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2018诺贝尔三大奖,都被生物学带着节奏走

2018-10-11 08:32:53

2018诺贝尔三大奖,都被生物学带着节奏走

  从聚焦生物学和学科交叉这两个角度切入,不仅可以解释为何诺贝尔自然科学奖青睐生物学,还可以获得观察当代前沿学科的机会。

  冰川思想库特约撰稿 |张田勘

  今年所有的诺贝尔奖项都已公布完毕。

  有意思的是,三大自然科学奖的内容都被生物学“收入囊中”。不信你看这颁奖结果:

  1. 美国詹姆斯·阿利森和日本的本庶佑获得诺贝尔生理学或医学奖,因为他们“发现免疫负调控抑制可治疗癌症”。

  2. 美国的阿瑟·阿什金、法国的杰拉德·莫柔和加拿大的唐娜·史翠克兰获得诺贝尔物理学奖,因为他们在激光物理学领域作出了开创性发明。

  3. 美国的弗朗西丝·阿诺德、乔治·史密斯和英国的格雷戈里·温特获得诺贝尔化学奖,因为他们在酶的定向进化与多肽和抗体的噬菌体展示技术方面做出了贡献。

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  不妨一项一项来了解,为何今年的诺贝尔三大自然奖会聚焦于生物学。

  生物学是现代医学和生理学的基础,生理学和医学必然要落地和植根于生物学。阿利森和本庶佑获得2018年的诺贝尔生理学或医学奖,于两位科学家通过研究提出了一种与主流思潮不同的治疗癌症的新思路。

  

  2018诺贝尔三大奖,都被生物学带着节奏走

  美国科学家詹姆斯·艾利森和日本科学家本庶佑(图/诺贝尔官网)

  阿利森和本庶佑分别发现了细胞毒T淋巴细胞相关抗原-4(CTLA-4)和程序性细胞死亡蛋白1(PD-1),它们都可以称为分子的制动器或刹车,其作用是抑制免疫细胞的抗御或杀灭癌细胞和病原微生物的功能。

  他们认为,如果能研制一类抗体来结合CTLA-4和PD-1分子,就能解除对T细胞的抑制,从而激活免疫细胞,帮助人体抗御或杀灭癌细胞和病原微生物。实际上他们的研究结果也证实了这一点。

  也就是说,治癌不是针对癌细胞进行杀灭,而是对机体的免疫系统进行调控,解放被束缚和抑制的免疫力,让免疫系统全身心地投入到抗御癌症的征战中,从而获得较好的治疗效果。

  因此,2018年的诺贝尔生理学或医学奖其实是奖励科学家的观念创新和创新成果。

  再说阿什金、莫柔和史翠克兰获得2018年的诺贝尔物理学奖,他们是在激光物理学领域获得成果,这与生物有一毛钱的关系吗?当然有!

  2018诺贝尔三大奖,都被生物学带着节奏走

  美国科学家阿瑟·阿什金(图/视觉中国)

  事实上,他们发明的光镊技术(创建超短高强度激光脉冲)可应用于生物研究和临床治疗,这种光镊既可以捕捉小分子生物目标,如病毒、DNA分子等,又不会破坏它们的结构,使得人们能研究活体状态下的生物分子,深入理解生命和疾病,同时还能将这一技术应用于临床治疗,如治疗白内障和近视眼(激光手术)。

  最后是化学奖。阿诺德、史密斯和温特获得2018年的诺贝尔化学奖同样涉及甚至大部分是生物学的内容。

  阿诺德是获得了更有活性的酶,从而能催化产生对环境更友好的化学物质,史密斯和温特则研发了新的抗体药物,如阿达木单抗,以治疗类风湿关节炎、强直性脊柱炎。

  2018诺贝尔三大奖,都被生物学带着节奏走

  美国科学家弗朗西斯·阿诺德(图/东方IC)

  所以,从内容看,生理学或医学、物理和化学都闯入了生物学的范畴。这说明,当代自然科学已经悄然地聚焦于生物学,由此形成了多学科交叉的局面。

  从聚焦生物学和学科交叉这两个角度切入,不仅可以解释为何诺贝尔自然科学奖青睐生物学,还可以获得观察当代前沿学科的机会,总结过去和展望未来的科技发展,了解并瞻望科学对社会繁荣和文明的促进作用。

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  交叉学科出成果既是历史的必然,也是科学发展到今天的一种走向。

  当初,诺贝尔自然科学奖的各个学科是相对独立和泾渭分明的。例如,首届诺贝尔奖于1901年颁发,当时的三个奖项分别是:

  1. 德国的医学家埃米尔·阿道夫·冯·贝林因研究了白喉的血清疗法而获得当年的诺贝尔生理学或医学奖;

  2. 德国物理学家威廉·康拉德·伦琴因发现X射线,为开创医疗影像技术铺平了道路而获当年的诺贝尔物理学奖;

  3. 荷兰化学家雅各布斯·亨里克斯·范托夫由于发现了溶液中的化学动力学法则和渗透压规律,以及对立体化学和化学平衡理论做出的贡献,成为首届诺贝尔化学奖的获得者。

  但随着科学的发展,需要不同的学科内容和技术相互渗透和相互帮助才能获得明晰和重要的成果,因而诺贝尔自然科学奖的三个奖项逐渐交叉起来,最明显的是生物学(生理学或医学)与化学的相互渗透。

  生物学是最多地抢了化学地盘的学科,从1990年以来,就有16次诺贝尔化学奖颁给了生物学方面的成就。

  其中,最经典的里程碑式的科学家是英国的弗雷德里克·桑格,这位老先生是为数不多的两度获得诺贝尔奖的科学家,而且都是生物学与化学交叉的成果,但他获得的都是诺贝尔化学奖,并非生理学或医学奖。

  2018诺贝尔三大奖,都被生物学带着节奏走

  英国科学家弗雷德里克·桑格(图/东方IC)

  由于完整测定了胰岛素的氨基酸序列,证明蛋白质具有明确构造,桑格获得1958年的诺贝尔化学奖;由于发明了DNA测序方法并因此“打开了分子生物学、遗传学和基因组学研究领域的大门”,桑格又获得1980年的诺贝尔化学奖,并被誉为“人类基因学之父”

  桑格的成就表明,从20世纪40-50年代开始,生物学和化学就开始纠缠在一起,并因为纠缠而获得重大成果。

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  诺贝尔奖历史上最为经典的颁奖,是对DNA双螺旋结构发现的承认,同时也是物理学与生物学和化学生动纠缠在一起的杰出成果。可以说,如果不是物理学的方法和技术,人们是不可能很快正确认识DNA的双螺旋结构的。

  1952年,也是两度获得诺贝尔奖的美国化学家莱纳斯·卡尔·鲍林(1954年因在化学键方面的成果获得诺贝尔化学奖,1962年因反对核弹在地面测试的行动获得诺贝尔和平奖),发表了关于DNA三链模型的研究报告,他认为DNA的三链模型使得DNA的结构是一种α螺旋。

  2018诺贝尔三大奖,都被生物学带着节奏走

  莱纳斯·卡尔·鲍林在课堂上(图/图虫创意)

  但是,1953年4月5日英国的莫里斯·维尔金斯和罗沙林·富兰克林在英国的《自然》杂志刊登他们的研究文章,采用X射线衍射技术,他们发现DNA是一些长分子链,其排列是呈双螺旋状。

  这里需要解释一下X射线衍射技术。德国物理学家劳厄曾提出,如果分析X射线通过晶体在照相机底片上得到的衍射花样,便可确定晶体结构。由于证实了这一假说并发现了晶体的X射线衍射现象,他获得了1912年的诺贝尔物理学奖。

  后来,维尔金斯、富兰克林与詹姆斯·杜威·沃森和弗朗西斯·哈利·康普顿·克里克讨论时,也出示了富兰克林以前拍摄到的DNA的X射线衍射照片,这个照片让沃森和克里克灵光闪现,认为DNA的内部是一种双螺旋结构,而非三链的α螺旋结构。

  沃森和克里克循着这个思路深入探讨,在理论上得出共识,DNA是一种双链螺旋结构。然后他们在实验室中联手开始搭建DNA双螺旋模型,终于在1953年3月7日,将他们想象中的DNA模型搭建成功,并将这一结果发表于1953年4月25日的《自然》杂志。

  2018诺贝尔三大奖,都被生物学带着节奏走

  沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构(图/网络)

  DNA双螺旋结构的确立让维尔金斯、沃森和克里克获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖,富兰克林因病去世未能获奖。

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  进入21世纪,生物学越来越多地进入化学领域,或者是两者相互纠缠在一起,创造了更多成果和荣誉。

  2003年的诺贝尔化学奖授予美国的彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农,因为他们发现了细胞膜水通道,以及对离子通道结构和机理研究做了开创性贡献。

  生物的水通道是一个新的研究领域。水通道蛋白广泛存在于动物、植物和微生物中,它们的种类很多,仅人体内就有11种,具有十分重要的功能,在人的肾脏中就起着关键的过滤作用。

  不过,在水通道研究的生物和化学相结合的范畴,其实还融进了物理学的内容和方法,正是物理学的方法让人们深刻了解了水通道。

  1988年,麦金农利用X射线衍射晶体成像技术获得了世界第一张离子通道的高清晰度照片,这是第一次从原子层次揭示了离子通道的工作原理。

  2018诺贝尔三大奖,都被生物学带着节奏走

  水通道结构示意图(左)与利用X射线衍射晶体成像技术获得的离子通道的高清晰度照片

  麦金农通过对青链霉菌(也是一种蛋白)的观察获得了离子在进入离子通道前的状态、在通道中的状态,以及穿过通道后的状态。这一发现对于理解生命现象和本质,以及了解疾病有重要帮助。一些神经系统疾病和心血管疾病就是由于细胞膜通道功能紊乱造成的,因此通过对细胞膜通道的研究可以帮助科学家寻找具体的病因,并研制相应药物。

  离人们比较近的一次生动的生物学与化学纠缠的成果是2015年的“DNA修复机制”获奖,而且一成果与今年的诺贝尔化学奖同样聚焦于一种特殊的蛋白质——酶。

  由于描述并解释了细胞修复DNA的机制以及对遗传信息的保护措施,瑞典的托马斯·林达尔、土耳其的阿齐兹·桑贾尔和美国的保罗·莫德里奇获得2015年的诺贝尔化学奖。

  林达尔发现,糖基化酶能帮助进行细胞的DNA修复。桑贾尔则是成功克隆出了光解酶的基因,这种酶能修复被紫外线损伤的DNA,并且,他成功让细菌批量生产了这种酶。莫德里奇发现,Dam甲基化酶能够帮助启动对DNA的修复。

  2015年的诺贝尔化学奖更是明确提示,不仅生物与化学交叉,而且生物研究聚焦于酶学领域更是前途无量,在迄今的约50项诺贝尔奖中都有酶的身影,说明在生物学和化学中酶具有十分重要的作用。

  当然,还可以念叨一下生物学(医学)与化学纠缠的其他获奖成果:2004年的“泛素调节的蛋白质降解”、2006年的“真核转录的分子基础”、2009年的“核糖体结构和功能”和2012年的“G蛋白偶联受体研究”获得诺贝尔化学奖,都是如此。

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  诺贝尔自然科学奖在历史上尤其是在最近几十年,开始三流交融,不分彼此。

  较为突出的成果是2017年的诺贝尔化学奖,把生物、物理和化学有机结合在一起,可以把这一现象形象地表述为,2017年的诺贝尔化学奖是“一个发给物理学家的诺贝尔化学奖,奖励他们帮助了生物学家”。

  2018诺贝尔三大奖,都被生物学带着节奏走

  瑞士的雅克·杜波切特、美国的约阿希姆·弗兰克和英国的理查德·亨德森(图/诺贝尔官网)

  瑞士的雅克·杜波切特、美国的约阿希姆·弗兰克和英国的理查德·亨德森由于“研发出冷冻电子显微镜,用于溶液中生物分子结构的高分辨率测定”而获得2017年的诺贝尔化学奖。这项技术简化了生物分子成像并促进了其发展,将生物学和化学带入一个新时代。

  在他们的研究成果基础上,今天研究人员能很轻松地获得生物分子的3D结构,如导致抗生素耐药性产生的蛋白质以及多种病毒(寨卡病毒)的外观,并且可以看到活的生物分子,为研发新药和理解生命现象开辟了新途径。

  从电子显微镜到冷冻电子显微镜,再到图像处理技术,都是物理学的光学和电子学的技术和内容,但通过它们介入到化学和生物学,有力地帮助生物学家研究生物小分子。生物学、物理学和化学就这样自然而然地结合和纠缠在一起。

  同样值得一提的是,三位获奖者之一的杜波切特本身也有多学科交叉的经历,他认为自己原本是物理工程师,但是后来就几乎变成生物学家了。

  未来,生物学将不可避免地会成为前沿学科,化学、物理学,甚至数学和计算机科学也将不可避免地会介入生物学,在多学科交融和纠缠之后,也不可避免地会涌现更多更重大的成果,造福于人类社会。

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