兩次錯過諾獎級發現 但這位科學家說他並不後悔

諾貝爾化學獎不愧有理科綜合獎的「美譽」,今年又獎給了生物相關技術領域的科學家。法國女科學家埃瑪紐埃勒·卡彭蒂耶和美國女科學家珍妮弗·安妮·道德納因「基因魔剪」勇奪桂冠。

兩次錯過諾獎級發現 但這位科學家說他並不後悔

來源:諾貝獎官網

國人在為同樣從事這一領域研究的華裔學者張鋒沒能獲獎感到惋惜的同時,日媒也在為另外一位科學家感到遺憾。這位科學家早在1987年就窺探到了魔剪奧秘的一角,且在1996年又曾經獲得過一次重新審視目標的良機。然而他最終還是把好奇埋在了心里,沒有讓這顆種子萌發成長。

回顧日本微生物學家石野良純的研究生涯,那些與基因魔剪擦身而過的瞬間,只能說冥冥之中自有天意。

到底是什麼原因讓比世人早大約十年闖進這個領域的他最終沒能成為掌控魔剪奧義的第一人?他怎麼看待這項技術的發展歷程?他到底有沒有遺憾和後悔?通過他在多次采訪中向記者吐露的心聲,我們能有機會一探究竟。

兩次相遇,又兩次匆匆別離

1987年,當時在大阪大學微生物學研究所擔任研究員的石野良純正在如痴如醉地研究大腸桿菌中某些酶的功能,這些酶作為蛋白質,是由細菌的DNA編碼合成的。因此為了研究酶,石野還需要對編碼這些酶的基因序列進行解析。那個時代不像現在一樣擁有可以迅速解析特定基因序列的技術,石野的工作十分艱苦,好在最終解析獲得了成功。

然而,在得到結果的同時,石野發現在大腸桿菌基因組的某個片段中,有一些來回重復的鹼基序列,它們的排列似乎毫無意義,但又極具規律。

石野後來回憶稱:「當時面對的形勢是,本來想要進行的課題已經取得了成功,論文也完成了。我雖然搞不懂這些奇怪序列到底有什麼意義,但它們完全不影響論文的主幹。如果妄自在論文中加上一些自己解釋不了的怪現象,萬一被審稿人問起來恐怕不好應付。」

石野在心里暗自思忖後,還是決定報道這一現象,並在論文的最後五行寫下了這樣的評論:「雖然其生物學意義尚不清楚,但這種奇特的序列值得深入探討。」隨後,石野前往美國進行細菌和古細菌的相關研究,神秘序列也被他完全擱置。

石野和基因魔剪的第一次邂逅就這樣戛然而止,連擦出火花都算不上。這些神秘的基因序列就像古墓大門上的符文,等待着人類的解讀。

石野在美國的研究進行得順風順水。1996年,他所在的研究團隊發表了全球第一個古細菌基因組圖譜。然而,神秘的序列又一次不期而至。石野發現這種產甲烷菌雖然並非是和大腸桿菌一樣的真細菌,但基因組中同樣出現了意義不明的反復序列。

「現在回想起來,當時是個很好的契機,要是能馬上把研究重心放在這上面就好了……」,石野面對着前來采訪的記者說着半開玩笑半認真的話。「當時手上正好還有很多特別有意思的古細菌課題,我也是沉醉其中不能自拔,根本騰不出手想別的事情。」

就這樣,雖然神秘符文在十年後又一次訪問了石野,而且是在和真細菌有所不同的古細菌中現身,石野還是沒有分心於它們的誘惑。

封印數十億年的奧秘

在石野第二次得到符文的暗示之前,其實已經有其他細菌學者注意到了它的普遍存在。

1993年,西班牙和荷蘭研究團隊相繼發現在細菌和古細菌的基因編碼中存在奇特的重復序列。然而,這些密碼的意義仍然沒有人能夠讀出。看到這里,相信大家都會為石野感到惋惜,哪怕按照1993年計算,他最初的發現也足足領先這個世界67年。

進入21世紀後,世界各地的科學家們不斷在細菌和古細菌中發現新的神秘序列,很多人開始意識到這將是重大發現的契機,越來越多的團隊加入到了序列解讀的任務中。

技術的進步和關注度的增加讓序列的最終破譯很快就得以實現。2005年,有研究指出神秘的序列或許是一種細菌體內的防禦機制。2007年,科學家們最終證明了神秘序列居然是細菌封印在體內的「符咒」,它們是細菌驅除「魔鬼」的「利器」。這充滿了中二氣息的比喻到底是怎麼回事呢?

這要從細菌與其天敵間的斗爭說起。細菌或者古細菌在自然界中最大的敵人之一就是噬菌體,它本質上是一種專門入侵細菌的病毒。為了抵禦噬菌體的入侵,細菌們進化出了一種類似於人類免疫系統的機制,他們先捕捉到入侵病毒,再將這些病毒的DNA進行分解,使之變成一系列片段。

然後,厲害的一招來了,細菌會把其中一些來自病毒DNA的片段整合進自己的DNA中。在這些片段間,細菌會加入一些重復的鹼基編碼,例如…CGGTTT…CGGTTT…CGGTT…,其中省略號的部分代表來自病毒的DNA片段,而CGGTT就是細菌或者古細菌基因組中反復出現的神秘序列。

兩次錯過諾獎級發現 但這位科學家說他並不後悔

噬菌體和噬菌體侵染細菌示意圖(左),吸附於大腸桿菌表面的噬菌體(右),來源:維基百科「噬菌體」條目

再有同種病毒入侵細菌時,細菌就會將這些病毒的DNA和自己DNA中存儲的敵人信息進行對比。一旦比對成功,意識到敵人卷土重來的細菌就會立刻派出一種叫做Cas的蛋白質。Cas蛋白類似於人類免疫系統中的各種「打手」細胞,它像一把剪刀一樣,可以將入侵的病毒DNA大卸八塊。如此一來,細菌就能在病毒的威脅下安穩生存了。

這就好比古代的人類戰士殺死一個敵人就拔下一顆敵人的牙齒做成項鏈一樣,細菌這麼做就是提醒自己,千萬不要忘記這些曾經入侵自己家園的敵人。在細菌和古細菌數十億年的進化史中,最初來自於入侵者的基因序列,像封印進身體的符咒,護佑主人的生生世世。

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細菌體內的CRISPR/Cas9系統示意圖 來源:諾貝爾獎官網(翻譯Ryan)

神秘的符咒和上帝的剪刀

符咒謎底的揭開,並不意味着基因魔剪技術的立馬實現,人類還差一個天才般的發想。

這次獲得諾獎的兩位科學家(包括同時開展研究的張鋒等人),敏銳地意識到細菌身上的這種特質可以為人類精確進行DNA編輯提供可能。她們將細菌中的這套系統進行改良,使之不光可以識別入侵的病毒,還能識別任意的DNA片段,而且在識別後還能對其進行修改,這就是獲得今年諾獎的CRISPR/Cas9基因編輯系統。其中的CRISPR代表發現於細菌中的神奇序列,Cas9代表扮演剪刀角色的修剪蛋白。

以前人們想要對特定物種的基因進行編輯,只能將希望引入的DNA搭載於病毒一類載體上,再將其注射入細胞。雖然這種辦法確實也能實現基因編輯,但最大的問題是載體並不知道到底該把這段DNA運到什麼地方,結果就是出現一系列被隨機編輯的DNA。想要找出其中的有用變異,還得再進行篩選,效率非常低下。

如今,科學家們只需要製成與希望編輯的DNA片段相互配對的RNA片段(稱為小向導RNA),再讓它作為向導,指引Cas蛋白剪切目標位置的基因。小向導RNA可以識別出需要到達的DNA位置,並在此處引導Cas對DNA進行切斷。切斷後的DNA可以進行突變甚至片段替換,無論哪種形式都可以實現DNA的按需編輯。

基因魔剪的出現,讓定向修改基因組中特定基因的難度急劇下降,人類終於擁有了實用化的基因編輯工具。這也是為什麼這項技術也被稱作是「上帝的剪刀」。

兩次錯過諾獎級發現 但這位科學家說他並不後悔

基因魔剪示意圖,來源:諾貝爾獎官網(翻譯:栗子)

榮耀屬於群體

擁有兩次先機的石野終究還是沒有去嘗試識破咒語,而成功解謎敲開大門的學者們也沒能拿走最大的那顆鑽石。在基因魔剪的開發過程中,最後拿到王冠的兩位科學家似乎不是到得最早的,也不是堅持時間最久的,甚至不是出力最多的,但無疑是最有想象力的。

對此,石野本人也有過非常誠懇的評論:「卡彭蒂耶和道德納成功將CRISPR/Cas9開發為了一個直接編輯基因的工具,具有巨大的應用價值,獲得諾貝爾獎並不奇怪。然而,一路走來的任何一個環節中,每一位科學家的貢獻都很難忽略。意識到CRISPR與細菌的免疫系統有關,對其作出預言乃至對其進行實驗驗證的科學家以及揭開Cas蛋白質結構和運作機理的科學家們,誰最終得到諾獎都不能說奇怪。」

「曾經也有很多人認為,諾貝爾獎對於原創性有着格外的重視,我的發現也有希望占據一席之地。但確實我在當初完全沒有意識到自己發現的生物學意義,僅僅指出這可能是一個有意思的發現而已。雖然那並非是我的主要研究目的,但是我僅僅是提出這個發現(就為自己帶來了很多的關注)。因此我一方面覺得幸運,另一方面也覺得如果當時能夠稍微進行一些深入研究,再有一些像樣的預言或者是結論,我現在應該能夠更加理直氣壯(地說自己在這一系列發現中有過很大的貢獻)。」

「不過我還是有句話得講,在我從事這項研究的那個時代,解析DNA序列的技術非常原始……(此處省略若干技術細節)……我全靠着手工作業,每天工作15個小時,持續了半年之久才完成了當時的研究。按照如今的技術來說,想要解讀我30年前那段大腸桿菌的基因序列,只要2天時間。」

「當時真的很辛苦,我主要的研究對象就是解讀那段編碼特定酶的DNA,當我發現自己進入了CRISPR的區域,完全可以在當時就停下來。可是我覺得既然走了這麼遠的路,我還是想親手把它解讀出來,看看到底是怎麼回事。現在想來,正是這種堅持才讓我的名字能夠出現在CRISPR開發的歷史上,讓我能被大家稱作是CRISPR的發現人。」石野不無感慨地說。

在得知基因魔剪獲得諾獎後,記者也第一時間對石野進行了采訪。他表示自己非常高興,甚至是興奮,並對兩位女科學家表達了真誠懇切的祝賀。

「坦率地說,我並沒有能夠真正地參與到這項成就中,但我並不後悔,古細菌的其他研究同樣讓我感到快樂,並一直支持着我走到今天。雖然我今年已經64歲了,但有幸在退休之前一年拿到了CREST項目(日本最高級別的科研項目之一,經費在數千萬人民幣左右),這讓我又能再進行五年的研究工作。」

在世人眼里,徘徊在神秘符咒的大門外最終沒能破門而入的石野良純確實有點「倒霉」。但他同樣找到了自己的寶藏,並為之快樂而滿足地傾注了整個科研生涯。從這個角度來說,我們相信即便有過遺憾,但他的確不曾後悔。

兩次錯過諾獎級發現 但這位科學家說他並不後悔

實驗中的石野教授,攝於2016年12月 來源:東京新聞

來源:cnBeta