两次错过诺奖级发现,这位日本科学家说他并不后悔
发布时间:2020-10-12
出品:科普中国
制作:张昊(大阪大学)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  诺贝尔化学奖不愧理科综合奖的“美誉”,今年又奖给了生物相关技术领域的科学家

  法国女科学家埃玛纽埃勒·卡彭蒂耶和美国女科学家珍妮弗·安妮·道德纳因“基因魔剪”勇夺桂冠。

  

  来源:诺贝奖官网

  国人在为同样从事这一领域研究的华裔学者张锋没能获奖感到惋惜的同时,日媒也在为另外一位科学家感到遗憾。这位科学家早在1987年就窥探到了魔剪奥秘的一角,且在1996年又曾经获得过一次重新审视目标的良机。然而他最终还是把好奇埋在了心里,没有让这颗种子萌发成长。

  回顾日本微生物学家石野良纯的研究生涯,那些与基因魔剪擦身而过的瞬间,只能说冥冥之中自有天意。

  到底是什么原因让比世人早大约十年闯进这个领域的他最终没能成为掌控魔剪奥义的第一人?他怎么看待这项技术的发展历程?他到底有没有遗憾和后悔?通过他在多次采访中向记者吐露的心声,我们有机会一探究竟。

两次相遇,两次匆匆别离

  1987年,当时在大阪大学微生物学研究所担任研究员的石野良纯正在如痴如醉地研究大肠杆菌中某些酶的功能,这些酶作为蛋白质,是由细菌的DNA编码合成的。因此为了研究酶,石野还需要对编码这些酶的基因序列进行解析。那个时代不像现在一样拥有可以迅速解析特定基因序列的技术,石野的工作十分艰苦,好在最终解析获得了成功。

  然而,在得到结果的同时,石野发现在大肠杆菌基因组的某个片段,有一些来回重复的碱基序列,它们的排列似乎毫无意义,但又极具规律。

  石野后来回忆称:“当时面对的形势是,本来想要进行的课题已经取得了成功,论文也完成了。我虽然搞不懂这些奇怪序列到底有什么意义,但它们完全不影响论文的主干。如果妄自在论文中加上一些自己解释不了的怪现象,万一被审稿人问起来恐怕不好应付。”

  石野在心里暗自思忖,还是决定报道这一现象,并在论文的最后五行写下了这样的评论:“虽然其生物学意义尚不清楚,但这种奇特的序列值得深入探讨。”随后,石野前往美国进行细菌和古细菌的相关研究,神秘序列也被他完全搁置。

  石野和基因魔剪的第一次邂逅就这样戛然而止,连擦出火花都算不上。这些神秘的基因序列就像古墓大门上的符文,等待着人类的解读。

  石野在美国的研究进行得顺风顺水。1996年,他所在的研究团队发表了全球第一个古细菌基因组图谱。然而,神秘的序列又一次不期而至。石野发现这种产甲烷菌虽然并非是和大肠杆菌一样的真细菌,但基因组中同样出现了意义不明的反复序列。

  “现在回想起来,当时是个很好的契机,要是能马上把研究重心放在这上面就好了……”,石野面对着前来采访的记者说着半开玩笑半认真的话。“当时手上正好还有很多特别有意思的古细菌课题,我也是沉醉其中不能自拔,根本腾不出手想别的事情。”

  就这样,虽然神秘符文在十年后又一次访问了石野,而且是在和真细菌有所不同的古细菌中现身,石野还是没有分心于它们的诱惑。

  

  来源:Freepik.com

封印数十亿年的奥秘

  在石野第二次得到符文的暗示之前,其实已经有其他细菌学者注意到了它的普遍存在。

  1993年,西班牙和荷兰研究团队相继发现在细菌和古细菌的基因编码中存在奇特的重复序列。然而,这些密码的意义仍然没有人能够读出。看到这里,相信大家都会为石野感到惋惜,哪怕按照1993年计算,他最初的发现也足足领先这个世界67年。

  进入21世纪后,世界各地的科学家们不断在细菌和古细菌中发现新的神秘序列,很多人开始意识到这将是重大发现的契机,越来越多的团队加入到了序列解读的任务中。

  技术的进步和关注度的增加让序列的最终破译很快就得以实现2005年,有研究指出神秘的序列或许是一种细菌体内的防御机制。2007年,科学家们最终证明了神秘序列居然是细菌封印在体内的“符咒”,它们是细菌驱除“魔鬼”的“利器”。这充满了中二气息的比喻到底是怎么回事呢?

  这要从细菌与其天敌间的斗争说起细菌或者古细菌在自然界中最大的敌人之一就是噬菌体,它本质上是一种专门入侵细菌的病毒。为了抵御噬菌体的入侵,细菌们进化出了一种类似于人类免疫系统的机制,他们先捕捉到入侵病毒,再将这些病毒的DNA进行分解,使之变成一系列片段。

  然后,厉害的一招来了,细菌会把其中一些来自病毒DNA的片段整合进自己的DNA中。在这些片段间,细菌会加入一些重复的碱基编码,例如…CGGTTT…CGGTTT…CGGTT…,其中省略号的部分代表来自病毒的DNA片段,而CGGTT就是细菌或者古细菌基因组中反复出现的神秘序列。

  

  噬菌体和噬菌体侵染细菌示意图(左),吸附于大肠杆菌表面的噬菌体(右),来源:维基百科“噬菌体”条目

  再有同种病毒入侵细菌时,细菌就会将这些病毒的DNA和自己DNA中存储的敌人信息进行对比。一旦比对成功,意识到敌人卷土重来的细菌就会立刻派出一种叫做Cas的蛋白质。Cas蛋白类似于人类免疫系统中的各种“打手”细胞,它像一把剪刀一样,可以将入侵的病毒DNA大卸八块。如此一来,细菌就能在病毒的威胁下安稳生存了。

  这就好比古代的人类战士杀死一个敌人就拔下一颗敌人的牙齿做成项链一样,细菌这么做就是提醒自己,千万不要忘记这些曾经入侵自己家园的敌人。在细菌和古细菌数十亿年的进化史中,最初来自于入侵者的基因序列,像封印进身体的符咒,护佑主人的生生世世。

  

  细菌体内的CRISPR/Cas9系统示意图,来源:诺贝尔奖官网(翻译Ryan

神秘的符咒和上帝的剪刀

  符咒谜底的揭开,并不意味着基因魔剪技术的立马实现,人类还差一个天才般的发想。

  这次获得诺奖的两位科学家(包括同时开展研究的张锋等人),敏锐地意识到细菌身上的这种特质可以为人类精确进行DNA编辑提供可能。她们将细菌中的这套系统进行改良,使之不光可以识别入侵的病毒,还能识别任意的DNA片段,而且在识别后还能对其进行修改这就是获得今年诺奖的CRISPR/Cas9基因编辑系统。其中的CRISPR代表发现于细菌中的神奇序列,Cas9代表扮演剪刀角色的修剪蛋白。

  以前人们想要对特定物种的基因进行编辑,只能将希望引入的DNA搭载于病毒一类载体上,再将其注射入细胞。虽然这种办法确实也能实现基因编辑,但最大的问题是载体并不知道到底该把这段DNA运到什么地方结果就是出现一系列被随机编辑的DNA。想要找出其中的有用变异,还得再进行筛选,效率非常低下。

  如今,科学家们只要制成与希望编辑的DNA片段相互配对的RNA片段(称为小向导RNA),再让它作为向导,指引Cas蛋白剪切目标位置的基因。小向导RNA可以识别出需要到达的DNA位置,并在此处引导CasDNA进行切断。切断后的DNA可以进行突变甚至片段替换,无论哪种形式都可以实现DNA的按需编辑。

  基因魔剪的出现,让定向修改基因组中特定基因的难度急剧下降,人类终于拥有了实用化的基因编辑工具。这也是为什么这项技术也被称作是“上帝的剪刀”。

  

  基因魔剪示意图,来源:诺贝尔奖官网(翻译:栗子)

荣耀属于群体

  拥有两次先机的石野终究还是没有去尝试识破咒语,而成功解谜敲开大门的学者们也没能拿走最大的那颗钻石。基因魔剪的开发过程,最后拿到王冠的两位科学家似乎不是到得最早的,也不是坚持时间最久的,甚至不是出力最多的,但无疑是最有想象力的。

  对此,石野本人也有过非常诚恳的评论:“卡彭蒂耶和道德纳成功将CRISPR/Cas9开发为了一个直接编辑基因的工具,具有巨大的应用价值,获得诺贝尔奖并不奇怪。然而,一路走来的任何一个环节中,每一位科学家的贡献都很难忽略。意识到CRISPR与细菌的免疫系统有关,对其作出预言乃至对其进行实验验证的科学家以及揭开Cas蛋白质结构和运作机理的科学家们,谁最终得到诺奖都不能说奇怪。”

  “曾经也有很多人认为,诺贝尔奖对于原创性有着格外的重视,我的发现也有希望占据一席之地。但确实我在当初完全没有意识到自己发现的生物学意义,仅仅指出这可能是一个有意思的发现而已。虽然那并非是我的主要研究目的,但是我仅仅是提出这个发现(就为自己带来了很多的关注)。因此我一方面觉得幸运,另一方面也觉得如果当时能够稍微进行一些深入研究,再有一些像样的预言或者是结论,我现在应该能够更加理直气壮(地说自己在这一系列发现中有过很大的贡献)。”

  “不过我还是有句话得讲,在我从事这项研究的那个时代,解析DNA序列的技术非常原始……(此处省略若干技术细节)……我全靠着手工作业,每天工作15个小时,持续了半年之久才完成了当时的研究。按照如今的技术来说,想要解读我30年前那段大肠杆菌的基因序列,只要2天时间。”

  “当时真的很辛苦,我主要的研究对象就是解读那段编码特定酶的DNA,当我发现自己进入了CRISPR的区域,完全可以在当时就停下来。可是我觉得既然走了这么远的路,我还是想亲手把它解读出来,看看到底是怎么回事。现在想来,正是这种坚持才让我的名字能够出现在CRISPR开发的历史上,让我能被大家称作是CRISPR的发现人。”石野不无感慨地说。

  

  来源:Freepik.com

  得知基因魔剪获得诺奖后,记者也第一时间对石野进行了采访。他表示自己非常高兴,甚至是兴奋,并对两位女科学家表达真诚恳切的祝贺。

  “坦率地说,我并没有能够真正地参与到这项成就中,但我并不后悔,古细菌的其他研究同样让我感到快乐,并一直支持着我走到今天。虽然我今年已经64岁了,但有幸在退休之前一年拿到了CREST项目(日本最高级别的科研项目之一,经费在数千万人民币左右),这让我又能再进行五年的研究工作。”

  在世人眼里,徘徊在神秘符咒的大门外最终没能破门而入的石野良纯确实有点“倒霉”。但他同样找到了自己的宝藏,并为之快乐而满足地倾注了整个科研生涯。从这个角度来说,我们相信即便有过遗憾,但的确不曾后悔。

  

  实验中的石野教授,摄于201612月,来源:东京新闻

参考文献:

1.「ゲノム編集」技術、基礎に日本の研究 九州大・石野良純教授、特殊なDNA配列を発見

https://www.sankei.com/region/news/170601/rgn1706010004-n1.html

2.「ミスター・クリスパー」光栄 化学賞ゲノム基礎発見 石野九州大教授

https://www.nishinippon.co.jp/item/n/652154/

3.遺伝子操作「ゲノム編集」のルーツ、クリスパー

https://sangakukan.jst.go.jp/journal/journal_contents/2019/04/articles/1904-02/1904-02_article.html

4.「あのとき調べれば…」ノーベル化学賞のゲノム編集「第一発見者」の日本人研究者が漏らした言葉

https://www.tokyo-np.co.jp/article/60367

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