【雲飛雜記】細菌傳之伯樂

2022年10月27日13:56 來源：中國網-體育頻道 作者：雲飛

世有伯樂，然後有千里馬。千里馬常有，而伯樂不常有。——韓愈

胃裏有時冷，有時熱，有時酸霧瀰漫，有時泥沙聚下，説不定還會爆發生化戰爭，幽門螺旋桿菌仍然能夠頑強的長期生存。當細菌獵人追蹤幽門螺旋桿菌的時候，另一些事情正在持續發酵。1983年，美國化學家穆裏斯實現了聚合酶鏈式反應（PCR），擴增了大腸桿菌人工合成質粒（pBR322）中一個小片段。很多重大科學技術突破始於無比單純的好奇、無關痛癢的發現和無中生有的腦洞，這項跨時代的分子生物學技術也不例外。

健客：之前提到過質粒，是細菌染色體之外的遺傳物質吧。

雲飛：嗯，大腸桿菌工程菌不帶質粒，可是自然界的大腸桿菌一般都有質粒。質粒編碼細菌的某些性狀，如性菌毛、毒素和耐藥性等，雖非生命必須，但有逆天神通。質粒具有可自主複製、傳給子代、也可丟失及在細菌之間轉移等特性，與細菌的遺傳變異有關。pBR322是研究最多，使用最早且應用最廣泛的大腸桿菌質粒。“p”代表質粒；“BR”是合成它的兩位科學家姓氏的字首，“322”是實驗編號。扯遠了，馬上拉回來！

故事要從美國黃石國家公園説起。在水溫70℃的“蘑菇泉”中，生活著一種粉橙色的水生嗜熱細菌。該發現轟動一時，因為它刷新了對細菌生存溫度上限的認知。

健客：什麼情況？

雲飛：當時普遍認為“細菌能承受的最高溫度是55℃左右”。生物都有適宜生存的溫度範圍，一般取決於生物體內的酶，因為超過一定的溫度，酶就會失活，這意味著水生嗜熱菌的酶能耐受更高的溫度。

1973年，中國台灣女生錢嘉韻赴美留學。在辛辛那提大學生物系讀研期間，她的導師對嗜熱菌非常感興趣，於是讓錢嘉韻以此為課題。錢嘉韻從嗜熱菌中提取了脫氧核糖核酸聚合酶，在95℃時仍然不失活性，命名為“TaqDNA聚合酶”。然而，在短暫的興奮之後，好像沒有什麼實際用途。現在看，也許只能用好奇心驅使下的“搶跑”來解釋。1975年獲碩士學位後，錢嘉韻去了衣阿華州立大學，並在那裏取得神經生物學博士學位。那篇歷史性論文，發表于1976年的《細菌學》雜誌，她是第一作者，只不過用了英文名字Alice，再加上她後來挂了夫姓，以至沒有太多人知道，該篇被廣為引用的文章的作者A.Chien就是錢嘉韻。

一晃十年，1983年春，穆裏斯和女友共度週末。夜色迷人，佳人相伴。穆裏斯自駕在蜿蜒盤旋的128號公路上，一個念頭迷幻般涌現：擴增脫氧核糖核酸片段時，只要添加的引物足夠，是否可以無限迴圈地擴增下去？

健客：128號公路有什麼名堂嗎？

雲飛：128號公路是毗鄰美國馬薩諸塞州波士頓市的一條92公里長的半環形公路，距波士頓市區約16km，沿著公路兩側線狀分佈數以千計的技術型企業和研究機構，其中包括麻省理工學院和哈佛大學在內的65所高等院校。二戰期間，美國對軍用品的需求給這個地區帶來大筆訂單。二戰結束時，128號公路則成為“科研一條街”，成就了寶麗來、雷神等一批知名企業。到了冷戰時代，128號公路參與到太空競賽當中，以電腦和雷達技術為基礎，開發半自動地面環境防空系統。但隨著冷戰的結束和太空競賽的趨緩，國防訂單大幅減少，大量公司倒閉，128號公路出現了一時的蕭條。與此同時，電腦技術“軍轉民”成功，128號公路開始形成面向企業客戶的小型電腦産業中心。到了上世紀70年代末，幾百家各種文字處理與電腦公司在此匯集，包括數字設備公司、王安電腦、霍尼韋爾、克萊威特等大企業，形成了一種以縱向一體化為主、企業間相互獨立的産業集群格局。電腦銷量佔據全美市場份額的40%以上。但從上世紀80年代開始，縱向一體化的模式令128號公路錯失個人電腦和網際網路的發展浪潮，受到來自矽谷的巨大衝擊，王安電腦、阿波羅電腦等一批在當時引領文字處理和圖形處理的明星企業暗淡退場，矽谷開始取代128號公路成為新的電腦工業中心。來到新千年、新世紀，128號公路憑藉著在生命科學與物理學、化學、工程學、電腦科學等多學科領域的技術融合，再次崛起，使128號號公路成為全美著名的生物技術走廊，也使阿斯利康、賽默飛、諾華、輝瑞等全球知名生物醫藥企業匯聚波士頓，造就了這座“基因城”。在“全球最具創新性一平方英里”、“全球醫藥産業的華爾街”——肯德爾廣場，全球TOP20生物醫藥公司中的18家在此設立辦公機構，生物技術公司超過250家，其中80%為初創企業。128號公路的發展幾經沉浮，始終能爆發出旺盛的創新生命力，在於其創新鏈條重要的三環：知識源頭、金融保障、政府扶持。

健客：對了，之前講過脫氧核糖核酸聚合酶，是脫氧核糖核酸複製時起催化作用的酶，在細胞中普遍存在，但什麼是引物呢？

雲飛：這要從華裔分子生物學家吳瑞説起。他建立了第一個脫氧核糖核酸測定方法，是脫氧核糖核酸測序之父。他的策略是利用能定位的引物加以延伸，合成新的有標記的脫氧核糖核酸。桑格的脫氧核糖核酸測序法和穆裏斯的聚合酶鏈式反應都建立在吳瑞提出的引物延伸原理的基礎上。引物通常是人工合成的兩段寡核苷酸序列，一段引物與靶區域一端的一條脫氧核糖核酸模板鏈互補，另一段引物與靶區域另一端的另一條脫氧核糖核酸模板鏈互補，其功能是作為核苷酸聚合的起始點。

健客：這個概唸有點難啊！

雲飛：嗯，術語比較無趣，咱們跳過去不説。邏輯更重要，反而不太難。之前講過，脫氧核糖核酸由兩條脫氧核苷酸鏈構成。如果把脫氧核糖核酸比作一條拉鏈，那麼引物就是人工添加進去的拉鏈頭。一條拉鏈解開後變成兩條單鏈，其中一個拉鏈頭對著一條單鏈的前端，另一個拉鏈頭對著另一條單鏈的後端。

健客：為什麼非要一前一後呢？不能都對著前端或者都對著後端嗎？現實生活中的拉鏈頭都在前端啊！

雲飛：哈哈，如果都對著一端，那麼添加的引物不就自己和自己接上了。扯遠了，馬上拉回來。

穆裏斯靠邊停車，掏出紙筆開始演算。這種擴增方法，每次迴圈得到的脫氧核糖核酸片段都是上一迴圈的二倍，那麼迴圈10次，就能擴增1024倍；迴圈36次，就超過687億倍！這個數字太驚人，這個思路太簡潔，穆裏斯一時之間都無法相信，之前居然沒人嘗試過。他反覆查閱資料之後，在西特斯公司內部的科研會議上分享了自己的想法。然而，同事們完全不覺得這有什麼厲害之處。穆裏斯花了幾個月時間尋求認同，但贊同者寥寥無幾，這期間，他與女友的感情也出現了裂縫，直到9月，他才開始第一次實驗。那個夜晚，他把聚合酶加入試管後就回家了，滿心以為脫氧核糖核酸已經在管中自己成倍擴增。然而第二天中午，他沒能看到期望的結果。

健客：問題出在哪兒了？

雲飛：出在酶的活性上。在體外，脫氧核糖核酸高溫變性，互補鏈分開成兩條單鏈，就像解開的拉鏈；低溫退火，引物與單鏈按鹼基互補配對的原則結合，就像對上新的拉鏈頭；再調溫至脫氧核糖核酸聚合酶最適反應溫度，單鏈合成新的互補鏈，就像拉上新的拉鏈。開始時，穆裏斯用大腸桿菌的脫氧核糖核酸聚合酶，雖然這種酶是人類的老朋友，但是不能耐受高溫。脫氧核糖核酸變性溫度為95℃左右，隨著溫度升高，這種酶會失去活性，因此，加入的酶只能用一輪，而後面的每一輪都需要手動加入。

穆裏斯不喜歡重復勞動，如果一件事需要反覆做同一個流程，那麼他會傾向於寫個程式來解決。但他不得不承認，反覆地加熱、冷卻、添加聚合酶，這枯燥的工作是繞不過去的坎兒。接下來的三個月裏，穆裏斯為了感情問題焦頭爛額，他磨磨蹭蹭地進行著實驗。在1983年耶誕節，他終於成功擴增了pBR322質粒的一個小片段。

1984年，穆裏斯再次向同事介紹了自己的成果，依舊説了個寂寞。之後又發生了好多事，謝天謝地謝伯樂，在西特斯技術副總裁的支援下，不走運的穆裏斯堅持走在研究聚合酶鏈式反應的道路上。這種擴增技術需要做到規模化、自動化、快捷化，才能體現價值。關鍵在聚合酶的選用，直到穆裏斯團隊找到了錢嘉韻的那篇論文，TaqDNA聚合酶應用其中，大放異彩。聚合酶鏈式反應的最大特點，是能將微量的脫氧核糖核酸大幅擴增。因此，無論是化石中的古生物、歷史人物的殘骸，還是幾十年前兇殺案中兇手所遺留的毛髮、皮膚或血液，只要能分離出一丁點的脫氧核糖核酸，就能用聚合酶鏈式反應加以放大，進行比對，彰顯“微量證據”的威力。

1985年冬，一篇正式介紹聚合酶鏈式反應原理的論文送到《自然》雜誌，拒稿；再投《科學》雜誌，再拒。他們認為只是技術革新類的東西。在吳瑞的推薦下，1987年，穆裏斯的論文發表在《酶學方法》雜誌上。

健客：還是吳瑞慧眼獨具啊！介紹一下吳瑞吧。

雲飛：好，這是我的榮幸。1928年8月14日，吳瑞在北京出生，1948年來到美國，1950年在阿拉巴馬大學獲得化學學士學位，1955年在賓夕法尼亞大學獲得生物化學博士學位，1961年加入美國國籍，1966年成為康奈爾大學生物化學和分子生物學副教授，1972年晉陞為教授。吳瑞創建了中美生物化學聯合招生項目（CUSBEA），1982年至1989年間，該項目共招收了400余位頂尖的中國學生來美學習研究生課程，其中100多人在知名大學任教或在産業界擔任重要職位。1998年，“吳瑞協會”在美國加州大學洛杉磯分校成立，2004年更名為“華人生物學家協會”，成為代表北美及其他地區3000多名華人生物學精英的專業組織，致力於推動生命科學前沿研究。2001年，吳瑞當選中國工程院外籍院士。

2008年2月10日，吳瑞因心臟病去世，享年79歲。吳瑞去世後，很多人寫了紀念文章。饒毅這樣介紹吳瑞的學術成就：脫氧核糖核酸測序方法，桑格的貢獻最大——他發明瞭測序方法的幾個關鍵步驟，獲諾貝爾獎當之無愧。桑格曾撰文表示，吳瑞1968年第一個測定脫氧核糖核酸順序。不過當年的方法不能普遍應用、也不能測長序列脫氧核糖核酸。1971年吳瑞的引物延伸，是測序的一個關鍵步驟，給獎是可以的。桑格在1980年諾貝爾獎獲獎演説中沒有提及吳瑞的工作，但是他在1988年的《生物化學年評》長篇自傳、在2001年的《自然-醫學》短文中，都肯定了吳瑞的工作。得獎可以留在人們的口中，對於留傳於世的發明和發現，即使很多人不明確知道發明者，發明仍活在人們的腦中。吳瑞的美國同事、長期合作者、高級研究助理加格説：“他不知疲倦地幫助別人，他的慷慨和精神將伴隨我們到永遠。我和他都有一個夢想，就是看到我們的研究成果使全世界的人民受益，我們為了這個夢想而奮鬥。我感激他為我提供了一個在康奈爾大學工作和參與轉基因水稻研究的絕好機會。”

聚合酶鏈式反應已經走過最艱難的時刻。然而共苦的夥伴，卻很難同甘。一方面，是聚合酶鏈式反應發明人之爭；另一方面，是西特斯不太公平，穆裏斯獲得了一萬美元的獎金，團隊其他成員只象徵性地收到了一美元，這讓分歧更大了。有人把穆裏斯推薦給沃森，沃森一見穆裏斯，頓感驚才絕艷。1986年夏，沃森邀請穆裏斯參加“人類分子生物學”會議，報告聚合酶鏈式反應的原理及實際應用結果。這是穆裏斯生平第一次受邀演講，而且參會的都是學術界的大牛。穆裏斯一鳴驚人，但與西特斯的關係更加惡化。1986年秋，穆裏斯離開了西特斯。西特斯給了他5個月的薪水，但按産業慣例，聚合酶鏈式反應的專利權屬於西特斯。“人類分子生物學”會議專刊于1986年冬出版，公佈了一系列最新研究成果，讓基因組測序突然變得觸手可及。其中最關鍵的技術突破或許要歸功於穆裏斯。為了能夠進行基因測序，首先要具備充足的脫氧核糖核酸。單個細菌細胞可以通過“發酵”，達到百億級別的數量，為測序提供了豐富的細菌脫氧核糖核酸。但是想要獲得同樣數量級的人類細胞談何容易。不過穆裏斯已經發現了一條捷徑。1992年，聚合酶鏈式反應的專利賣了3億美元。1993年，穆裏斯登上諾貝爾領獎臺，大談童年時光與128號公路上的那個夜晚。獲獎後，他實現了一直以來的出書夢，《心靈裸舞》于1998年出版，以親身經歷介紹聚合酶鏈式反應的傳奇故事。同年，《紐約時報》評價：生物學自此分為聚合酶鏈式反應之前，聚合酶鏈式反應之後。

2019年8月7日，聚合酶鏈式反應之父穆裏斯因肺炎去世，享年74歲。後來白肺肆虐人間。兩者之間有無聯繫？我不知道，但聚合酶鏈式反應可以探明真相。事實上，在新型冠狀病毒肺炎疫情防控中，聚合酶鏈式反應以快制快，大放異彩。這個放在《病毒傳》中慢慢聊。

2022年10月3日，瑞典卡羅琳醫學院揭曉諾貝爾生理學或醫學獎。該獎項授予瑞典遺傳學家帕博，以表彰他對已滅絕古人類基因組和人類進化的發現做出的貢獻。帕博對於聚合酶鏈式反應在古人類的應用有貢獻。那時聚合酶鏈式反應已經是熱門，到處被應用。但是，古人類脫氧核糖核酸分析的最大困難是如何排除污染物。聚合酶鏈式反應越敏感，污染的問題就越大。帕博發現其他人號稱分析的恐龍脫氧核糖核酸不是恐龍的、而是污染物的脫氧核糖核酸。帕博建立清潔的實驗室，避免或減少污染。技術過硬、經費充足、檢測不懈，帕博不僅是這一領域最高産的，而且有重要發現，如分析尼安德特人的基因組等，從而有原創發現。

如果穆裏斯和帕博是千里馬，那麼吳瑞既是千里馬，更是伯樂。這倒不是非説吳瑞是穆裏斯的伯樂，在西特斯，穆裏斯有支援者；吳瑞和沃森也幫助過他。或許可以這樣歪解伯樂：以助“千里馬”為樂的長者。策之以其道，食之盡其材，鳴之通其意，這些是伯樂的能力，助之為樂是伯樂的胸襟，而使命感才是伯樂的精神力量。北京大學生命科學學院教授顧孝誠在《我所認識的吳瑞》一文中説：“吳瑞做了許多不平凡的事兒，卻給你感覺是個平凡的人。他用平凡的心態對待一切事情。有些老輩的華人，甚至更年輕的華人，在美國成功以後，對中國人的態度就和他不同，我是見過的。可是吳瑞對中國人之友好到了一種非常細緻的程度，你可能承受了都不知道。” CUSBEA項目學生、美國印第安納大學醫學院教授嚴聰在《悼吳瑞先生》的文章中寫道：“他是我一生的貴人，中國生物界的貴人，乃至中美交流的貴人。他用一己之力開了歷史的先河；他用一顆中國心架起了中美科技交流的橋梁；他用一雙手播下了未來參天大樹的種子；他用一個伯樂的睿智為世界生物界相中了幾百匹千里駿馬；他用一生的人格為我們樹立了光輝榜樣。”在這篇文章中，嚴聰回憶了與吳瑞唯一的一次會面，他説：“我和先生只有一面之緣，那是在紐約，第一次CUSBEA年會上。他是一個非常謙虛的學者，要和他講話的人很多，我只能和他握握手，當他去世後，這僅有的一次握手顯得彌足珍貴，仿佛他把接力棒交給了我。”在一次採訪中，記者問：您作為德高望重的科學家，如今成為伯樂、做人梯，您對年輕人有什麼希望？吳瑞答：現在學生素質都很高，尤其拿到博士學位的大多數都很聰明，而且，在我這一學科領域又要求動手能力很強，這兩方面合在一起，再加上個人的努力，才可以做出真正的突出貢獻。一般來説，至少在國外的中國學人，他們學習、工作很努力，很勤奮，比別國的人，比美國人同樣地位的，工作時間都長，而且很專心於學術。在國內，似乎雜事比較多，不能把全部的精力放在科研方面。這是不好的。另外，在國內已經有五到十年工作經驗的教授或研究員，如果每年出去開一次或兩次會，每次一兩個禮拜，同國際前沿保持聯繫，有新的發現就可以互相交流，這是很重要的。如果有條件還可以去一兩個月，兩三個月，不斷學習一些新的東西也很好，但目前這種情況還不多。尤其是生命科學領域發展非常快，新的技術或想法不斷涌現。如果沒有接觸就會落後。因此，我主張留學回國後，也要通過各種方式，各種渠道保持與國外的聯繫。當然，國內的科研條件和環境，比10年前已經好了許多。但與國外相比還有一定差距，比如，搞生命科學研究，常需要從國外進口一些重要的試劑或別的材料，有時就會很麻煩，不能及時地、順利地到達科研人員手上，結果讓那些科研人員，幾次三番跑海關，跑機場……使科研人員花費很大工夫去做這種不應該花時間的事情。第二個問題是，有的研究人員，一旦工作做好了，就會有許多非科研業務以外的行政責任或別的任務加到他的身上，當然，有些工作也很重要，但是我認為不要過多了。一個人的時間、精力畢竟有限。讓他去做其他事情，也可以有些貢獻，但是對他科研進程會有負面影響。我認為，要盡力保護科研人員，保護學者，讓他們集中精力在科研上有更大的發揮和突破。這番話，雖然是2001年説的，現在聽來仍然覺得言之諄諄，意之殷殷。

讓我們回到1986年夏，“人類分子生物學”會議推動了人類基因組計劃，這個計劃與細菌有什麼關係呢？

欲知後事如何，且聽下回分解。