專訪1988年諾貝爾化學獎得主約翰·戴森霍費爾：結構生物學的前世今生

在過去的很長時間裡，數據處理方式和 X 射線發生裝置都有了很大的改變，但是蛋白質結晶過程的改變其實並不大。

記者趙維傑

1982~1985年間，當時身在德國馬普研究所的約翰·戴森霍費爾（Johann Deisenhofer）和羅伯特·胡貝爾（Robert Huber，戴森霍費爾博士階段的導師）、哈特穆特·米歇爾（Hartmut Michel）等人一同解析得到了光合反應中心（photogenic reaction center）的三維結構。短短3年後的1988年，他們三人便分享了當年的諾貝爾化學獎，此時的戴森霍費爾45歲，風華正茂。

光合作用是整個生物圈中最為重要的化學反應，它不僅支撐了整個地球生態系統得以存在的物質基礎，也在漫長的地質時代中徹底改造了整個星球表面的狀態，光和反應中心高解析度分子結構的解析為人類理解這一最重要化學反應的發生機制提供了至關重要的武器。

而在技術層面上，光合反應中心的結構是人類解析得到的第一個跨膜蛋白複合體結構，這一成功所開創的技術先河，帶來了眾多重要膜蛋白複合體結構的解析，為人類了解眾多複雜生理過程的分子機制提供了基礎。

所以，無論是工作本身的意義，還是技術上的開拓進展，都讓這項工作無愧於諾獎光環。

歷年諾獎得主的平均年齡（圖片來源：BBC）

在獲得諾獎之後，戴森霍費爾教授進入德克薩斯大學西南醫學中心，依舊活躍在結構生物學領域的前沿，不斷增進著人類對生命過程分子基礎的認識。

今年10月底，73歲的戴森霍費爾教授作為參加2016年世界生命科學大會的10位諾貝爾獎獲得者之一來到了北京。10月31日，《環球科學》在戴森霍費爾教授下榻的酒店對他進行了採訪，戴森霍費爾教授神態溫和、語氣舒緩，回顧了他幾十年的學術生涯中結構生物學的發展歷程。

三天後，在世界生命科學大會的主會場，記者有幸再次見到了戴森霍費爾教授並與其合影。這張合影的拍攝者是戴森霍費爾教授的夫人 Kirsten Fischer Lindahl，她是霍華德·休斯醫學研究所的微生物和生物化學家，與獲得諾獎並移居美國的戴森霍費爾教授相識於1988年，成婚於1989年。

環球科學：您好戴森霍費爾教授，我是1988年出生的，就是您獲得諾貝爾獎的那一年。

JD（Johann Deisenhofer）：哇哦！

環球科學：您在22歲的時候（1965年）進入大學，專業是物理學。那麼有沒有一件具體的事情，讓您從物理學轉向了蛋白質晶體學的研究呢？

JD：嗯，可能並沒有。在完成物理學本科學業之後，我需要去讀 Diplom，這是德國的一種學制，和碩士學位相當。在這個階段，我跟隨了一位對生物物理學很感興趣的導師，他希望能用物理學的手段去解決生命科學的問題，在他的影響下，他手下的很多學生都對生物學產生了興趣，其中也包括我。

後來我聽說了一個在慕尼黑建立的新的研究組，這個研究組的方向是蛋白質結構，由 Robert Huber 領導，我成為了這個研究組中的一名博士生。開始的時候，我對於蛋白質幾乎一無所知，但是 X 射線晶體學在那個時候已經不是一種新的技術了。這項技術出現在1913年左右，從二十世紀四五十年代開始被應用於蛋白質結構的解析。就是這樣，我進入了蛋白質晶體學這個陌生的領域。

環球科學：在解析得到一個蛋白質結構的過程中，有幾個關鍵性的步驟，我們需要拿到高質量的晶體，需要有足夠強度的X射線，還需要有合適的計算機軟體來解析出最終的結構。您能否介紹一下過去幾十年中，這幾個領域的進展？

JD：在我最初開始研究的時候——那是在二十世紀七十年代，確實是幾十年前了，那時可用的計算機軟體還非常少見。這很大程度上是因為，那時候全世界用於科學研究的計算機只有幾台，而它們每一台都不一樣，你寫在一台計算機上面的軟體，常常是不能用在另一台計算機上的。到八十年代，計算機在科學領域中的應用逐漸普及之後，這樣的情況才有所改變。曾經非常成功，但是現在已經不存在了的 Digital Equipment 公司（1998年被惠普收購）在這個過程中扮演了重要角色。在計算機軟體的通用性標準建立之後，許多人開始寫軟體，後來又出現了程序包（package）。到現在，要解析一個蛋白質的結構，我們只需要輸入簡單的幾行指令，剩下的都可以交給這些程序包來實現。這些程序包中有一部分是免費的，促成這些免費程序的人是偉大的。

環球科學：您有自己編寫過程序嗎？

JD：不，我並不是一個真正的程序員。我在開始的時候曾經寫過一點點，但是非常少。而在這些免費程序包可用之後，我自然非常樂意去使用它們。不過在我現在供職的德克薩斯大學，就有人在編寫這方面的程序包，在蛋白質結構解析中應用非常廣泛的 HLK2000 系統就是他們的作品。

下面我們來說蛋白質結晶方面的進展。這是蛋白質晶體學當中非常有趣的一個環節，因為我們並不知道蛋白質為什麼會結晶，對於任何一個給定的蛋白，我們都無法預測它能否結晶，而它在你的手裡不能結晶，也並不意味著它在另一個人手裡也無法結晶。經常會有這樣的情況出現，一個在你手中無論如何都不能結晶的蛋白，另一個人只改變了一點點條件就拿到了晶體。這裡面有太多的變數，所以我們只能擴大篩選的範圍，嘗試所有可能的條件。

環球科學：沒錯，我曾經在結構生物學的實驗室見過那些用於篩選的試劑盒，最基礎的就有24個，其他條件的就更多了。

JD：對，就是這樣。我想表達的是，直到現在，蛋白質的結晶依舊是一項完全依靠經驗的工作。你可以這樣想，自然界中幾乎沒有任何一個蛋白質，是為了能夠結晶而進化出來的。事實剛好相反，它們中的大多數在天然狀態下是完全不會結晶的。所以在我看來，它們能夠在實驗室中形成晶體，其實是一件非常令人驚訝的事情。所以在過去的很長時間裡，數據處理方式和 X 射線發生裝置都有了很大的改變，但是蛋白質結晶過程的改變其實並不大。

現在的 X 射線源可以產生非常強的脈衝，強到一次脈衝的能量就可能將你的晶體破壞掉，所以一顆晶體能夠被使用的時間並不長。隨著射線照射時間的延長，晶體內部的原子排布會被破壞，蛋白質側鏈的帶電狀態也會發生改變，產生新的分子，也就是說射線也會誘發化學變化。所以在這些新的 X 射線源的照射下，晶體是會很快失效的。

環球科學：這意味著我們現在需要更多的晶體？

JD：沒錯，我們需要的是儘可能多的小晶體。我們經常會得到小個頭的晶體，我是指那些大概1毫米大小的晶體，優化條件讓它們變成更大的晶體可能十分困難，所以如果我們可以只做到小晶體這一步，並從中得到結構，這是最理想的。

在X 射線發展的早期，一個需要回答的問題是晶體衍射和射線對晶體的破壞哪一個發生的更快，如果衍射的速度太慢，我們就無法在晶體被破壞之前取得數據。不過幸好，衍射的實際發生速度並不慢，晶體被破壞了，沒有關係，我們已經拿到了數據。

現在我們廣泛使用的 X 射線來自電子同步加速器，電子在環形的軌道內被加速，根據麥克斯韋方程，就會在切向產生輻射，也就是X射線。這種同步加速器也經過了幾代的發展，初代的加速器是為物理實驗設計的，生物學家偶爾會去借用，我們把這種借用叫做「寄生使用」（parasitic use），我們就像是寄生蟲。後來有人意識到，可以設計一種新的加速器，專門用來產生實驗用的X射線。這種加速器一直使用到現在，而近年來最新的進展在於，它所產生的X射線變得更強，可以把更多的能量集中在更短的脈衝里。

環球科學：您獲得諾獎是因為對於光合中心結構的解析。這是一個非常重要的蛋白複合體，那麼它是您最得意的工作嗎？

JD：是的，沒錯。

環球科學：在這項工作之後，您還做了哪些工作呢？

JD：獲得諾獎之後，我的名氣飛漲，也得到機會，進入了非常著名的德克薩斯大學西南醫學中心。在那裡，光合作用中心相關的研究並不受到歡迎，他們對於疾病和人體生理相關的問題更感興趣，比如膽固醇調節、代謝等等，我也隨之轉向了這方面的工作。舉例來說，我們解析了低密度脂蛋白受體（LDL receptor）的結構，這種蛋白能夠與血液中的低密度脂蛋白顆粒結合，並決定是否讓這些顆粒進入細胞。我們在這項研究中花了很長時間，大概有6年。

環球科學：您覺得目前還有哪些重要蛋白質的結構還有待解析呢？可以列舉3個嗎？

JD：你想問的是完全沒有得到解析的結構，還是尚不完整需要補充的結構？

環球科學：都可以。

JD：嗯，現在的結構生物學領域正在經歷一場革命，X射線衍射技術正在被冷凍電鏡技術所取代。在技術層面上，冷凍電鏡技術的幾個方面都產生了突破，這讓我們可以不需要結晶就得到蛋白質的結構，解析度也幾乎可以和晶體方式相媲美。所以，有很多我本來可以向你列舉的結構都已經在近年來被解析出來了。

冷凍電鏡技術可以解析出大的蛋白質複合物的結構，而這些複合物通常是難以形成晶體，或者不能完整地結晶的。這種技術可以解析得到同一個複合物的不同構象。當溶液中蛋白質的構象不一致時，通常就很難結晶，但是這些構象可能都是在動態的生理過程中存在並有意義的。有時候，我們可以幸運地得到晶體，但是裡面只能捕捉到其中一種構象。但是在更多的時候，這樣的混合體系中很難產生晶體。但是在冷凍電鏡當中，我們可以對不同構象的複合物進行分類，並分別解析出它們的結構，這樣，我們就可以從同一份溶液樣品中解析出多個構象，了解到蛋白質的結構的動態改變。所以，我可能沒有辦法對你的問題給出具體的答案。

環球科學：在近年來，有很多非常活躍的中國結構生物學家，他們在頂級雜誌上發表了很多工作。您是否認識他們中的一些？對他們有什麼印象？

JD：中國的確湧現出了不少結構生物學家。在中國的文革結束之後，有一些學生被送到各個國家，在幾個重要的科學領域進行學習，我當時在慕尼黑的實驗室就接收了其中的幾個。其中一個是現在的中國科學院院士，生物物理所的王大成。當然中國還有很多其他的優秀結構生物學家，比如其中最著名的施一公。

中國的很多結構生物學家已經開始轉向冷凍電鏡的方法，最近他們就解析出了光合作用過程中一個非常重要的複合物的結構（指生物物理所柳振峰、章新政等人解析的菠菜光系統II-捕光複合物II超級膜蛋白複合體（PSII-LHCII supercomplex）結構，此成果於今年5月在線發表於《自然》雜誌）。這是一項非常讓人振奮的工作。中國在結構生物學方面已經成為了一個強國（powerhouse）。

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