他靠一次实验失败拿下诺奖,80岁高龄仍改造DNA创人造细菌

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薛定谔撰写的《生命是什么》被奉为20世纪伟大科学经典之一。

书中内容以物理学家的角度思考生命的本真,精华处更有“生命以负熵*为生”之说法。

《生命是什么》为之后分子生物学的搜索方向提供了最初的灵感。

*注:“熵”代表着某种混乱和无序,“负熵”是与“熵”反其道而行之的一种现象。薛定谔认为非生命现象的运行路径是从有序,经历平衡状态而走向无序。生命现象的运行路径是由无序经历平衡状态而走向有序。

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《生命是什么》薛定谔著

如果说薛定谔点亮了分子生物学的引路灯,那限制性内切酶的发现便是找到了开启DNA宝藏的钥匙。

是这把宝藏让生物技术深入诸如药物生产、食品、服装等等行业之中。

发现这把钥匙的微生物学家叫做哈密尔顿 · 史密斯,如今已经86岁高龄。

他也不曾料到一次失败的实验能为他带来诺贝尔奖,世界还因此产生巨大的改变。

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哈密尔顿 · 史密斯

1931年8月23日,史密斯出生在美国纽约,他的父亲是伊利诺伊大学的教授,母亲是中学教师。

良好的家庭环境使他擅于学习,他17岁从伊利诺伊大学附属高中(Uni)毕业,升入伊利诺伊大学香槟分校,主修数学。

大学期间,他转学加州大学伯克利分校,于1952年毕业获数学学士学位。

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Uni

随后,史密斯在约翰霍普金斯大学读博,主攻医学,并在1956年拿到医学博士学位。

毕业后,他开始在圣路易斯巴恩斯医院实习,也是这一年他与他夫人伊丽莎白·波尔顿护士结婚。

翌年,史密斯服从安排到海军总部服役2年,成为了当时的药房负责人。

他当时要负责为1100名平民、500~600名军人服务,此时的他正计划继续在医学上发展。

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位于Homewood校区的Gilman Hall

谈起转业做起分子生物学,史密斯笑称:他猜测,做研究的想法应该从出生起就开始的。

当时在海军服役时,他注意到一些疾病因为遗传性缺陷,从而阅读了许多分子生物学相关的书。

他开始了解到人体的46条染色体、染色体异常等等,有趣的内容让他逐渐深陷其中。

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他开始自学生物学,慢慢放弃了医学转入新兴的分子生物学领域。

后来他在他父亲的介绍下认识了当时正做着“人类遗传学系”的吉姆·内尔。

在内尔的实验室里工作期间,史密斯在美国国家科学院学报上发表了一篇文章,在《Science》上发表了一篇文章,逐渐迈入了科研领域。

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美国国家科学院学报(PNAS)

在做出一定成绩后,史密斯收到了霍普金斯大学的邀请。

当他来到这里,他发现这里有许多的实验者重复着相似的实验。

而史密斯柔软开朗的外表下实则有着一颗与众不同的心,他不希望做着“我也是”的实验。

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于是他开始寻找不一样的实验内容,他开始探究重组的过程。

在当时,谁都知道基因重组(每个生物体都有一套基因重组的体系),但是却没有人了解其中细节。

他选择了名为流感嗜血杆菌的细菌,和他的第一位研究生肯特·威尔科特斯一起研究流感嗜血杆菌的基因重组过程。

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流感嗜血杆菌

流感嗜血菌会摄取来自外源的游离DNA片段,再将这些DNA片段整合到自己的基因组中。

这样的转化方式赋予流感嗜血菌许多新特性,但同时也会被一些(如噬菌体一类)病毒利用。

它们通过插入自己的DNA,劫持细菌内部的基因重组“装置”,利用宿主的蛋白质编译系统构建自己所需的蛋白质外科,从而进行不断的复制。

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依照这个特点,他们设计了一组实验:

首先他们利用病毒的特点,让它们感染具有放射性同位素的流感嗜血杆菌体内增殖,新增殖的病毒便会具有放射性。

随后,再用新增殖的病毒侵染另一批正常的的流感嗜血杆菌。

如果实验进展顺利,在正常的流感嗜血杆菌中可以检测到放射性。

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但实验结果出乎意料,研究生威尔科特斯没有在第二批细菌中检测到放射性。

一开始,史密斯以为是威尔科特斯在实验步骤中出现了错误导致失败结果。

但威尔科特斯确定他的实验步骤没有出错,他灵光一闪想到一种可能:难道会是限制吗?

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在这次实验开始前几年,日内瓦大学的微生物学家沃纳·阿尔伯提出一种设想:有一种酶,可以通过切断病毒的DNA来限制病毒增殖。

史密斯也曾给威尔科特斯推荐了一篇哈佛大学的学者马修·梅斯森与罗伯特·元的论文:他们宣布发现了首个I型限制酶*,证实了阿尔伯的猜想。

而这些也给了威尔科特斯灵感,他认为可能有一种限制性内切酶的存在。

*注:第一型限制酶:同时具有修饰及认知切割的作用,通常其切割位距离认知位可达数千个碱基之远,并不能准确定位切割位点,所以并不常用。

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第二天,史密斯想到了一个很简单的方案,可以在十分钟内确定答案是什么。

他们使用粘度计进行检测:往一个装有足量DNA的试管中加入流感嗜血杆菌提取物,观察粘度变化。

由于DNA的长度越长粘度越高,因此如果粘度不变或增高,则代表其中不含有限制性内切酶,如果粘度下降,则反之。

结果显而易见,DNA被剪短,粘度下降,某种限制酶在作祟!

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这一天是1968年5月28日,对于史密斯来说是极重要的一天。

史密斯在接下来的日子里重复进行分离工作,他们最终找到了限制性内切酶。

这是第一种II型限制酶*(HindII),能够精准地“处决”那些贼心不死的外源DNA。

同时他们也发现了甲基化酶:这种酶通过用碳原子和氢原子保护细菌原有的DNA,免受HindII的攻击。

*注:第二型限制酶:只具有认知切割的作用,修饰作用由其他酶进行。所认知和剪切的位置多为短的回文序列,是遗传工程上,实用性较高的限制酶种类。

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史密斯很快将他们的研究过程和研究结果在各大科学杂志发表,吸引了一大批科学家进行相关研究。

HindII逐渐被当做一种精准化的工具,用作于创造出前所未见的新DNA片段。

限制性内切酶除了为分子生物学界带来崭新玩法外,也为史密斯带来了意外惊喜:

1978年,史密斯被告知与沃纳·阿尔伯(提出猜想)、丹尼尔·纳思斯(进一步研究限制酶的学者)共同获得了当年的诺贝尔医学奖。

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同时,史密斯在此之前还获得了1975年古根海姆学会奖。

他有些惶恐,对于这一个失败的实验引发的众多荣誉他担心受之有愧。

不过他的担心其实多余,限制性内切酶为生物技术带来的改变显而易见,胰岛素的制作就是其中一种。

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史密斯虽已摘得学术研究的最高成就,但依然耕耘不辍。

1993年,他结识了TIGR(基因组研究所)的创始人文特尔。

文特尔有着与史密斯极为相似的经历,他们同样是医学起步,也同样在海军服过役。

但文特尔名声不太好,他还在美国国立卫生研究院(NIH)工作时,便时常提出过于开创性的方案,还总和人争执,揽获“混蛋”恶名。

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克雷格·文特尔

史密斯与文特尔相识,几乎是“一见倾心”

史密斯随即加入了TIGR,开始与文特尔科学上的合作。

他的同僚们都担心这会成为他学术生涯的污点,可是史密斯并不介意这些闲话。

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他们一起着手测定流感嗜血杆菌的基因组序列,这是他们工作组的首次测定工作。

而测定的方法采用的是文特尔提出的散弹枪定序法(Shotgun)*——正是因为这种过于开创性的测定方法,文特尔和NIH高层产生巨大意见分歧。

他们把这条含180万对碱基的基因组切成片段,对其进行测序,然后通过计算机把它们组装成一条完整的基因组序列。

最终的成功让史密斯颇为兴奋。

*注:霰弹枪定序法(又称鸟枪法)是一种广泛使用的为长DNA测序的方法,比传统的定序法快速,但精确度较差。当时NIH便是不认同其精准度便拒绝提供经费给文特尔。

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1998年7月,史密斯从霍普金斯大学离职,加入文特尔的队伍。

也是同一年,文特尔创办的塞雷拉基因组公司开始了自己的人类基因组计划,这次计划公开挑战了早已经启动的“国际人类基因组计划*”

由政府支持的人类基因组测序工作开展8年,但仅仅测定了基因组的3%,却因为文特尔的团队加入,原本预计15年的工作竟提前3年竣工。

*注:人类基因组计划:目标是测定组成人类染色体(指单倍体)中所包含的六十亿对组成的核苷酸序列,从而绘制人类基因组图谱,预期在15年内完成。多数政府资助的测序是在美国,英国,日本,法国,德国和中国的20所大学和研究中心进行。

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文特尔(右)

2010年起,史密斯他们带领团队开始着手于人工设计、合成和装配丝状支原体丝状亚种

然后,他们将这一基因组移植到另一种山羊支原体细菌中,创造了全新的细胞。

同年,《Science》杂志上报道了首例人造细胞的诞生,这是地球上第一个由人类制造并能够自我复制的新物种。

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史密斯(右)与其合作伙伴

从打开“DNA编辑器”到“人造生命”,史密斯总能成功敲开新世界的大门。

如今86岁的史密斯仍打算继续乘风破浪。

要拿什么阻止一个生物学家勘破生物奥秘的豪情?

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