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诺贝尔奖

诺贝尔奖:值不值?

2009年诺贝尔奖每天公布一项,每天都引发一番热烈讨论和祝贺,到了周五,和平奖一公布,却是一片哗然。在公布现场,是背景中清清楚楚地一片哗然,在网络上,Twitter 网站当天下午(美国人醒来之后)甚至因此瘫痪。

挪威的诺贝尔和平奖委员会的这一决定,只能说,实在太多幼稚。每年和平奖的获得者,并不都是名至实归,但是现在把和平奖发给奥巴马,甚至对他都不公平――将来某一天,奥巴马也许能拿出令人信服的成就,为世界和平做出了贡献,值得被授予诺贝尔和平奖。《卫报》的读者大都是奥巴马的支持者,但在其网站举办的网络投票中,70%的人说现在给这个奖“太早了”

奥巴马说他感到“惭愧”(humbled),我看更多的是尴尬,也许他想对挪威人说的是“有没有搞错?”如果按照和平奖委员会的说法,这个奖是为了“鼓励”他的“愿景”(vision),那么在国际上,奥巴马不需要这个奖来增加他的魅力和说服力;在国内,获奖只会加剧他的支持者与反对者之间的对立。

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2009年诺贝尔化学奖:核糖体结构

2009年诺贝尔化学奖授予的3位科学奖,印度裔美国科学家(在英国工作) Vendatraman Ramakrishnan、美国科学家 Thomas Steitz 和以色列科学家 Ada Yonath 都是蛋白晶体结构方面的专家。他们的贡献,是用高清晰度的蛋白晶体结构,为研究蛋白合成的准确性提供了重要证据。

核糖体(ribosome)的英文名在1958年出现,是当时用来命名一种刚发现不久,处于细胞质内,带有核糖核酸的蛋白,那时已经知道核糖体和蛋白质的合成有关。出生罗马尼亚,在美国工作的George Palade 曾因他在这方面的贡献获得1974年诺贝尔生理奖。

核糖体的作用,是在蛋白合成过程中,提供一个平台,所以又有“蛋白工厂”之称。核糖体能够结合蛋白合成所需的模板(mRNA),然后携带着单个氨基酸分子的tRNA来到核糖体上,如果这个tRNA的3个碱基正好和模板 mRNA配对,那么tRNA所携带的氨基酸分子就会接到合成中的肽链上。

核糖体的这种工作方式,以及它的大致结构:每个核糖体都由大小两个亚基组成,在1980年代以前就已经知道了。但是由于对其细微结构缺乏了解,所以蛋白合成机制还有许多问题不清楚:比如tRNA与核糖体的结合、肽链合成的准确度等等。

这3位科学家的贡献就在这里。他们都是结构生物学家,使用X光衍射、电镜等技术分析蛋白结构。做这方面工作的关键,是必须能够制成高纯度、高质量的蛋白结晶。随着技术的进步,对蛋白质结构的解析度越来越高。以色列的 Ada Yonath 从1980年代开始就在从事核糖体结构研究,当时的分辨率可做到10埃(1埃=0.1纳米),核糖体的大小约为200埃。

她以后一直继续从事这方面的研究,从1990年代开始,耶鲁大学的 Thomas Steitz 和剑桥分子生物实验室(属于英国MRC研究系统)的Vendatraman Ramakrishnan,以及其他一些实验室,都相继提供了高清晰度结构图。1990年代末,21世纪初是结构生物学腾飞的时代。

以下这幅图片,来自2009年诺贝尔化学奖背景资料,可以清楚地看出,不同分辨率(9/5/2.4埃)下,原核生物核糖体50S亚基的结构,其信息量之不同,是非常明显的。需要注意的是,要获得高分辨率,不是有高水平的检测仪器就可以做到,更重要的是在样品的提取和准备上的突破。

2009-10-07 Ribosome structure

核糖体的两个亚基,现在都有低于3埃的高分辨图。根据这些信息,现在不仅能用电脑重现核糖体的模型,而且还能回答核糖体是如何保证肽链合成的准确性,以及抗核糖体药物是影响核糖体工作的原理等等。现在有一些药物,就是利用原核生物(如细菌)和真核生物之间在核糖体结构上的差异,专门抑制细菌核糖体合成细菌蛋白,以产生抗菌效果。

2008年诺贝尔化学奖成果:绿色荧光蛋白 (GFP)

今年诺贝尔化学奖由三位科学家下村脩(Osamu Shimomura)、Martin Chalfie 和钱永健 (Roger Tsien)三人分享,代表了绿色荧光蛋白研究上的三个里程碑。我曾经在这个领域工作过,对这段历史还略有了解。

下村脩1962年在普林斯顿大学做研究的时候从一种水母身上分离出绿色荧光蛋白(GFP)。当时知道在蓝紫色光的照射下,它会发出绿色荧光。后来他搬到波士顿郊外的小镇Woods Hole上著名的海洋生物实验室(MBL)。GFP的结构以及发光原理,要到1990年代通过X光衍射才得到证实:GFP的肽链构成一个桶状结构,在其中心由3个氨基酸携带的芳香基团构成了发光核心结构。

一直到1990年代,GFP才重回生物学家的视野。这里其实还有另一位生物学家的重要贡献,Douglas Prasher 1992年在Woods Hole 海洋研究所(WHO)克隆出了GFP基因,随后哥伦比亚大学的 Martin Chalfie 成功地让GFP基因在大肠杆菌和线虫(C. Elegan)上表达成功。这个实验的重要意义,是证明从水母上分离出来的GFP基因可以在其它物种上表达,正确地折叠,发出荧光。这些研究成果为GFP在生物学研究上的使用,奠定了基础。

当时如果要研究活体生物中的生命活动,可以采用往细胞体内注射荧光化合物,或者是事先把荧光化合物结合到蛋白上,然后注射到细胞内的方式。钱永健此时已经是这个领域的专家,他发明的荧光化合物 fura-2 会随着周围钙离子浓度变化而改变荧光强度,经常被用来研究活体细胞内的钙离子浓度变化。但是这种方法的缺点也很明显,第一荧光化合物可能有毒性,影响正常生理活动;第二把荧光化合物特别是标记了荧光化合物的蛋白注射到细胞内,需要特别的设备和专业训练——微注射;第三即使荧光化合物无毒,也有微注射的条件,每研究一种蛋白,就必须先分离蛋白,然后找到标记荧光化合物的办法。这些困难,限制了普通生物学家研究活体生物活动的能力。

与此同时,在1990年代初分子生物学在聚合酶链式反应(PCR)技术的发展推动下,已经有了很强的操纵基因的能力。比起蛋白来,在DNA水平上对基因进行裁接和修饰已经是实验室常规操作。如果GFP可以在各个物种中准确折叠发出荧光,那么只要在基因水平上把研究者感兴趣的蛋白基因,接上GFP基因,然后转移到细胞内表达,就等于给被研究的蛋白带上了一个荧光标签。而这一切完全不涉及蛋白提纯,标记,蛋白微注射等技术,也就是说,任何一个分子生物学家都有可能用荧光标记自己研究的对象。而且GFP是一种无害无作用的蛋白,不用担心对细胞产生毒性。

钱永健的贡献,是利用他在活体荧光研究方面的丰富经验,对GFP进行改造,他的实验室利用定点突变改造出来 EGFP,不仅提高了荧光强度,更重要的可以在普通的荧光显微镜下用现有的荧光滤镜观察到,而且光谱单一,不会和其它荧光染料的光谱发生干扰。接着他的实验室又陆续推出了不同颜色的 GFP,如蓝色(BFP)和黃色(YFP)的荧光蛋白。不同颜色不是为了好看,而是为了可以同时在同一个细胞或组织内标记多种蛋白或结构,或者是在研究中把GFP标记蛋白与其它荧光化合物同时使用。现在世界各地实验室使用的GFP,都是经过改造优化了的,钱永健是这方面的先驱和领先人物。在他在加州大学圣地亚哥分校的实验室网站上,有一幅用表达了多种颜色荧光的大肠杆菌组成的照片。

多种颜色GFP的出现,还为以后研究蛋白之间的相互作用,蛋白分解等提供了无限的可能性。生物学家可以同时对多种基因进行荧光标记,然后根据活体内的荧光颜色变化,判断生物活动进程,此时荧光标记不再是标记蛋白在哪里,还能标记活体内的生物事件。

可以说,GFP在细胞生物学研究上的重要性,不亚于PCR技术对分子生物学发展的意义。

这张照片就是GFP技术的运用之一。哈佛大学细胞分子生物学系和脑科学中心的研究人员使用转基因技术,使得小鼠脑部邻近神经元可以随机地表达不同颜色的GFP(他们称之为XFPs)。在荧光显微镜下,可以清楚地分辨通常是交缠在一起的大量神经元构成的复杂网络,可以用来跟踪神经元之间的关系。文章发表在去年11月的《自然》(Nature)杂志。

 
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