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北京时间10月4日17时45分，诺贝尔奖委员会宣布，将2017年诺贝尔化学奖授予瑞士洛桑大学的雅克·杜波切特(Jacques Dubochet)、美国哥伦比亚大学的约阿基姆·弗兰克(Joachim Frank)和英国剑桥大学的理查德·亨德森(Richard Henderson)，因为他们“研发出能确定溶液中生物分子高分辨率结构的冷冻电子显微镜”。 电子显微镜是物理学的内容，但研究物质在分子、原子层次上的组成、性质、结构与变化规律又属于化学的范畴，同时，生物分子更属于生物学或医学范畴，所以，今年的化学奖涉及的学科之多前所未有，难怪这一奖项颁发后，科学界称化学奖又在“不务正业”了。 说起诺贝尔化学奖的“不务正业”就太多了，尤其是在最近几年。2015年的化学奖授予瑞典的托马斯·林达尔、美国的保罗·莫德里奇和阿齐兹·桑贾尔，以表彰其阐明细胞修复自身DNA机制的成果；2014年的化学奖授予美国的埃里克·贝齐格、威廉·莫纳和德国的斯特凡·黑尔，因为他们为发展超分辨率荧光显微镜做出了贡献。 所以，诺贝尔化学奖也获得了一个中国的俗称——理综奖。然而，与其说诺贝尔化学奖“不务正业”，甚至是“狗拿耗子”，不如称其为多学科共赢，而且，这是现代科学研究发展的一条有效之路和捷径，并且正在从逶迤小道走向高速公路。此次的化学奖涉及三个学科之多，正说明当今和未来科研的趋势和方向。 一般的显微镜并不足以观察细菌、病毒、支原体等的内部结构，如细胞核和细胞质内的物质，更不用说观察更小的原子层级结构，如DNA和蛋白质的结构。电子显微镜的发明当然可以观察更小的分子，但是面临一个大的难题，由于其会发射出强大的电子束流，会破坏脆弱的生物材料，因此难以观察到活体或有生命的生物材料和生物分子的本尊，大多用于观察无生命的物质。 于是，研究人员想尽各种办法来改进。1990年理查德·亨德森使用电子显微镜观察到了第一个膜蛋白——细菌视紫红质原子层面分辨率的三维结构图像。约阿基姆·弗兰克·弗兰克则研发出一种图像处理方法，能够对电子显微镜获得的模糊二维图像进行分析并产生精细的三维图像，由此阐明了细胞内核糖体的结构。这似乎是对电子显微镜观察到的不太清晰的生物图像进行P图，让其更为清晰。 最关键的是，雅克·杜波切特发明了在对生物分子进行图像拍摄之前让生物分子冷冻起来的方法，既不损害生物分子，又能保持其本尊模样。在上世纪80年代早期，杜波切特将水加入电子显微镜，产生“水的玻璃化”，即通过快速降温，让水在保持液态的前提下在生物样本周围迅速固态化，从而让生物分子能够在真空腔内保持其自然状态下的形态，并在液氮温度下的电子显微镜下观察，由此奠定了冷冻电镜制样与观察的基本技术手段。 这一成果也标志着冷冻电镜技术的诞生，并且让人能在冷冻电镜下观察到原汁原味的有生命力的生物分子。所以，这项技术既是物理的，也是生物分子，还是化学的。 正因为有这样的技术，对生物分子的观察可以达到原子层面，能将那些以前都不能观测到的结构和过程呈现在人们眼前。如今，研究人员使用冷冻电镜技术分析生物分子三维结构已经是一种常规做法，无论是研究导致抗药性的蛋白质结构，还是观察寨卡病毒的外观，都达到了极为细致的层面，产生了极清晰的图像。这样的技术无疑将为生命科学、医学、化学以及药物研究带来飞跃。 其实，这样的多学科结合产生科学成果在科学史上早就有先例了。最初，20世纪50年代，姆斯·沃森、弗兰西斯·克里克受美国化学家鲍林用X射线衍射图谱研究蛋白质和DNA的影响(鲍林获得了一些DNA的X射线晶体衍射图片)，认为DNA是三螺旋结构。但是，无论如何都无法建立起正确的DNA结构。在1953年2月14日的讨论中，另一位物理学家威尔金斯出示了一幅她与弗兰克林获得的非常清晰的DNA晶体衍射照片，这张图片显示，DNA链只能是在双链结构下才会显示出漂亮而清晰的结构。 于是，1953年2月28日沃森和克里克重新搭建出了正确的DNA双螺旋结构，并在1953年4月25日《自然》杂志发表了这一结构。由此，詹姆斯·沃森、弗兰西斯·克里克和莫里斯·威尔金斯共同获得1962年诺贝尔生理学或医学奖。 这就是典型的生物学与物理学和化学相结合取得重大认知成果的范例。因此，今天，当人们说诺贝尔化学奖是“不务正业”或“狗拿耗子”时，那是没有领会到，很多时候通过不务正业的多学科合作，才有可能真正认识事物的本来面目和规律。 科学精神 张田勘专栏 (作者系北京学者) |
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