化学奖：找到生命传译者

http://www.sina.com.cn 2009年10月15日14:26 中国新闻周刊

　　化学奖：找到生命传译者

　　破解核糖体结构的意义，不仅在于它回答了生命过程的基本问题，从核糖体的结构出发，科学家可以有意识地研发抗生素

　　本刊特约撰稿/贺涛

　　有些科学成就众望所归地早晚会拿诺贝尔奖，揭秘核糖体结构和功能的研究就是其中之一。只是由于为其作出显著贡献的科学家名字有一长溜，曾有人笑言，得等到其中某些候选人过世后，这一研究才能被授予诺贝尔奖。

　　不过，评选的难题没有阻碍诺贝尔委员会的决定，北京时间10月7日下午5点45分，美国科学家文卡特拉曼·拉马克里希南(VenkatramanRamakrishnan)、托马斯·施泰茨(ThomasSteitz)以及以色列科学家阿达·约纳特(Ada Yonath)因在核糖体结构和功能研究中的杰出贡献，荣获了2009年诺贝尔化学奖。

　　核糖体解码高手

　　核糖体是进行蛋白质合成的重要细胞器，了解核糖体的工作机制对了解生命具有重要意义。如果说绘制生命蓝图的是DNA序列，那么制造生命的工厂就是核糖体。

　　从单细胞结构的细菌到复杂的人类，各种生命体中核糖体的工作方式都惊人地相似：当一段DNA序列要创造一个蛋白质时，它要将遗传信息交给一位可靠的信使，即信使RNA，这一过程称为转录。然后，核糖体能沿着信使RNA模板一边移动，一边一字不差地“翻译”着DNA上的遗传密码，最终拼装出蛋白质。通过这一过程合成的各种蛋白质可以执行生命的各种功能——包括生成皮肤和骨骼、创建免疫系统及将氧气运输至我们的全身各处。

　　核糖体在这一过程中发挥举足轻重的作用，可以说，如果没有核糖体参与DNA的蛋白质合成的话，就不会有生命。作为生命体中最小的细胞器，核糖体的直径只有大约二十几个纳米，透过最高倍的光学显微镜，也看不到它的踪影。

　　到20世纪60年代，许多生物学家都了解了上面的知识，但是他们在不了解核糖体详细结构的情况下不能更进一步。核糖体包含有成千上万的原子，研究它的结构看起来是不可能完成的任务。

　　一个核糖体大分子通常由两部分构成：大亚基和小亚基。大亚基是结合转运RNA的亚基，小亚基在蛋白质合成中负责信息识别。

　　站在诺奖前辈肩上的拓荒之旅

　　在叙述这段伟大的科学探索之旅前，需要先介绍两项同样获得了诺奖的研究。因为核糖体的研究突破与这两项揭开基因工作机理的研究密不可分。

　　第一个是1962年诺贝尔生理学或医学奖获得者弗兰西斯·克里克(Francis Crick)、詹姆斯·沃森(James Watson)和莫里斯·威尔金斯(Maurice Wilkins)，他们在发现DNA双螺旋结构方面取得了突破。而为DNA双螺旋结构提供实证论据的分析方法——X射线晶体学——也正是核糖体研究中的主要方法。

　　第二个就是2006年的诺贝尔化学奖，罗杰·科恩伯格(Roger Kornberg)揭示了真核生物体内的细胞如何利用基因内存储的信息生产蛋白质，理解这一点具有医学上的基础性作用，因为人类的多种疾病如癌症、心脏病等都与这一过程发生紊乱有关。

　　今年的3位获奖者，正是站在这些诺奖前辈的肩膀上摘下化学奖。他们揭示了核糖体解读信使RNA并合成蛋白质的更详尽的细节，将生命的故事延伸至更深远的舞台上。

　　约纳特是一个真正的拓荒者。

　　早在20世纪70年代末，她便率先对核糖体展开深入研究。她把目标圈定在生活于恶劣环境下的细菌。因为能在严苛环境中繁衍的细菌，其核糖体必须拥有异常稳定的结构。这样，提取出的核糖体晶体才可能很好地保持原有结构。

　　用X射线照射核糖体晶体，就会产生一幅由大大小小的点构成的衍射图案，使用计算机就可以读出其中的信息，重构出核糖体的内部结构，获知晶体内原子排布的信息。这就是X射线晶体学分析方法。

　　但是，让成千上万的原子呆着不动，然后来给它们画像并不是一件容易的事情。约纳特做了25000次尝试之后，在1980年终于提取了第一个核糖体的三维晶体，可是很遗憾，阿达·约纳特在很长时间里没有解决这一研究中的“相位问题”，因此无法得到核糖体晶体的结构，但领域先驱者的身份已经奠定。

　　约纳特的工作，引导了其他人进入该领域。20世纪90年代初，施泰茨和拉马克里希南加入了这场角逐。

　　1998年，施泰茨成功解决“相位问题”，发表了核糖体大亚基的晶体结构，但分辨率较低，并未给出单个原子的位置。其后的研究越来越集中于提高分辨率上。为获取先前难以获取的生物信息，3名获奖者皆巧妙设计了不少“把戏”，拉马克里希南创造一把“尺子”，令核糖体研究得以精确测量一些数值，这大大突破了先前的局限。

　　完整的“照片”在2000年问世，当施泰茨确定了一种来自死海的细菌的大亚基结构后，约纳特和拉马克里希南确定了另一种耐热菌的小亚基结构。

　　尚待开发的应用意义

　　1999年和2000年，美国《科学》杂志连续两年将他们的工作评为年度十大科技进展，这从一个侧面反映了为核糖体拍照和读片的难度。

　　3位获奖者各自独立进行研究，使用了包括强力粒子加速器产生的X射线和海量计算机运算在内的各种方法，成功描绘出核糖体中成千上万的原子是如何排列和定位的，并最终破解蛋白质合成之谜的“最后一块碎片”。

　　破解核糖体结构的意义，不仅在于它回答了生命过程的基本问题，对于广泛应用的抗生素来说，细菌的核糖体则是一个非常重要的药靶。因为，一旦核糖体无法正常工作，细菌就无法生存。很多抗生素正是通过阻断细菌体内的核糖体功能来达到杀死细菌的效果。

　　从核糖体的结构出发，科学家可以有意识地研发抗生素。约纳特与施泰茨等人正在各自与国际大药厂合作，期望从核糖体三维结构模型出发，研发出新型抗生素。

　　除了生物医学研究方面的应用，核糖体研究的另一项影响是解决了进化领域的经典——先有鸡还是先有蛋的问题。

　　核糖体本身就是一种蛋白质，如果核糖体是合成蛋白质的必须要素，那么核糖体本身是怎么来的呢？这变成一个悖论。

　　现在，科学家搞清了核糖体中起作用的核心是由RNA组成的，蛋白质是后来进化出来的。当RNA学会如何制造蛋白质的那一刻，正是生命进化的关键点。

　　值得记住的落选者

　　“科学是高度合作的事业，很多人对核糖体的研究作出了贡献。所以，从某个角度来说，我们只是一群努力者的代表。”当拉马克里希南在得知自己获奖的消息后说。

　　这并非谦虚之辞，因为在三位获奖者身后，很多人对核糖体的结构和功能研究亦有很大贡献，加州大学教授哈里·诺勒(Harry Noller)和耶鲁大学教授皮特·摩尔(PeterMoore)正是其中最具竞争力的两位。