《生命科学：无尽的前沿》Epub-Pdf-Mobi-Txt-Azw3 下载在线阅读

苏珊·霍克菲尔德

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世界著名的神经科学家，麻省理工大学前校长苏珊·霍克菲尔德（Susan Hockfield）教授提出，我们正处于一个新的融合时代——生物学与工程技术的融合。正如数字革命在20世纪对人类社会所产生的颠覆性影响，生物与工程的结合将是下一个创造奇迹的领域。

 

有如尼古拉·斯尼洛庞帝的《数字化生存》帮助读者理解了当时正处于黎明时期的数字化革命一般，霍克菲尔德教授生动介绍了前沿生物学领域令人期待的科技突破——制造电池的病毒，过滤污水的蛋白，筛查癌症的纳米颗粒，神经控制的仿生四肢以及通过提高粮食产量的表型技术等等，这些将要引领下一轮科技革命的前沿技术将解决我们日益迫在眉睫的环境、能源以及医疗危机。

我想亲眼看看那些病毒工厂，于是到贝尔彻的实验室拜访了她。她派了一名电池狂热者研究生艾伦·兰西尔（Alan Ransil）做我的向导。看着兰西尔对未来能量存储技术的兴奋，听他热切地分享自己的知识和抱负，我觉得“狂热”二字已经不足以形容他了。

当兰西尔打开贝尔彻实验室的大门，我看到每张实验台上都摆满了先进的机器和工具，以及这些机器和工具服务的材料。目标明确的研究者和博士后来回走动，从一部机器到另一部机器，在一个个区域和房间中进进出出。安杰拉·贝尔彻的工作吸引了一批年轻研究者，他们来自世界各地，出身于十几个不同的学科。任何时候，她的实验室里都驻扎了近二十名研究者，每人逗留的时间从六个月至几年不等。比如兰西尔，他是在斯坦福念的本科，研究方向是为太阳能电池开发新材料。现在他已经成了这间实验室的常驻专家，研究如何将电池设计成新的形状，比如手表带或轿车仪表盘。杰兰（Geran）来自新西兰，出身材料工程，眼下在设计以硫为基础的大容量电池电极。来自以色列的尼姆罗德（Nimrod）有生物学背景，目前研究的是用于电池的噬菌体的3D打印。这是一个由新兴能源方面的专业人士组成的“联合国”，他们的学位涵盖了应用物理、化学工程、生物学和材料科学，国籍包括了土耳其、印度、日本、美国、中国、加拿大、英国、德国和韩国等。他们虽然有着各自的研究目标，但谁也不知道他们在走廊里的交谈中会产生怎样的可能性，说不定能通过改造病毒把天然气变成汽油？又或者发明一种新的成像方法看清小丛肿瘤细胞，使癌症手术变得更加有效？

这些“疯狂”的想法大部分被立刻抛弃，但也有几个走到了实验室之外。比如，贝尔彻实验室的一家衍生公司Siluria，就是将天然气转化成了石油和其他液体燃料，开创了一条运输和存储甲烷等天然气的廉价途径。实验室的另一个项目最近也走到了临床试验阶段，测试贝尔彻和同事设计的一项新颖的成像技术能否更加有效地引导卵巢癌手术，并提高病人生存率。

进入实验室后，兰西尔领着我一个个房间地参观，一路展示用病毒制作电池的步骤。我们走进一个房间，里面布满冰柜，那些都是贝尔彻的病毒库，兰西尔拉开一只冰柜，里面有几十只5英寸见方的盒子。他取出一只盒子，盒中有144支精心摆放的小瓶，他从中抽出一瓶，然后将盒子放回架子上，合上了冰柜门。他的动作很迅速，尽量不引起冰柜的温度变化，那里常年维持在零下80摄氏度，以避免病毒库中的样本降解。

此前兰西尔已经制备了一个宿主菌落，供病毒感染。我看着他小心翼翼地解冻冷冻的病毒样本，然后将其放入细菌，让病毒感染细菌。接下来的12个小时，他还要扩大受感染的细菌样本。他首先会把样本转移到一只小烧瓶里的培养基中，并将烧瓶放到一张37摄氏度（相当于人类体温）的摇床上旋转。接着他会将样本转移到一个较大的容器内，然后是另一个大得多的容器。在那之后，他就会将增殖了10¹⁶倍的病毒从细菌宿主身上提纯分离。他向我展示了其间的各个步骤，如何将原料从室温的实验台上转移至较冷的房间，再从较冷的房间转移至加热板上搅拌好的溶液里，每一步都要小心计算，以保证其成分的纯粹，最后还要在最恰当的时间以最适浓度混合。当我们从实验室的一个工作站走向另一个工作站，途中常要在过道墙上的一张流程图前止步，看看这套基于病毒的电池生产流程已经进行到哪一步了。这个过程有点像是对着一本烹饪书做菜，区别在于每份菜谱都是兰西尔和同事自己写的，他们还在时时对这些菜谱进行改进。

当混合、培育、提纯、溶解、称重和干燥阶段全部结束，就该组装电池了。我们走进一间实验室，迎接我们的是一排密集的黑色橡胶臂和橡胶手，它们五指张开，从一间长长的玻璃房中伸出，玻璃房里是一张实验台。兰西尔介绍说，这些橡胶手臂其实都是手套，它们向外鼓胀，是因为那间玻璃房内充满压力固定的氩气。氩气不易产生化学反应，价格也较便宜，它能确保玻璃室内没有氧气，也没有环境空气带来的湿气，因为这两样东西都会破坏电池零件，使它们无法组装成电池。

兰西尔将双手插进一副手套，并将手套推入玻璃室内，开始在这个充满氩气的环境中工作。他抄起一只镊子，将一堆电池零件装进了一个扁平的、圆形的电池外壳。他把这个外壳的一面放在一张超净的实验室纸张上，开始制作电池。电池的第一层是一张锂箔圆片，作为负极。他接着滴了几滴电解质溶液，加入一层塑料分隔片，又滴了几滴电解质溶液，然后又加了一层圆片，这层圆片看起来像一层金属箔，但它其实是基于病毒的电池正极。

他又滴了几滴电解质溶液，然后盖上电池外壳，将它褶边封闭，并宣布电池做成了。

兰西尔的电池看上去极像手表上用的那种纽扣电池，它们的外形也确实相同。贝尔彻实验室将新颖的生物学电池零件装进了标准电池的外壳，并用来给传统电器供电。

我向来很喜欢实验室。我喜欢它们的景象、气味和其中的机器。但最重要的是，我喜欢那里面紧张的工作及合作精神，这两样使不可能的事情变成可能。在许多方面，贝尔彻实验室都使我想起了我的神经生物学实验室，但是当我努力领会安杰拉·贝尔彻是如何以如此不同寻常和出乎预料的方式将生物学融入工程学时，我顿时兴奋了起来。

不久前的一个下午，当我们正讨论能源的未来时，贝尔彻忽然要跑去进行头脑风暴了，这是她和研究组的同事定期进行的环节。“这绝对是我最喜欢的活动。”她说，“每当我们碰撞想法，有人提出新的思路时，我都会兴奋得发抖。”我完全明白她的意思：这就是集体思考的魅力。贝尔彻那独特的跨学科思维是天才的表现，她也自有一种天分来助长这种跨界，正是这一点在2004年为她赢得了麦克阿瑟奖（MacArthur Fellowship），也就是大家所说的“天才奖”。

M13病毒的结构能促使它们自行组装成一片片电极材料。

一枚病毒“纽扣”电池的组装：用一层锂箔作为负极，一层经过修改的M13病毒作为正极。各层零件被封装在一个纽扣电池壳之中。

§

就这样一步一步，贝尔彻利用她那些病毒驱动的新工具和新技术，将电池必需的所有零件组装了起来。2006年，她宣布成功制造了一个由病毒驱动的负极^[38]，2009年，她又做出了正极^[39]。病毒可以用来改进电池中储存能量的两个部件的想法引起了广泛的关注。当前总统奥巴马于2009年秋季访问MIT^[40]、重申他对全国许下的可持续能源未来的承诺时，我们向他展示了几项颇具前景的新能源技术，其中就包括这款基于病毒开发出的电池。贝尔彻向奥巴马介绍说，她的目标是找到新的材料，用于她那个开创性的生物制造工程，她还给了奥巴马一张袖珍元素周期表，说是给他“在陷入困境时计算分子量用”。奥巴马毫不迟疑地回答：“谢谢，我一定‘周期性’地看一看它。”

今天的电池生产是一个能源密集的过程，会产生大量的有毒废料。但是贝尔彻的病毒电池就像鲍鱼壳的生长，能够柔和地进行。这对解决我们的能量储存难题是一个重大贡献，贝尔彻也理应因她自己和同事的成就感到自豪。她告诉我：“这些生物电池都是在室温下进行组装的，它们不使用有机溶剂，也不给环境增添有毒物质。”标准的电池生产过程^[41]需要将近1000摄氏度的高温，并产生相当于每千瓦·时150至200千克二氧化碳的废料^[42]，而这仅是在最核心的电池生产环节。相比之下，贝尔彻的方法使我们在解决能量储存难题的路上前进了一大步。

但贝尔彻并未就此止步。她的下一个课题是，这个基于病毒的前沿电池技术能否发挥能量储存和运输之外的功能。比起被动地给一辆轿车加点重量，能否考虑将它们做成一块仪表盘、一只椅套或是一扇车门？如果可以实现，那将是一款“绝杀应用”，会一举将基于病毒的电池从她的MIT实验室里推向市场，正如她另外几家从实验室起航的初创公司。

贝尔彻确信，未来的能源将和今天的有根本性的不同，许多位能源创新方面的领跑者也有着同样的信心。她意识到我们的能源经济不会永远依赖石油。就连沙特阿拉伯的前石油部长谢赫·亚马尼（注：Sheikh Yamani，他在1962年至1986年间出任石油部长一职，这段时间世界原油产量翻了一倍还多^[43]。）也明白这个道理，他说过：“石器时代结束，并不是因为石头用光了。石油时代也会结束，在我们把石油用光之前。”

当然，当下仍是石油时代。但安杰拉·贝尔彻和她的同事相信，只要好好利用生物学的智慧，他们就能为石油时代画上句号。

水，到处是水

20世纪80年代末，彼得·阿格雷（Peter Agre）无意中的一项发现 ^[1]从此改变了我们对水的看法。他当时刚刚被约翰霍普金斯大学医学中心血液科任命为医师科学家（physician-scientist），正打算研究造成Rh溶血病的那种蛋白^[2]，Rh病是一种可怕的疾病，会损害发育中的胎儿。红细胞的表面都携带Rh蛋白，如果母亲红细胞上的Rh蛋白和胎儿的不匹配，母亲的免疫系统就会对胎儿红细胞上的Rh蛋白发动攻击。这种免疫攻击可能会杀死胎儿的红细胞，使胎儿无法获得氧气，并由此造成一系列问题，有时甚至会致胎儿死亡。到了20世纪80年代末，虽然医学在预防胎儿Rh病上已经有了长足进步，但还没有人识别出Rh蛋白，或判断出它的正常功能。

阿格雷决定解决这些问题。他使用了传统方法^[3]，也就是从红细胞膜上提纯足够量的Rh蛋白，然后一举将它们识别出来。他取了大量的红细胞，并将细胞膜与其他部分分离。接着他又设计了一套细致的步骤，用以将Rh蛋白从红细胞膜上的其他蛋白中提取出来。但是当他进行到最后一步时，他惊愕而沮丧地发现了一个闯入者——不知不觉间，他精心提纯的Rh蛋白里竟混入了一团污染物。无论他如何小心操作，每次实验时，这团污染物总能混进来。

这真是令人发疯。每个做实验的科学家都知道那是什么感觉：你已经采取了一切防范措施，每一步都已反复核查，可是到头来，你那个无比纯粹的样本里却仍有杂质。起先你不相信这个结果，接着你怀疑是实验流程出了问题，最后你感到胃里一沉，一股挫败感油然而生。不过接下来，你还是会列出一张长长的单子，在上面寻找可能的解释。阿格雷和他的同事就是这么做的。起初他们希望遇到的是最好的情况，即污染物只是Rh蛋白的一块碎片。然而后续的分析结果却令人失望：污染物并非Rh蛋白的碎片，而是一种未知的蛋白。阿格雷完全不知道那是什么，也不知道它有什么功能。他更不知道的是，对这个闯入者的分离将引出一个伟大的发现，这一发现将在2003年为他赢得诺贝尔化学奖^[4]，并为世界淡水的净化开辟全新的可能。

我们的生存离不开水。水在我们身体中所占的比例超过70%^[5]，我们的饮用、耕种、运输、制造等活动都需要充足的水源。水也无处不在：它们覆盖了地球表面约70%的面积，共计约3万亿亿（300×10¹⁸）加仑^[6]，但其中的大部分（超过95%）都是海洋中的咸水^[7]，这部分水不能喝，不能浇灌庄稼，也不能满足我们的大部分用水需求。

我们需要淡水才能生存，而淡水只占地球总水量的不到5%。况且在地球淡水中，又有一大部分位于冰层、土壤和大气之中。剩下的只有约1%的淡水可以为我们所用，这个比例并不足以支持我们所知的生命。今天有超过10亿人口缺乏饮用水^[8]，无论发达国家还是发展中国家都受到干旱的威胁。我们需要更多淡水，最容易想到的办法就是抽取我们周围大量存在的海水和污水，对它们进行淡化和净化^[9]。

水的净化历来对人类生存至关重要。早在公元前1500年，古埃及壁画就示范了靠过滤净化水的方法。^[10] 亚里士多德也描述了如何靠蒸馏获得净水。^[11]虽然和那时候相比，我们的净水手段已经有了长足进步，但大体仍在沿用这两项基本技术。即使经过了4000年的技术改进，靠蒸馏和过滤来净化水^[12]还是太慢、太贵，效率太低，无法满足我们日益增长的需求。我们需要全新的方法来生产净水。而彼得·阿格雷1992年的发现^[13]就指出了一条诱人的新路，虽然当时他还未意识到这一点。现在看来，解决用水困难的方法，或许就藏在我们自己体内，在阿格雷发现的那种神秘的蛋白里。

1988年，阿格雷发表一篇论文^[14]，报告了他发现的这种红细胞蛋白。在文中，他坦言这种蛋白的作用“尚不明确”，而这种声明会使任何一位发出它的科学家感到羞愧。

阿格雷一直困惑于这种神秘的蛋白能做什么，直到1991年的一次和家人的外出露营，他才在解答这个困惑上取得了进展。

阿格雷和家人很喜欢户外活动，一家人常趁着假期到各个国家公园露营。那一年，当阿格雷和妻子问孩子们这次该去哪个国家公园时，孩子们马上异口同声地回答：迪士尼世界^[15]！于是阿格雷和妻子将佛罗里达定为了当年的目的地。但是他们没有百分百满足孩子们的愿望，和所有好父母一样，他们在小车里装满行李，驶向了大沼泽地国家公园。不过他们毕竟对孩子们做了些让步，漫长的归途中在迪士尼世界停了一站，并在杰里斯通公园^[16]露营。在那之后，在返回巴尔的摩的途中，他们又决定在北卡罗来纳大学教堂山分校逗留，去那里看望阿格雷的老朋友兼导师约翰·帕克博士（Dr. John Parker）。正是这个决定带来了意外的好运。

帕克是一位临床血液学家和肿瘤学家^[17]，在阿格雷接受临床训练时做过他的导师。就像经常发生的那样，在那之后，阿格雷一直很信任帕克，帕克也继续为他提供非正式的指导。当年就是帕克鼓励阿格雷研究红细胞膜的。从迪士尼世界归来之后，阿格雷怎么也忘不了实验室里的那个谜，于是他把那些令他困惑的结果告诉了帕克。他描述了那种神秘蛋白是如何混过精密费时的提纯过程，始终悄无声息地跟随Rh蛋白的，而他又是如何发现它大量显示在肾脏中的，但是肾脏里并没有Rh蛋白。无论怎么尝试，阿格雷就是无法弄清这种神秘蛋白究竟是什么。当他把这段传奇的故事告诉帕克，帕克很快就明白了其中的奥妙。既然肾脏细胞和红细胞都会通过细胞膜运输大量水分，帕克认为，阿格雷可能已经发现了科学家长期寻找却始终求之不得的水通道，而且阿格雷发现的这种神秘蛋白或许能解答一个长期令科学家困惑的问题：水是怎么穿过细胞膜的？

科学家很早就认识到了这个问题的重要性：构成我们身体的35万亿个细胞^[18]，每一个都在精心监控并调节通过其细胞膜的水量。有的研究者认为，它们的表面必然有一种独特的通道蛋白^[19]，但他们虽然付出了大量心血，却始终没有找到这种运输水分的蛋白。血液学家特别热衷于细胞如何在其内部和外部之间保持水分平衡的问题，因为红细胞内部的水分必须维持得恰到好处，才能完成将氧气从肺部运输到全身组织，再将二氧化碳运回肺部的工作。只有在内部注满水，红细胞才能运送这些攸关生死的货物。因此，如果真有水通道分子，我们自然应该发现它们在红细胞表面大量存在。

认识到了水分调节对于细胞活力的重要作用，许多科学家开始尝试在细胞表面寻找水通道。水分通过一个名为“渗透”的过程，在细胞内外被动地流入、流出，具体朝什么方向流动，取决于细胞膜内外溶解的物质的浓度。渗透过程调节着一层薄膜或一张滤网内外的溶液浓度。简单地说，如果一张透水滤网隔开了一侧的纯水和另一侧的盐水，那么纯水就会流过滤网冲淡另一侧的盐水，直到滤网两侧盐的浓度达到平衡。

那么水分又是如何通过细胞膜的？当阿格雷和帕克在1991年会面时^[20]，大多数研究者还认定水不需要特定的孔隙或通道就能进出细胞。当时公认的模型是，水会自然渗透细胞膜，就像它会渗透其他滤网。^[21]虽然有这个水分转移的公认模型，但帕克这个离经叛道的观点，即那种神秘蛋白或许是一条水通道，却吸引了阿格雷。但他也不知道这是否值得追踪研究。单靠研究一种大多数人认为并不存在的蛋白，是否就能推翻一个广为接受的科学模型？他知道这项研究很可能白费力气，因为此前已经有许多人研究过水通道，而这些人通通无功而返。再说这也肯定会分散他研究Rh蛋白的精力。最明智的做法是放弃这个想法，但他做不到。最后他还是决定沿这条路走下去，力气白费就白费吧。

要研究神秘蛋白，阿格雷就必须改变他在实验室的研究方向。为了证明这神秘蛋白确实是一种水通道，他决定在另一种细胞身上测试它的功能，那种细胞在正常情况下不会让水通过它的细胞膜。阿格雷和同事找到了为神秘蛋白编码的特定DNA链^[22]，然后将这段DNA复制进了RNA。只要将RNA注入另一个细胞，就能指导那个细胞生产神秘蛋白了。阿格雷的策略是让实验细胞生产神秘蛋白，然后确定这蛋白是否会像帕克认为的那样，在实验细胞的细胞膜上生成水通道并运输水分。

阿格雷决定用青蛙卵验证帕克的想法。为什么用青蛙卵？因为他知道，青蛙卵能在清洁的水塘里连续浸泡几天，它们在这段时间里始终维持饱满，内部充满养育一条蝌蚪所需的一切。虽然蛙卵内部有极高浓度的盐和蛋白，但水却似乎无法渗透进去，这说明它们那层柔软的薄膜没有来回运输水分的机制。

阿格雷设计了一个比较简单的测试。首先，他向一批蛙卵中注射了神秘蛋白的RNA^[23]，作为对照，他又向另一批蛙卵中注射了水。他推测，注射了RNA的蛙卵中会根据RNA的指示生产神秘蛋白。在盐溶液中放置几天之后，两组蛙卵看起来并无不同。接着测试开始了：他将两组蛙卵放进了纯水。结果对照组的蛙卵表现得仍像蛙卵，没有任何变化。而生产神秘蛋白的蛙卵，他欣然对我说道，“像爆米花似的炸开了”。

两组有了什么不同？阿格雷只能得出一个结论：神秘蛋白RNA制造了水通道蛋白，并将这种蛋白插入了蛙卵的细胞膜。当蛙卵内外的盐度平衡时，两组蛙卵的表现完全一致。但是一旦将它们置于纯水中，注入了RNA的蛙卵表面的水通道就开始放水进入，它们的内部不断被注水，并最终撑爆。

证据找到了！靠着意外的好运和出色的侦探工作，阿格雷发现了那条难以捉摸的水通道。他将其命名为“水通道蛋白”。^[24]人们很快发现，他找到的只是一个蛋白家族^[25]中的第一种，现在我们将这个蛋白家族统称为水通道蛋白，它们出现在地球上的几乎每一种生物体内，无论是动植物，还是细菌、真菌。

阿格雷精彩的生物学研究，使水通道不仅为科学家所认识，也为工程师和企业家所掌握，现在他们中的一些人正期待将这种蛋白用于大规模净水设施。要理解水通道如何为细胞工作，我们又该如何重新开发它、使用它为我们净水，就要先理解蛋白是什么，蛋白又是如何工作的。

我喜欢将蛋白视作一部部微型机器，每一部的存在都是为一个细胞或组织执行特定任务。用机器做比喻可以帮助我们理解这些任务。水通道蛋白的功能有点像停车场的大门，只允许安装了特定应答器的车辆通过。这种水通道，或者说水门户具有特殊结构^[26]，能识别水的原子识别标志，并且只允许携带了特定识别标志的分子进入或离开细胞。除了水，无论盐、酸还是其他一切分子全都禁止通行。

但和真实的大门不同，这部蛋白机器的零件并非由金属铸就或塑料做成。蛋白就像一串串珠子^[27]，以极精确的顺序串联在一起。

蛋白串上的这些珠子是名为“氨基酸”的分子，共有21个种类。这些串联起来的氨基酸缠绕成高度有序的结构，构成了蛋白机器的一个个零件。每种蛋白的特定结构和功能都源于两个特征。首先，每个蛋白串上的氨基酸珠子都以独特的顺序排列。氨基酸只有区区21种，但如果考虑到一个标准的蛋白包含了100多个氨基酸，那么它们可能的组合就有很多了。其次，由于一些氨基酸相互吸引，另一些相互排斥，这种引力或斥力会使每串氨基酸缠绕成特定的形状，正是这些形状使蛋白具有了功能。

蛋白有多种多样的功能。有一个蛋白家族专为各种材料提供穿越细胞膜的导管。这些导管或通道非常挑剔，只允许一种或少数几种分子出入细胞。有些通道通过单向阀门运送货物，只允许特定的分子货物沿一个方向移动，要么进入细胞，要么离开细胞。另一些是双向阀门，特定的货物既能进入也能离开。有的通道运送钠，有的运送氯化物，还有的运送水——就像阿格雷发现的水通道蛋白那样。

指出这种神秘蛋白的功能是充当水通道之后，阿格雷就开始了对水通道蛋白这个全新世界的探索。他先确定了水通道蛋白的完整氨基酸序列，又确定了这些氨基酸通过缠绕和打圈^[28]，形成了类似沙漏的、带细颈的形状。这个沙漏贯穿整个细胞膜的截面，它中间的开口相当于一条选择性极强的通道，能将水分向细胞膜内部和外部双向输送。