多學科共贏的諾貝爾化學獎

科學精神

張田勘專欄

北京時間10月4日17時45分，諾貝爾獎委員會宣布，將2017年諾貝爾化學獎授予瑞士洛桑大學的雅克·杜波切特(Jacques Dubochet)、美國哥倫比亞大學的約阿基姆·弗蘭克(Joachim Frank)和英國劍橋大學的理查德·亨德森(RichardHenderson)，因為他們「研發出能確定溶液中生物分子高解析度結構的冷凍電子顯微鏡」。

電子顯微鏡是物理學的內容，但研究物質在分子、原子層次上的組成、性質、結構與變化規律又屬於化學的範疇，同時，生物分子更屬於生物學或醫學範疇，所以，今年的化學獎涉及的學科之多前所未有，難怪這一獎項頒發後，科學界稱化學獎又在「不務正業」了。

說起諾貝爾化學獎的「不務正業」就太多了，尤其是在最近幾年。2015年的化學獎授予瑞典的托馬斯·林達爾、美國的保羅·莫德里奇和阿齊茲·桑賈爾，以表彰其闡明細胞修復自身DN A機制的成果；2014年的化學獎授予美國的埃里克·貝齊格、威廉·莫納和德國的斯特凡·黑爾，因為他們為發展超解析度熒光顯微鏡做出了貢獻。

所以，諾貝爾化學獎也獲得了一個中國的俗稱——— 理綜獎。然而，與其說諾貝爾化學獎「不務正業」，甚至是「狗拿耗子」，不如稱其為多學科共贏，而且，這是現代科學研究發展的一條有效之路和捷徑，並且正在從逶迤小道走向高速公路。此次的化學獎涉及三個學科之多，正說明當今和未來科研的趨勢和方向。

一般的顯微鏡並不足以觀察細菌、病毒、支原體等的內部結構，如細胞核和細胞質內的物質，更不用說觀察更小的原子層級結構，如DN A和蛋白質的結構。電子顯微鏡的發明當然可以觀察更小的分子，但是面臨一個大的難題，由於其會發射出強大的電子束流，會破壞脆弱的生物材料，因此難以觀察到活體或有生命的生物材料和生物分子的本尊，大多用於觀察無生命的物質。

於是，研究人員想盡各種辦法來改進。1990年理查德·亨德森使用電子顯微鏡觀察到了第一個膜蛋白——— 細菌視紫紅質原子層面解析度的三維結構圖像。約阿基姆·弗蘭克·弗蘭克則研發出一種圖像處理方法，能夠對電子顯微鏡獲得的模糊二維圖像進行分析併產生精細的三維圖像，由此闡明了細胞內核糖體的結構。這似乎是對電子顯微鏡觀察到的不太清晰的生物圖像進行P圖，讓其更為清晰。

最關鍵的是，雅克·杜波切特發明了在對生物分子進行圖像拍攝之前讓生物分子冷凍起來的方法，既不損害生物分子，又能保持其本尊模樣。在上世紀80年代早期，杜波切特將水加入電子顯微鏡，產生「水的玻璃化」，即通過快速降溫，讓水在保持液態的前提下在生物樣本周圍迅速固態化，從而讓生物分子能夠在真空腔內保持其自然狀態下的形態，並在液氮溫度下的電子顯微鏡下觀察，由此奠定了冷凍電鏡制樣與觀察的基本技術手段。

這一成果也標誌著冷凍電鏡技術的誕生，並且讓人能在冷凍電鏡下觀察到原汁原味的有生命力的生物分子。所以，這項技術既是物理的，也是生物分子，還是化學的。

正因為有這樣的技術，對生物分子的觀察可以達到原子層面，能將那些以前都不能觀測到的結構和過程呈現在人們眼前。如今，研究人員使用冷凍電鏡技術分析生物分子三維結構已經是一種常規做法，無論是研究導致抗藥性的蛋白質結構，還是觀察寨卡病毒的外觀，都達到了極為細緻的層面，產生了極清晰的圖像。這樣的技術無疑將為生命科學、醫學、化學以及藥物研究帶來飛躍。

其實，這樣的多學科結合產生科學成果在科學史上早就有先例了。最初，20世紀50年代，姆斯·沃森、弗蘭西斯·克里克受美國化學家鮑林用X射線衍射圖譜研究蛋白質和DN A的影響(鮑林獲得了一些DN A的X射線晶體衍射圖片)，認為DN A是三螺旋結構。但是，無論如何都無法建立起正確的DN A結構。在1953年2月14日的討論中，另一位物理學家威爾金斯出示了一幅她與弗蘭克林獲得的非常清晰的D N A晶體衍射照片，這張圖片顯示，D N A鏈只能是在雙鏈結構下才會顯示出漂亮而清晰的結構。

於是，1953年2月28日沃森和克里克重新搭建出了正確的DN A雙螺旋結構，並在1953年4月25日《自然》雜誌發表了這一結構。由此，詹姆斯·沃森、弗蘭西斯·克里克和莫里斯·威爾金斯共同獲得1962年諾貝爾生理學或醫學獎。

這就是典型的生物學與物理學和化學相結合取得重大認知成果的範例。因此，今天，當人們說諾貝爾化學獎是「不務正業」或「狗拿耗子」時，那是沒有領會到，很多時候通過不務正業的多學科合作，才有可能真正認識事物的本來面目和規律。

(作者系北京學者)

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！