè)博士生羅德尼·羅伯特·波特（Rodney Robert Porter）后來(lái)也獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。在談到這位因戰(zhàn)爭(zhēng)耽誤了時(shí)間，比自己還年長(zhǎng)的學(xué)生時(shí)，桑格表示，“他教我的比我教他的多。”

與很多有著輝煌經(jīng)歷的教授不同，桑格65歲就退休了。他認(rèn)為，與其到了這個(gè)年齡還堅(jiān)持做水準(zhǔn)日趨下降的研究，還不如把位置讓給年輕人。他想把時(shí)間花在自己感興趣卻一直沒精力投入的事情上，比如打理一個(gè)花園。后來(lái)，他經(jīng)營(yíng)的花園相當(dāng)有名，甚至成為一個(gè)景點(diǎn)。他還拒絕了英國(guó)女王準(zhǔn)備給他的爵位，因?yàn)樗幌胱寗e人稱他為Sir。

桑格在自傳中寫道，研究科學(xué)，“想”、“說(shuō)”和“做”都很重要，“我思考能力還行，不善交談，但我在43年的職業(yè)生涯里一直努力去做實(shí)驗(yàn)。”在中學(xué)時(shí)代，如果說(shuō)成績(jī)并不突出的他有什么特長(zhǎng)的話，就是做木工活了。這一愛好既鍛煉了他的動(dòng)手能力，也影響了他的一生。在漫長(zhǎng)的科研生涯中，他一直都很愛動(dòng)手，自稱“實(shí)驗(yàn)工人（bench worker）”，很少坐在辦公室里寫作和整理資料。功成名就之后，他還發(fā)表了大量以第一作者署名的文章，這在同行中實(shí)屬罕見。

正是勤奮和專注，讓自認(rèn)沒有天賦的桑格能在測(cè)序領(lǐng)域里書寫一個(gè)又一個(gè)傳奇。也許像艾德·楊那樣用DNA序列來(lái)紀(jì)念桑格最為恰當(dāng)——那段DNA序列對(duì)應(yīng)的蛋白質(zhì)序列是：RIPFREDSANGER（安息吧，弗雷德·桑格）。