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解讀2002年諾貝爾化學獎成果
中國網 | 時間: 2002-10-10  | 文章來源: 新華社
    所有生物都含有包括DNA和蛋白質在內的生物大分子,“看清”它們的真面目曾經是科學家的夢想。如今這一夢想已成為現實。2002年諾貝爾化學獎表彰的就是這一領域的兩項成果。

    這兩項成果一項是美國科學家約翰芬恩與日本科學家田中耕一“發明瞭對生物大分子的質譜分析法”,他們兩人將共用2002年諾貝爾化學獎一半的獎金;另一項是瑞士科學家庫爾特維特裏希“發明瞭利用核磁共振技術測定溶液中生物大分子三維結構的方法”,他將獲得2002年諾貝爾化學獎一半的獎金。

    質譜分析法是化學領域中非常重要的一種分析方法。它通過測定分子品質和相應的離子電荷實現對樣品中分子的分析。19世紀末科學家已經奠定了這種方法的基礎,1912年科學家第一次利用它獲得對分子的分析結果。在質譜分析領域,已經出現了幾項諾貝爾獎成果,其中包括氫同位素氘的發現(1934年諾貝爾化學獎成果)和碳60的發現(1996年諾貝爾化學獎成果)。不過,最初科學家只能將它用於分析小分子和中型分子,由於生物大分子比水這樣的小分子大成千上萬倍,因而將這種方法應用於生物大分子難度很大。

    儘管相對而言生物大分子很大,但它們在我們看來是非常小的,比如人體內運送氧氣的血紅蛋白僅有千億億分之一克,怎麼測定單個生物大分子的品質呢?科學家在傳統的質譜分析法基礎上發明瞭一種新方法:首先將成團的生物大分子拆成單個的生物大分子,並將其電離,使之懸浮在真空中,然後讓它們在電場的作用下運動。不同品質的分子通過指定距離的時間不同,品質小的分子速度快些,品質大的分子速度慢些,通過測量不同分子通過指定距離的時間,就可計算出分子的品質。

    這種方法的難點在於生物大分子比較脆弱,在拆分和電離成團的生物大分子過程中它們的結構和成分很容易被破壞。為了打掉這只“攔路虎”,美國科學家約翰芬恩與日本科學家田中耕一發明瞭殊途同歸的兩種方法。約翰芬恩對成團的生物大分子施加強電場,田中耕一則用鐳射轟擊成團的生物大分子。這兩種方法都成功地使生物大分子相互完整地分離,同時也被電離。它們的發明奠定了科學家對生物大分子進行進一步分析的基礎。

    如果説第一項成果解決了“看清”生物大分子“是誰”的問題,那麼第二項成果則解決了“看清”生物大分子“是什麼樣子”的問題。

    第二項成果涉及核磁共振技術。科學家在1945年發現磁場中的原子核會吸收一定頻率的電磁波,這就是核磁共振現象。由於不同的原子核吸收不同的電磁波,因而通過測定和分析受測物質對電磁波的吸收情況就可以判定它含有哪種原子,原子之間的距離多大,並據此分析出它的三維結構。這種技術已經廣泛地應用到醫學診斷領域。

    不過,最初科學家只能將這種方法用於分析小分子的結構,因為生物大分子非常複雜,分析起來難度很大。瑞士科學家庫爾特維特裏希發明瞭一種新方法,這種方法的原理可以用測繪房屋的結構來比喻:我們首先選定一座房屋的所有拐角作為測量對象,然後測量所有相鄰拐角間的距離和方位,據此就可以推知房屋的結構。維特裏希選擇生物大分子中的質子(氫原子核)作為測量對象,連續測定所有相鄰的兩個質子之間的距離和方位,這些數據經電腦處理後就可形成生物大分子的三維結構圖。

    這種方法的優點是可對溶液中的蛋白質進行分析,進而可對活細胞中的蛋白質進行分析,能獲得“活”蛋白質的結構,其意義非常重大。1985年,科學家利用這種方法第一次繪製出蛋白質的結構。目前,科學家已經利用這一方法繪製出15-20%的已知蛋白質的結構。

    最近兩年來,人類基因組圖譜、水稻基因組草圖以及其他一些生物基因組圖譜破譯成功後,生命科學和生物技術進入後基因組時代。這一時代的重點課題是破譯基因的功能,破譯蛋白質的結構和功能,破譯基因怎樣控制合成蛋白質,蛋白質又是怎樣發揮生理作用等。在這些課題中,判定生物大分子的身份,“看清”它們的結構非常重要。專家認為,在未來20年內,生物技術將蓬勃發展,很可能成為繼資訊技術之後推動經濟發展和社會進步的主要動力,由這3位諾貝爾化學獎得主發明的“對生物大分子進行確認和結構分析的方法”將在今後繼續發揮重要作用。

    新華社 2002年10月10日

    

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