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解读2009年诺化学奖:瞧瞧蛋白质机器的外貌(图) |
| www.sinoca.com 2009-10-15 科学时报 [复制链接] 字体：大 中 小 |
在生物化学领域，核糖体被亲切地称做蛋白质合成的加工厂，更有科学家将其称为“蛋白质机器”。虽然人们早已获悉它的功能是生产蛋白质，但其生产过程如何，却一直难以破解。
10月7日，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布，将2009年度诺贝尔化学奖授予美国科学家文卡特拉曼・拉马克里希南、托马斯・施泰茨和以色列女科学家阿达・约纳特，他们分别采用X射线晶体学方法，绘制出核糖体的三维模型，不仅让我们知晓了核糖体的“外貌”，而且在原子层面揭示了核糖体功能的机理。
跨越时空的合作
不难发现，此次获得诺贝尔化学奖的3位科学家是在不同地点、不同时间所作的研究且取得了成果。虽然3位科学家独立工作，有时甚至是竞争状态，但他们都用Ｘ光晶体学展示了核糖体的结构以及它们是怎样在原子水平上发挥作用的。
诺贝尔奖评审委员会认为，他们在不同时期所获不同发现彼此启发、互相补充，堪称“非传统意义上的合作”。
20世纪80年代，约纳特率先对核糖体展开深入研究，被称为“孤独的旅行者”。1987年的一次学术研讨会上，约纳特提出了通过对细菌核糖体及其他相关有机体实施冷冻并通过Ｘ射线对其造影成像以研究其结构的想法。在当时的情况下，约纳特的想法可以说是勇气十足，也被人形容为疯狂至极，因为它大大超越了当时条件所允许的范围。
但约纳特坚持了下来。作为核糖体研究领域的先行者，她在20多年的科研生涯中一直致力于研究核糖体蛋白质合成机制及相关抗生素作用模式的课题，并借助一种被称为“Ｘ射线晶体成像”的技术，发现了不同抗生素与细菌核糖体结合的20多种不同模式。
而拉马克里希南所造的“尺子”令核糖体研究得以精确测量一些数值，从而突破先前的局限。
施泰茨1998年成功解决“相位问题”，他利用X光结晶学和分子生物学摸清蛋白质及核酸的构造和运行机制，有助于人们理解基因表达、复制和重组。
可以看到，3位科学家一开始都是希望解决最简单的问题，而随后的一步一步推进，最终成就了完美的结果。
针对此次的获奖成果，诺贝尔奖评审委员会认为，这项研究可以很快在实际中得到应用。今天的抗生素药品治疗很多疾病，主要是通过阻止核糖体细菌发挥作用，没有发挥作用的核糖体，细菌就不能生存。
“蛋白质是赋予生命功能最主要的分子，把其生产的机制研究清楚对后来的研究意义重大。”中科院微生物所研究员高福对《科学时报》记者说。
高福认为，过去人们只理解核糖体的功能，对其认识还完全停留在宏观的角度，但现在正因为有了其原子结构，在原子的水平上解释清楚了其工作机制，为基础的药物设计提供了可能。
蛋白质机器如何工作？
20世纪50年代，人们发现了核糖体，上世纪70年代观察到了完整的核糖体大小亚基形态结构，上世纪90年代通过电镜的运用对核糖体结构的认识达到2.3纳米的分辨率。而现在，核糖体的两个亚基都有低于0.3纳米的高分辨图。
中科院化学所研究员王树及其助手刘礼兵博士在接受《科学时报》采访时表示，理解核糖体最基本的工作方式对于科学地理解生命过程是非常重要的。核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点。
王树和刘礼兵解释说，核糖体一直被称做是蛋白质合成的加工厂。电镜下可以观察到细胞内合成蛋白质的细胞器――核糖体，它广泛存在于一切细胞内，其唯一功能是依据“模板”mRNA的指令，通过“搬运工”tRNA将游离于细胞质中的氨基酸，精确且高效地排列成各种各样的蛋白多肽链。
这一知识已被直接应用于实践，比如，目前许多抗生素的工作原理就是通过阻滞细菌核糖体的功能从而产生抗菌抑菌作用达到治愈多种疾病的目的。这就是为什么核糖体对于新开发的药物来说是如此重要的一个靶标。
王树和刘礼兵说，获奖的3位科学家以及其他一些实验室，都相继提供了核糖体的高清晰度结构图。
“根据这些信息，现在不仅可以通过电脑模拟核糖体的结构，而且还能回答核糖体是如何保证肽链合成的准确性，以及阻滞核糖体的药物是如何影响核糖体工作的，等等。这也正说明了科学是共通的，但也需要不断创新。新理论、新发明的产生，经常是在学科的边缘或交叉点上，这也推动着科学本身向着更深层次和更高水平发展，这是符合自然界客观规律和科学发展规律的。”王树说。
上世纪90年代末曾有人预测，21世纪初是结构生物学腾飞的时代。此次诺贝尔化学奖颁发的结果，也从一个侧面印证了这一预测。
高福说：“这次的奖项给了结构生物学，原因之一在于结构是功能的基础。有了结构就能推动研究更多的功能。例如，此次获奖的研究就是通过X射线的衍射，解构了核糖体的三维结构，也就是核糖体的晶体结构，随后才能从原子水平在机制和功能上将其解释清楚。”
在结构生物学领域，高福认为，今后应集中对功能比较重要的蛋白、酶和核糖体进行研究，“我们也管核糖体叫蛋白质机器。比如，大的蛋白质机器复合物的结构是什么？这应该是当前全世界包括我国应该集中研究的问题”。
凸显竞争合作的重要
其实，同一领域的科学家在不同时间、不同地点却在作同一个研究，这样的情况还有很多。
高福表示，不可否认，除了3位获奖者之外，世界上肯定还有许多科学家在做这方面的工作，此次诺贝尔化学奖充分说明了牛顿曾说过的一句话，“我是站在巨人的肩膀上”。
“所有生命科学领域的科研人员都知道这个题目很重要，但就是要看谁能够在前人原有的基础上巧妙地设计出一种别人没有设计出来的方法进行突破性的研究。”高福说。
基于核糖体研究的有关成果，可以很容易理解，如果细菌的核糖体功能得到抑制，那么细菌就无法存活。在医学上，人们正是利用抗生素来抑制细菌的核糖体从而治疗疾病的。
不过，高福认为，基础研究是任何应用的前提，而基础研究需要竞争。“回顾以往的获奖成果，也不难发现，很多研究是在合作的基础上才能做出来，这也凸显了竞争推动科学进步的作用，所以还要强调科学的竞争合作。”高福说。
据王树和刘礼兵介绍，目前，我国相当多的化学和生物实验室基于核糖体的这种结构与功能关系做了许多工作，但在研究蛋白合成机制方面还很少。
“不过，我国在这方面的研究上与国际差距不是很大。应该加强基础研究，加强积累，鼓励竞争合作的科研模式。”高福说。
高福认为，基于对核糖体的工作机制理解的延伸，在未来的研究上，如果能对一些合成蛋白质的酶进行改造，也就是对合成酶的“机器”进行改造，会对现在存在的环境问题、生物能源问题的解决具有指导意义。加拿大华人网 http://www.sinoca.com/
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