2009年诺贝尔化学奖得主揭示生命工厂流水线

　　2009年诺贝尔化学奖得主啃下“硬骨头” 核糖体研究揭示生命工厂流水线

　　本报特约撰稿　池晴佳

　　北京时间10月7日，诺贝尔自然科学奖最后一个奖项——化学奖揭晓。来自美国、以色列的3位科学家因“对核糖体结构和功能的研究”而获奖，他们是：英国医学研究委员会（MRC）分子生物学实验室的文卡特拉曼•拉马克里希南（持美国国籍）、耶鲁大学的托马斯•施泰茨、以色列魏茨曼科学研究所的阿达•约纳特。约纳特是1964年以来首位获得诺贝尔化学奖的女科学家，也是以色列第9位获得诺奖殊荣的人。

　　由于生物和化学领域多相通的特点，诺贝尔化学奖也常授予从事生物学研究的人。本届化学奖即授予核糖体研究领域。今天，有关核糖体的结构、物理和化学性质都已研究得比较成熟，有些早已被写入教科书。然而你或许想不到，这个生命过程中的重要角色，曾是生物学界多年不解的谜团。

　　难啃的“硬骨头”

　　核糖体是细胞器的一种，是椭球形的粒状小体，直径只有20纳米左右（1纳米约为十亿分之一米），几乎存在于所有细胞中。核糖体中只含两种成分：65％的核糖核酸（RNA）和35％的核蛋白。

　　早在上世纪50年代，罗马尼亚细胞生物学家乔治•帕拉德（1974年获诺贝尔生理学或医学奖）便使用电子显微镜，在动物细胞中观察到了核糖体（当时未命名）。“核糖体”的正式名称是在1958年由美国科学家理查德•罗伯茨提出的。

　　核糖体被发现时，正值分子生物学发展的井喷期。1953年，美国科学家詹姆斯•沃森和英国科学家弗兰西斯•克里克在英国《自然》杂志上发表论文，提出了具有里程碑意义的DNA双螺旋结构。1958年，克里克提出了集生物学之大成的“中心法则”：遗传信息从DNA传递给RNA，再由RNA传递给蛋白质。人们在深入研究中发现，在将RNA中的遗传信息翻译、表达成蛋白质的过程中起关键作用的，正是核糖体。

　　核糖体的工作就是将DNA含有的各种指令翻译出来，之后生成任务不同的蛋白质，例如用于输送氧气的血红蛋白、免疫系统中的抗体、胰岛素等激素、皮肤的胶原质或用于分解糖的酶等。蛋白质是人类生命活动最重要的物质基础，而核糖体又直接影响到蛋白质合成，其重要性可见一斑。有关核糖体结构和功能的研究立即吸引了众多团队参与，成为备受重视的生物学前沿。

　　但在长达数十年的研究中，人们发现核糖体可谓一块难啃的“硬骨头”，想要观察如此微尺度物质的成分、化学反应机制，以当时的观测条件根本不可能。

　　“农村傻子”敲开微观世界大门

　　想要明白观测手段在生物学研究中的重要性，不妨看看沃森和克里克的例子——他们能发现DNA双螺旋结构，多亏了英国女科学家罗沙琳德•弗兰克林提供的X射线衍射照片（电磁波X射线能穿透一定厚度的物质，使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离）。

　　但要获得核糖体的类似图片却比DNA困难得多，第一个原因是核糖体尺度太小，处在纳米级，而DNA长度却可以达到数十微米（1微米为千分之一米）；另一个更重要的原因是生物学研究中，一般将研究对象形成结晶后再进行结构测定，而在1980年之前，科学界一直对核糖体及其组成部分能否形成具有清晰结构的晶体结构表示怀疑。

　　于是，一些科学家大胆引入在原子物理中经常用的X射线衍射等观测方法。约纳特正是在此时发挥了自己的专业优势，成了3位获奖者中迈步最早的一位。约纳特拥有X射线晶体学博士学位，1970年她组建了以色列第一个蛋白晶体学实验室，将研究方向转向核糖体晶体X射线分析。因这一研究项目周期较长且难出成果，当时她的行为曾招致同事嘲讽，并被送上“农村傻子”的绰号。约纳特孤独地坚持着，1980年她和合作者在美国《国际生物化学》杂志上发表论文，首次报告了一种嗜热型细菌核糖体中的“50S亚基”的三维结晶（亚基又称亚单位，指组成整个单位或结构的一系列粒子或更小的结构），1984年她又首次得到了该晶体的结构信息，在核糖体晶体结构方面迈出了一大步。

　　生命工厂的生产流程

　　约纳特的开创性工作引发了核糖体结晶学研究的热潮，成为用物理学方法探索生物学问题的经典例子。但要将X射线衍射方法大范围用于核糖体结构分析，仍然困难重重，主要是因为“相位问题”的困扰。相位问题指的是衍射过程中，衍射波的相位（反应X射线不同时刻状态的物理量）不能直接测量的问题，从而给结构分析造成困难。

　　施泰茨正是在此时发挥了实验天才。他和合作者采用低温电子显微镜等实验手段，成功解决了困扰科学家们几十年的相位问题，这意味着核糖体结晶学的一个主要障碍被扫清了。1998年，他们在美国著名的《细胞》杂志上发表了研究成果，科学界为之一震。拉马克里希南的贡献，则在于采用新颖的实验手段，得到了核糖体另外一种“30S小亚基”的结构信息。

　　至此，在约纳特、施泰茨、拉马克里希南等人的前赴后继下，科学家们终于能一探核糖体的工作机制，为遗传信息的传递、蛋白质翻译等重大问题提供强有力的证据，并借此弄清一些细菌的抗药机制，研发新的抗生素，帮助人体抵抗顽固疾病。生命工厂流水线的生产流程逐渐展示在人们面前，这些自然存在的生命奥秘，将帮助人类解决自身的问题。