基因机器

作者简介

文奇·拉马克里希南（VENKI RAMAKRISHNAN）因在解析核糖体结构方面的贡献而获得2009年诺贝尔化学奖。他是剑桥MRC分子生物学实验室的资深科学家。 2015年，他当选为英国皇家学会主席。

内容简介

像大多数物理学家一样，当我刚到加州开始学习生物学的时候，我完全不知道什么是核糖体，对于基因的概念也是一团迷雾。我知道基因携带我们从祖先那里遗传来的生物性状，然后传递给我们的子孙后代。它们是一种信息单位，得以让单细胞例如一个受精卵发育成完整的生物体。尽管所有的细胞都包含了一套完成的基因，不同的基因会在不同的组织里开启或者关闭，使得一个毛发或皮肤细胞跟一个肝脏或者大脑细胞完全不一样。但是究竟什么是基因呢？ 笼统地说，基因是一段DNA，它包含了怎样生成一个蛋白石以及什么时候生成。蛋白质在生命中执行几千种不同的功能，比如肌肉的运动，感受光亮、碰触、热度，帮助我们抵御疾病，从肺部携氧输送到肌肉，等等。甚至连思考和记忆也离不开蛋白质。催化化学反应的蛋白质叫做酶，它们帮助制造细胞内的数千个分子。总的来说，蛋白质不仅给予细胞其形态和结构，也赋予其功能性。 核糖体是理解基因和它们编码的蛋白质所形成的十字路口上的路基石，除此之外，人们对核糖体的兴趣还有一个更为实际的原因。多年来，人们意识到许多抗生素的工作原理是在翻译过程的不同步骤对核糖体进行阻断。人类的核糖体与细菌大相径庭，因此一些抗生素能优先结合细菌核糖体，可用于治疗传染性疾病。随着细菌对抗生素的耐受力的逐渐升高，确切知道抗生素如何结合核糖体可以帮助我们设计出新的更好的抗生素。 这些基本概念已经纳入教科书，所以当我告诉别人我正在研究核糖体的时候，经常有人问我，“那不是已经做完了嘛？”有时会伴随着怜悯的表情，好像我是一个可怜的家伙，只是在做一些细枝末节的无聊研究。事实是尽管我们大体知道核糖体的功能，但我们根本不知道这个蛋白质合成的复杂过程中的任何一步究竟是怎样实现的。这就好像我们知道一辆汽车有四个轮子，窗户和一个操纵方向盘的驾驶员，除此之外对于它实际如何运行一无所知。 像许多其他领域一样，科学也有追逐潮流之趋，在不同的时间段，某些领域被认为比其他领域更有趣，通常是那些有快速新发现的新领域。一旦进展变得困难的时候，许多科学家就换到另一个新问题。极富创造力的人会开创全新的领域，而其他人只是追着潮流走。如果每个人都这样做，我们对现象的理解会很肤浅，但是幸运的是还有一些科学家能坚持钻研一个问题，刨根问底，不管它有多老多困难。 当然，在核糖体研究取得重大突破之后的许多年里，没有人对以这些方式表彰我所作出的成果有丝毫兴趣。如果我没有赢得名叫诺贝尔奖的“彩票”，没有人会想到我——如果他们甚至有一刻会想到我。因此，这些荣誉都只是在获得奖项后的附加奖励，这使我想起了马太福音13:12的金句：“凡是他已经拥有的，还应赐给他，他将有更多的财物；但凡他没有的，应把他已有的也拿走。” 对于我们这几个最早做核糖体结构研究小组的领导来说，尽管我们中的许多人继续有科研成果产出，但我们没有再作出真正的新突破。 充其量，我们所做的工作是重要的，但始终万变不离其宗，这在职业生涯后期的人们中是相当典型常见的。 有时候，有些人确实在诺奖之后转而开始做些全新的东西，但是通常这会使他们产生自恃为天才的幻觉，然后他们像唐基科德式过度地试图去解决一些他们不擅长的“不可能”问题。 那些极少数在诺奖之后做到新的和非常基础重要的工作的人（还有更稀奇的绝无仅有的几个得第二次的），在他们第一次诺奖时还非常年轻，有足够的时间和余力来开拓一个全新的方向。 核糖体结构的科研竞争引出了有关竞争与合作的普遍性问题。正如我之前提到的，当人们彼此了解并喜欢一起工作时，或者当他们带来互补的专业知识用来解决任何研究组都无法单独解决的问题时，协作能达到最佳效果。协作对于非常庞大的项目（例如人类基因组项目或寻找希格斯玻色子）也至关重要，因为该项目可能涉及成百上千的人。今时今日，人们对合作的价值股巨大的意识形态上的热情，但事实是，科学家会根据自己的切身利益选择进行合作或者竞争。协作未必永远是好事，而竞争未必永远是坏事。在与多个人和多个实验室及其相关的官僚机构打交道的惯性和各种开销中，协作可能会停滞不前。另一方面，科学是一个想法和创意的市场，因此就像在商业中一样，竞争会促使人们更努力思考和工作，淘汰掉糟糕的想法以及没结果的死路，并加快科学研究的发展速度。因此，竞争对科学进步而言是有益的，但对科学家们而言并不那么好。与体育运动不同，竞争与合作之间的区别在科学上也不很明确：即使科学家们在相互竞争，他们实际上是在对方进步的基础上加以利用来使得自己也取得成绩，但这归根到底还是一种合作，尽管不是出于他们自愿的。 同样令人震惊的是，经过长时间的埋头苦干，几个小组将几乎同时在核糖体工作上取得进展。这种现象在科学和数学中常常发生，即便是那些我们认为特别伟大和深刻的发现也是如此。在几个世纪的努力后，牛顿和莱布尼兹同时发明了微积分。达尔文和华莱士关于物竞天择的进化论的发现是另一个这样的例子。薛定谔和海森伯提出的两种不同的量子力学的表述亦是如此。科学永远不会凭空出现。当某些想法和创意在空气中弥漫散布人人都感受得到的时候，当对某领域的理解和技术发展达到了这些想法有可能被证实或实现的时候，科学进步才会随之产生。当科学进步的时机来临时，一个或一群人碰巧比其他所有人都要早一点看到下一个可能的进展。具体就核糖体工作而言，同步加速器，现代X射线探测器，反常散射，强大的计算机和绘图软件，以及廉价而大量的储存信息的磁盘空间对于最后的成功都是必不可少至关重要的，但是它们中没有任何一样技术或工具被发明出来的时候是为了核糖体研究的。 因此，我不赞成对科学的英雄主义式的叙述风格。反之，我们中的一些人只不过很幸运地成为了无论如何都会出现的重要科学发现的媒介，有时假设不是我们这些人发现的话，这些研究成果最终出现也晚不到哪里去。但是这种冷酷的解析性的观点很难被我们情绪化的自我所接受。我们人类倾向于拟人化我们接触的一切。我们给理论，定理，发现，实验室甚至设备取名字。科学研究成为一出戏，其中有英雄和反派。因此，即使发现是不可避免的，我们认识到是由个人促使它们发生的，并且我们崇敬那些敢于第一次踏入未知领域的人，因为他们愿意去挑战超越认知上可能的范畴。当像牛顿或爱因斯坦这样的人看得比其他人远得多的时候，或者沃森和克里克冒着可能散落成碎片的风险在合成DNA的基本特征一次成功的时候，我们趋于将他们神化图腾化。 回想我在经历了这么多错误的开始和进的死胡同之后，有了算是成功的职业生涯，这点至今仍令我感到惊讶。我职业开始的时候前途并不光明。我曾很多次几乎从边缘跌落而从科学界完全消失，只有通过改变方向或完全重新开始我才避免了这种命运。幸运的是，当我有需要时，能力和治学态度兼而有之恰到好处的聪明人加入了实验室，各种朋友和同事也在一路上给予了我关键性的帮助。关于核糖体的故事有它自身的戏剧性，无论我们是否不过是发现的媒介，让人感到兴奋的是，它发生时我在场。 ★核糖体存在于每一种生命的每一个细胞中，它可读出我们的基因密码并且制造出相应基因编码的蛋白质以实现成千上万种生物学功能。本书不仅介绍了X射线晶体学解析核糖体结构的细节，也介绍了结构生物学的基本脉络和发展历史。是了解和学习结构生物学及其相关技术的难得的启蒙教科书。 ★本书真实记录了作者的科研及奋斗历程，他作为一个印度一般大学的物理本科生，半路转行生物领域的物理学家，移民到美国之后又移民到英国，在强手如云的核糖体研究江湖中，从学术边缘地位脱颖而出，最终获得了2009年的诺贝尔化学奖。说明了科学的国际性，以及一个科学家应该如何保持开放心态，尽量到为你提供最好工作条件的地方去。 ★本书由2020诺贝尔化学奖得主杜德纳作序，理查德·道金斯推荐