单位文秘网 2021-07-09 08:14:02 点击: 次
2013年11月19日,一位偉大的生物化学家走完了95年的人生旅程。世界各地的科学博客和学术期刊都在撰文纪念他,连一向桀骜不驯的基因组科学家克莱格·文特尔也发了一条Twitter,表示他是“20世纪最伟大的科学家之一,两次改变了科学世界前进的方向”,即使刚去世的这位曾公开批评文特尔的研究所商业色彩太重,分享精神不足。著名科学作者艾德·杨(Ed Young)则写了一段DNA序列来表示哀悼:CGCATTCCGTTTCGCGAAGATAGCGCGAACGGCGAACGC。
这位死者在当学生时成绩普通,从没拿过奖学金,后来却两次获得诺贝尔化学奖,成为惟一一位两获诺贝尔化学奖的科学家;他凡事都爱自己动手,不爱上课也不会带学生,但第一个学生却也是诺贝尔奖得主;他获得过巨大的荣誉,有以自己名字命名的研究所和技术,却淡泊名利,甚至拒绝封爵。他就是弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)。
桑格出生于英格兰格洛斯特郡的一个小镇,父亲是一名医生,曾在中国工作,后因肺结核回国休养。他有一个大他一岁的哥哥西奥多,后来在剑桥大学学习农学。桑格一开始想继承父业,成为医生。但去剑桥上大学之前,他改变了主意,想研究生物了。
在一次采访中,桑格表示,促使他转变职业目标的原因是,他发现自己“与照顾很多人、解决不同的问题相比,更喜欢专注于一个问题,并进行深入的研究”。
桑格在高中时不算出类拔萃,他在自传中承认,“如果不是父母相当富有,我很可能根本进不了剑桥”。和很多大科学家一样,在大学里他有些偏科。在物理和数学上,尽管与身边那些起步更早的同学相比,他学习起来有些吃力,但也比拉丁语和历史要强。
当时的剑桥大学要求学生学习两个主修学科和一个副学科。桑格选择了物理和化学作为主修学科——这也是科学专业学生的标准选择,不过第二年,他就因为实在跟不上物理课程的进度而转去学生理学。在他为选什么作为副学科伤脑筋的时候,看到了学科列表上的一个词:生物化学,导师是欧内斯特·鲍德温(Ernest Baldwin)。此前他从没听说过这门学科,不过用化学来解释生物现象的思路很吸引他。鲍德温博士是一位相当不错的导师,他很有活力,也懂得如何启发学生,于是桑格在拿到学士学位后,决定在剑桥再学一年高等生物化学课。连他自己也没想到的是,他这门课的成绩被列为最优。这对向来功课平庸的他来说是个不小的鼓励,让他决定申请去剑桥刚成立的生物化学系攻读博士学位。此前他对自己的未来并不确定。
桑格给生化系写信,询问自己能否去那里继续求学,一个月都没收到回音,于是,这位“富二代”决定亲自到系里问问。那时,他的父母刚刚去世,他从母亲那里获得一笔不小的遗产——他母亲是一位棉花富商的女儿。他表示可以不需要任何资助,就这样,有几个实验室愿意接受他。
桑格先跟一位有点古怪的蛋白质化学家工作,任务是从草里提取可以食用的蛋白质。这位蛋白质化学家属于“放手型”导师。他给桑格一大罐冻住的碎草让他自己研究,而自己不久之后就离开了剑桥。此时他的化学知识显然不足以支持他独立研究,他希望当时还在做博士后的阿尔伯特·纽伯格(Albert Neuberger)给予指导。在纽伯格那里,桑格完成了博士论文。他的博士研究和赖氨酸代谢有关,没什么特别新颖的地方。但他在纽伯格那里学到了很多,不仅获得了丰富的生物化学知识和实验技巧,而且学会了如何做研究。
获得博士学位后,桑格在剑桥大学生物化学系的新任教授(当时欧洲一般一个系只有一个教授)阿尔伯特·查尔斯·奇布诺尔(Albert Charles Chibnall)那里开始了博士后研究。奇布诺尔当时正在研究胰岛素。胰岛素在人体糖代谢中起到重要作用,如果胰岛素分泌不足,就有可能导致糖尿病。1922年,弗雷德里克·班廷和约翰·麦克劳德发现了胰岛素对糖尿病的治疗作用,他们因此获得了第二年的诺贝尔生理学或医学奖。在那个年代,研究胰岛素的生化性质不仅因为这种蛋白质的医学应用,还因为它是当时仅有的几种能被提纯的蛋白质。
蛋白质由20种氨基酸首尾相连再盘曲缠绕构成,简单地说,蛋白质是由20个字母组成的句子。当时,生化学界对蛋白质存在一些争议。有些人认为蛋白质只是随机的混合物,没有确定的化学组成,也无法用化学方法研究。但奇布诺尔不认同这点,他希望找到蛋白质确定的化学组成——也就是氨基酸链的序列。奇布诺尔发现,胰岛素蛋白质有很丰富的自由氨基,他据此认为胰岛素的氨基酸链很短,因为在排除一些其他因素后,只有氨基酸链的一端才带有自由氨基。所以,他让桑格找到一种方法,可以准确鉴定出胰岛素上的自由氨基,这样就能找到一些胰岛素的长度和氨基酸成分的线索。
桑格的方法是寻找一种化学物质,可以“黏”在自由的氨基上作为标记。但要找到这种化学物质并不简单。首先,它必须有足够的活性,这样灵敏度才足够,并且可以在日常条件下使用。其次,它和自由氨基的结合必须非常紧密,即使在蛋白质被打碎研究的时候也不会掉下来。它最好还要有明显的特征,帮助实验人员鉴定出来。
桑格最终选择了2,4-二硝基氟苯。这种物质在常温下就能和自由的氨基稳定地发生反应,而且在“黏住”氨基后会呈现出黄色。桑格将蛋白质彻底打碎,然后提取出只被标记黏住的那个氨基酸并进行分析,就知道蛋白质链中最顶端的那个氨基酸是什么了。如果不把蛋白质彻底打碎,而是让它断成几个片段,就能鉴定更多位置的氨基酸,并最终得到完整的氨基酸序列。桑格用“拼盘子”来比喻整个分析过程:虽然很难判断在地上摔成20块碎片的盘子原本的样子是什么,但如果你把碎片收集起来,拼在一起,就会看到盘子上的图案。
1953年,桑格成功地测序了胰岛素的氨基酸序列。直到今天,他的方法仍有应用,2,4-二硝基氟苯现在被称为桑格试剂,而它和自由氨基的反应则被称为桑格反应。1958年,桑格单独获得诺贝尔化学奖。
1962年,桑格来到剑桥的分子生物学实验室(Laboratory of Molecular Biology)。许多重要的生物学进展都是在这里出现的,比如DNA的结构和复制原理。虽然桑格当时还不知道DNA序列和蛋白质序列的关系,但他知道DNA是基因的材料,而人类的遗传信息就储存在DNA的序列里。所以,他希望能像给蛋白质测序那样给DNA测序。
如果说蛋白质是由20个字母组成的句子,那么DNA的字母只有4个。但DNA却比蛋白质长得多,有时会有数百万个字母。所以给DNA测序被认为是几乎不可能完成的工作。
一开始,桑格想用与蛋白质测序类似的方法来给核酸测序:打破DNA,就像把盘子砸碎在地上一样。但进展并不顺利,因为通过这种方法进行测序的前提是找到一种合适的方法打破DNA,然后把不同的碎片分离出来,再找出一个特定的碎片进行研究。他没有在DNA上找到合适的类似方法,于是决定反其道而行之,不在“打碎”DNA的过程中对其进行测序,而是在合成DNA的过程里寻找它的序列信息。