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同步加速器光源孕育出2009年诺贝尔化学奖得主(091014)
时间 : 2009-10-14     

2009年10月7日,瑞典皇家科学院宣布,将2009年度诺贝尔化学奖授予美国科学家文卡特拉曼·拉马克里希南(Venkatraman Ramakrishnan )、托马斯·施泰茨(Thomas A. Steitz)和以色列科学家阿达·约纳特(Ada E. Yonath),以表彰他们在原子水平上展示了核糖体的结构和功能。三人将平均分享约140万美元奖金。

 

 

三位科学家皆利用同步加速器产生的X光来解析核糖体之结构与功能,他们运用同步辐射X光蛋白质结晶学之绕射光谱技术,当光束撞击到核糖体的晶体时,在CCD(Charge Couple Device)探测器上产生上百万的黑点,透过分析绕射产生的图案,成功地绘制出核糖体成千上万个原子的3D位置,这让科学家们不仅了解核糖体的形体,并且在原子层面上揭示了核糖体功能的机理,这对科学理解生命是非常关键的过程。 

三位科学家过去都曾使用美国阿冈国家实验室(Argonne National Laboratory)取得之数据发表论文,他们也分别在National Synchrotron Light Source (NSLS)、Advanced Light Source (ALS)、Advanced Photon Source (APS)、Swiss Light Source (SLS)、及European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)等同步加速器光源设施进行实验,以协助建构核醣体之形体。

从细菌到人体,核醣体存在于所有组织中的所有细胞,它是细胞中最为复杂的机器之一。核醣体读取mRNA (messenger ribonucleic acid)的讯息,以制造出蛋白质,科学家称之为转译,就是在这个转译的过程中,让生命达到了其复杂度的顶点。

这些由好奇心所驱策的研究,也如同过去许许多多的科学实验一样,可以被运用到实际生活上,目前三位科学家绘制的3D大分子模型已被广泛应用于研究新的抗生素,对于减少患者的病痛和拯救更多宝贵的生命将有很大的帮助。

 

核糖体存在于所有生命体的所有细胞中,是进行蛋白质合成的重要细胞器。生命起源于一个细胞核中携带遗传密码的DNA分子。当基因,也就是一段DNA要创造一个蛋白质时,它首先被复制成一段类似的单链RNA,类似于这段DNA的镜像,这段RNA再从细胞核漂浮到核糖体中;在这里,另一段RNA“阅读”到第一个RNA上的信息,以正确的序列组装氨基酸,构成了蛋白质。因此,了解核糖体的工作机制对认识生命有重要意义。

早在20世纪60年代,许多生物学家都已知道这些事实,但因为不清楚核糖体的详细结构,他们无法走得更远。核糖体含有成千上万的原子,弄清楚它们的结构看起来几乎是不可能之事,让人望而却步。 

 

拓荒者

20世纪70年代末,以色列女科学家约纳特步入了这个领域。在《纽约时报》的文章中,美国国家综合医学科学研究院院长杰里米·博格说:“她是一个真正的开拓者。” 

约纳特1939年出生于耶路撒冷,1962年和1964年在希伯来大学获得学士学位和硕士学位,1968年在魏茨曼科学研究所获X射线晶体学博士学位。1970年,她在以色列组建了第一个蛋白晶体学实验室,开始研究核糖体的结构。

她从一种名为Geobacillus stearothemophilus的沙漠细菌中生长出核糖体晶体,然后用X射线照射。穿过晶体层面的X射线衍射成一幅由大大小小斑点构成的图像,计算机阅读出这些斑点的信息并重构出核糖体的内部结构,这种被称为X射线晶体学的技术曾帮助科学家解读出DNA分子的双螺旋结构。

然而,要让成千上万的原子坐好并为它们画像,不是一件容易的事。经过2.5万次的尝试后,1980年,约纳特才获得了第一幅低质量的核糖体的图像;1990年,她提高了晶体图像的质量,但仍在努力挣扎着获得更好的结构。实际上,又过了10年,才有了足够好的核糖体晶体产生出X射线微结构图:几百万个黑点包含了被称为大亚基的原子排列位置,这个大亚基是核糖体结构的一半,另一半是小亚基。

约纳特的成功吸引了其他人,1995年,耶鲁大学的托马斯·施泰茨和他长期的同事彼特·摩尔加入了这场战斗。1998年,根据约纳特的配方,并借助核糖体电子显微镜图像的帮助,他们解决了一个关键问题:解读出大亚基谜宫般图像中的这些黑点。2008年8月,施泰茨小组在美国《科学》杂志上发表了他们对大亚基的解读图。

施泰茨1940年出生于美国威斯康星州,1966年在哈佛大学获得分子生物学和生物化学博士学位,1967年~1970年在英国剑桥大学MRC分子生物学实验室做博士后,1970年至今在耶鲁大学工作。

正当施泰茨和摩尔合作解读核糖体的大亚基图时,一位曾经在摩尔实验室做过博士后的年轻科学家也对核糖体结构图产生了兴趣,他就是文卡特拉曼·拉马克里希南。

拉马克里希南1952年出生于印度金奈,1971年在印度巴罗达大学获物理学学士学位,1976年在美国俄亥俄大学获物理学博士学位,1976年至1978年在加州大学圣迭哥分校获生物学硕士学位,1978年至1982年在耶鲁大学化学系做博士后,1982年至1999年曾先后在美国橡树岭国家实验室布鲁克海文国家实验室工作,1999年至今在英国剑桥大学MRC分子生物学实验室工作。

拉马克里希南是在跟随摩尔作研究时进入核糖体领域的,他解读出了核糖体的另一半小亚基的结构图。

实际上,拉马克里希南和施泰茨都是在布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射研究中心开展他们的X射线工作的。在那里,来自涡流电子束的强烈辐射损失可用于探测物质的性质。

在施泰茨的论文发表在美国《科学》杂志两个月后,拉马克里希南和约纳特的研究小组分别发表了他们对核糖体小亚基组图像的解读。自此,这三个小组和其他小组开始利用这些结构信息和其他知识,在原子水平上了解核糖体如何将遗传信息转录为蛋白质。

 

生物学中心法则 

韦恩·瀚瑞森是美国哥伦比亚大学的X射线结晶学专家,他在接受美国《科学》杂志采访时说:“这是一个令人叹为观止的精彩工作,一段时间以来,这一领域里每个人的这项工作是这样值得获得认可。”

瀚瑞森认为,今年的诺贝尔化学奖完成了诺贝尔奖委员会对生物学中心法则发现的认可。生物学中心法则描述了遗传信息如何从DNA复制到RNA,再转译成蛋白质。1960年,因解读出DNA的原子模型,詹姆森·沃森、弗朗西斯·克里克和莫里斯·威尔金斯共同获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖;2006年,因用X射线解读出RNA聚合物图像,罗杰·科恩伯格获得2006年的诺贝尔奖;“今天对核糖体工作的奖励完成了对中心法则发现的认可”。

如今,这三位科学家的研究小组都已开始将他们的工作推向实际应用。比如,三个小组都已报告了晶体结构,这些结构显示出抗生素与核糖体的结合是如何的不同。几家公司正在利用这些结构设计新的抗生素药物,以对付可怕的感染病。

在接到获得诺贝尔奖的消息时,约纳特正在照看她13岁的孙女,当天,第一个向她表示祝贺的是以色列总统佩雷斯。1994年,佩雷斯和拉宾、阿拉法特共同获得诺贝尔和平奖。

在《纽约时报》的文章中,美国化学学会主席托马斯·莱恩说,约纳特是第四位获得诺贝尔化学奖的女性,也是1964年之后第一次获奖的女性,他认为这反映出化学领域中一种巨大的人口统计学变化,今天,超过50%的化学学位获得者是女性。

在得知获奖消息时,拉马克里希南认为这是一个玩笑,“它(他的成果)只是胜出别人一点点”。当被问及如何使用诺贝尔奖金时,他笑着说,自己甚至还从未有过一辆新汽车,但他可能会为在纽约做大提琴演奏家的儿子买一把大提琴。

谈到核糖体的工作,施泰茨说:“它看起来有点像攀登珠穆朗玛峰……我们知道这是可行的,但我们并不知道如何到达那里。当我们在2000年抵达那里时,真是令人欢喜。事实上,那是我作科学以来最激动人心的时刻。” 

作为美国国家综合医学科学研究院院长,杰里米·博格认为,除了在生物医学领域的应用外,核糖体工作的另一个结果是解决了进化领域经典的“先有鸡还是先有蛋”问题。

博格解释说,如果核糖体被用于制造蛋白质,而它本身就是蛋白质,那么谁是第一个呢?答案是,在核糖体中的活跃核心是由RNA组成的,蛋白质似乎是后来加进去的,这意味着核糖体作为一个以RNA为基础的工厂,进化出了制造蛋白质的能力。如果核糖体依靠蛋白质起作用,那会变成一个悖论。

“这是进化的关键点。”博格说,“当RNA学会制造蛋白质之时。