诺贝尔化学奖得主和她的中国学生-深度-知识分子

诺贝尔化学奖得主和她的中国学生

2018/10/16
导读
他们无一例外都对自己的工作保持高度的热情,并且全身心致力于做出出色的成果


他们从早期的冷门方向开始,见证了定向进化如何从“小打小闹”,一步步发展成独立的研究领域。2017年10月,弗朗西斯和赵惠民在后者组织的一场会议上。(图片由赵惠民提供)


撰文 | 沈丹丽

编辑 | 一块肉饼


  


美国时间10月3日早上,第一时间得知弗朗西斯•阿诺德(Frances H.Arnold)获得2018年诺贝尔化学奖的消息后,赵惠民曾尝试向恩师道贺,但直到十一点才和她取得联系。彼时弗朗西斯正在达拉斯机场,准备赴德克萨斯大学西南医学中心(University of Texas Southwestern Medical Center)做报告。结果,她的行程也因为得奖而发生了变化。


受进化力量的灵感启发,今年诺贝尔化学奖的获得者们,以相同的原理——遗传变化和选择,开发新的蛋白质,以解决人类在化学和制药工业中的难题。美国科学家弗朗西斯因为在酶的定向进化领域做出了开创性的工作,与开发噬菌体呈现技术的另外两位科学家一起被授予这一奖项。


她对获得诺贝尔化学奖感到十分意外, 但非常欣喜。”赵惠民说。


赵惠民毕业于中国科学技术大学,曾是弗朗西斯在加州理工学院(Caltech)的学生,现为美国伊利诺伊大学香槟分校化学和生物分子工程学系Steven L. Miller讲席教授和合成生物学中心(Biosystems Design Theme)主任。在瑞典皇家科学院公布的《2018年诺贝尔化学奖科学背景》、《酶和蛋白结合的定向进化》的参考文献中,有五篇重要论文的作者中都出现了他的名字(其中四篇为第一作者)


近日,《赛先生》采访了赵惠民教授,根据他的回忆整理了他和老师弗朗西斯之间的难忘往事。


只有四个人做蛋白质研究的实验室

1992年11月,我加入弗朗西斯的实验室。那时她才刚刚成为副教授,组里只有十五六人。当时组里绝大部分人做的是分子识别和二维结晶,只有我和其他三个人在做蛋白质工程。我是弗朗西斯在定向进化方向的第一个博士研究生。现在想也是很幸运,我在正确的时间,来到了正确的地方(原话为:“right time, right place.”)。


之前我在中科大做的是分子动力学模拟,用分子动力学模拟的方法来设计药物,往往拿自己的计算结果和别人的实验结果对比,但有时候却找不到什么实验结果。当时觉得做计算化学这一块比较受挫(原话为“frustrating”),于是希望能够向实验方向发展,亲自动手做出结果,再做理论研究也可以,对吧?


我选择了加州理工。加州理工在实验方向上有很多选择,其中不少大牌老师。那时的弗朗西斯只是一个默默无名的副教授,实验室没有多少学生,她很严厉,曾经开除了好几个化工系的学生。我选弗朗西斯的一个主要原因是,她那时三十几岁,年轻有冲劲。我本科通过分子动力学研究过药物设计,她所做的蛋白质设计也可以被运用在药物设计上,这正是我想要做的。


第一次接触弗朗西斯的时候感觉很好,当然导师跟学生初次见面的时候都很好。但当你在实验室工作,就要准备好——如果做得不好,她就会直接说出来,有时候甚至不留情面。有些美国学生吃不消,当场就跟她吵起来了。她非常直接,高标准严要求。早我三年进来的一个印度学生,没拿到学位就被赶走了。


她非常铁面无私。当然在美国绝大部分大学,学生如果做不出东西来,最后没法毕业,也算是常见的。


她不是每天出现在实验室,一般是在自己的办公室工作。我忘了多长时间要跟她汇报工作,反正不多,最多一个月一次。她会看学生的进展,也鼓励学生创新。她每周开一次小组讨论会议。


不过,她还是会给学生一个相对宽松的环境,很多的能动性和自由。虽然有时她也会盯得很紧,急需一些东西的时候会连续给你发邮件。但一般情况下她是支持学生去自由探索的。


探索蛋白质新功能的艰难之旅

刚加入实验室的时候,弗朗西斯给了我一个手稿,是一个叫陈克勤的学生写的,当时还没有发表。


陈克勤是她之前的一个中国博士后,待的时间并不长。我来的时候他已经走了,中间可能差了几个月。诺贝尔奖材料上也写到了他(在弗朗西斯1991、1993年早期为这一领域奠定基础的文章中,陈克勤是其中两篇的第一作者)。


弗朗西斯给我看了陈克勤的手稿,让我继续跟进这个课题。


陈克勤的研究加强了枯草杆菌蛋白酶在有机溶剂中的活性。枯草杆菌蛋白酶是一个水解酶,它能够切断多肽或者蛋白质分子。我当初想的是做逆向反应:能不能在有机溶剂中间做逆向催化,用枯草杆菌蛋白酶来做多肽合成?


一开始这个课题做了好几年,做的结果都不怎么理想。我一直在挣扎着该怎么办。这个方向很有挑战性,陈克勤原来是做酶的水解,我做的是合成,相当于探索新的蛋白质功能,自然比较难做了。


这时候出现了一个人,威廉•施特默尔(Willem P.C.Stemmer)。他开发了一个很好的工具,叫基因重组(DNA shuffling)。这的确是一项很具有突破性的技术。初期弗朗西斯用的是随机突变和选择,但这个过程比较慢。比如第一轮可能有好几个有效的基因突变,但每次只能选一个。需要重复多次,才能把这些基因突变积累起来。


施特默尔的基因重组技术能够整合很多的好的基因突变,同时去除一些不好的突变,可以加快定向进化的过程。还可以把不同蛋白来源的基因重新组合,这样也可以加快进化的过程。


在这种技术的启发下,我开始开发新的方法,通过优化施特默尔的技术,提高基因重组的可靠性。


1998年我在《自然•生物科技》Nature Biotechnology发表了文章(Molecular evolution by staggered extension process(StEP) in vitro recombination. 2018年诺贝尔化学奖科学背景介绍的文章中赵惠民作为第一作者的其中一篇),其中提供了一个新的方法,让基因重组做得更快。文章发表之后,被引用得很多,现在可能还是弗朗西斯定向进化的文章中被引用最多的一篇。


通俗来讲,这是一个分子杂交的手段。平常说的杂交,是两个物种之间的杂交。我使用的杂交是指在DNA分子层面,把不同的基因重新组合,产生不同的性状,然后来进行筛选。我用这项技术改变了一些酶的活性,在实际运用中证明它可以让酶运作得更好。后来我又把这个基因重组的方法应用到改变枯草杆菌蛋白酶的活性和热稳定性上。我研究的整个过程就是,开发新的方法,直接应用,再通过应用证明这个方法的有效性。


拿到最高美国工程学奖的“铁娘子”

可以说,我在加州理工的前两年是挣扎的,第三年后开始出成果,后面就很顺了。


弗朗西斯看到我做得好,也很高兴,大家就说一块再做更多的东西。1996年,我们专门做定向进化的几个人每个星期都会到学校食堂边上一个叫Red Door Cafe的咖啡馆,大家坐下来聊新的实验方法和结果,那段时间非常激动人心,非常难忘。


1995年10月发生了我比较难忘的一件事。弗朗西斯大概怀孕9个月,肚子挺大了。当时圣地亚哥要召开一个国际酶工程大会,她因为怀孕临产,不能开车,就问我能不能开车载她去。我本来也要参加会议,正好可以顺道载她。那时候我的车是个二手的破车,没有空调,你知道洛杉矶很热,我就问她有没有问题?她说没问题。


从洛杉矶到圣地亚哥有两小时车程,我们在路上聊了很多,她问我为什么要到加州理工念书,也告诉我她以前读书的故事和家里的情况。平时工作只谈研究,是不会说这些的。但那一天的谈话让我觉得,她其实并不是一个那么严厉的人。


到会场后,她把作为学生的我引荐给了一些很有名的教授。回去之后,她还专门给了我150美元作为路费。我觉得没什么必要,但她认为这是我应该得的。


没多久她就生孩子了。我记得前一天我们还在谈课题,第二天秘书就说,弗朗西斯生孩子了。过了几天,她就回来工作了。


2011年,弗朗西斯获得了美国工程界的最高奖Draper Prize。颁奖仪式在华盛顿召开,她邀请了很多人,我作为她以前的学生也在其中。那次我见到了她的父亲。


她父亲威廉•阿诺德(William Howard Arnold)是一个有名的核物理学家,在西屋电气工作(Westinghouse Electric Company,美国著名电气设备和核反应堆制造商。弗朗西斯的父亲时任西屋电气先进能源系统部门总经理)。他43岁当上了美国工程院院士,正巧弗朗西斯也是43岁当了美国工程院士。弗朗西斯常说,他们父女是“同一年”当的工程院院士。


几年前我去奥地利开会,邀请我的教授告诉我,奥地利有条街是以弗朗西斯爷爷命名的。她爷爷是二战时期的一名高级将领(弗朗西斯的爷爷也叫William Howard Arnold,是二战时期的美国陆军中将,1953—1955年被任命为美国驻奥地利军队的指挥官)。


很多人会说起弗朗西斯高中时就有搬出去一个人住,靠开出租车、调鸡尾酒赚钱的经历,我想不是出于家庭原因或者青春期叛逆,而是因为她的好奇或探索精神。弗朗西斯还很有语言才能,能够说法语、德语、意大利语等多国语言。


基础研究和应用之间的平衡

1992年我进实验室的时候,十五六个人中只有四个人在做蛋白质工程的课题。弗朗西斯意识到了这是一个很有前途的领域,招了很多人。1998年我离开时,整个实验室都在做和定向进化相关的蛋白质工程。


2013年美国华盛顿,弗朗西斯获得国家科技创新奖。中间为弗朗西斯,右一为赵惠民。在弗朗西斯获得2018年诺贝尔化学奖之后,她邀请赵惠民一同前往参加12月于斯德哥尔摩举办的诺贝尔奖颁奖典礼。(图片由赵惠民提供)


毕业时,我面临两个选择:是去工业界还是做博士后。当时弗朗西斯组里只有两个博士后出来做了教授,做的都是纯化学,去的学校也不是非常好。虽然弗朗西斯那时候鼓励我申请教授职位,但看了师兄师姐的经历,我发现成功的很少,觉得可能申请不到。


后来美国陶氏公司的一个科学家来到弗朗西斯的组里,向我学习定向进化的技术,并给了我一个工作机会。我当时对美国的情况不了解,以为在公司里面也可以做很多研究、发表文章,结果去了才发现不是那么回事。公司里有很多限制,它不太鼓励员工做基础研究和发表文章。实验不用重复很多遍,拿一些好的数据,只要结果可行就可以了。它更侧重产品开发。我在那边工作了两年,觉得公司里面没有学术自由,就在1999年底申请了教授职位,2000年7月到了伊利诺伊大学。


2000年发生了两件事:一个是弗朗西斯被选为美国工程院院士,还有一个是美国的化工系慢慢向生物工程方向转型。当初大家觉得定向进化只是小打小闹,后来用的人越来越多,它的重要性被科学界主流认识到。


我现在从事的研究跟原来有所关联,但也有所不同。开始还是酶的定向进化,慢慢地我把定向进化用到了代谢途径(pathway engineering)中,最近几年我又把定向进化推广到了整个细胞。现在Crisper基因编辑技术出来了,人们可以对整个基因组进行改造。同时通过高通量筛选的方法,改造微生物,用于生产化工品、生物燃料或医药品。从做酶,到通路,再到全基因组,这些都跟定向进化有关,一脉相承。


我正在做如下几个课题:一个是关于天然产物的发现和生产,一个是关于代谢工程, 一个是关于基因编辑(特别是哺乳动物细胞或人细胞),还有一个是生物铸造(Bio-foundry)。后者相当于一个自动化的仪器平台,可以实现克隆、PCR(Polymerase Chain Reaction,聚合酶链式反应)、 基因编辑、高通量筛选等许多手段的整合和自动化操作,加快生物工程的过程。


弗朗西斯教给了我,如何在基础研究和应用之间找到一个平衡点。实际上就是要选择什么问题来作为研究方向。比如说,你要解决的问题是跟应用有关,在这个过程中你肯定会得到一些新的想法。这就相当于同时做了基础研究,又解决了应用问题。


意外又不意外的“诺贝尔惊喜”

毕业之后,其实我跟弗朗西斯的交流比在学校时更多了。我独立做研究后,我们常常在会议上碰面,之间可以谈很多事情。


10月3号早上6点半,我在做早餐,忽然得知弗朗西斯得诺奖得消息时,简直不敢相信。


早在十年前,有人已经在猜测弗朗西斯得诺贝尔奖的可能性。特别是在2011年弗朗西斯拿了Draper Prize的时候,有人开玩笑问她,什么时候拿诺贝尔奖?


2013年弗朗西斯又拿了美国国家发明奖。我也和她谈过什么时候会得诺贝尔奖。她觉得定向进化这个领域还是偏工程了一些,诺贝尔奖则一般会颁给基础研究。有资格拿诺贝尔奖的人很多,这么多领域,这么多杰出的科学家,诺奖级研究成果也不少,但每年只有几个人获奖。到底给谁?有太多不确定因素了。


我觉得弗朗西斯最大的贡献是她开创了酶定向进化这个领域。她后来30年都在做定向进化,一直在开发新的技术,把技术推广到更多的应用。她近几年的工作也非常出色,做的催化在化学家看来都非常难,最近几篇文章都发在《科学》(Science)上。她值得拿奖。当然施特默尔也很厉害,当年的Draper Prize颁给了他和弗朗西斯两个人。他通过基因重组大大提升了这项技术。可惜施特默尔前几年去世了,如果他还在的话,我想他肯定会和弗朗西斯分享这一奖项。 


我在学术生涯中学到最重要的一课是,成功的科学家们都发自内心地热爱自己的研究。尤其对于年轻研究者来说,着眼于最关键的问题并且进行原创研究,是非常重要的。在过去十年里,我与许多诺贝尔获奖者见过面,他们无一例外都对自己的工作保持高度的热情,并且全身心致力于做出出色的成果。


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