饒毅署名文章《美妙的生物熒光分子與好奇的生物化學家》 　　 下村修 　　做出應獲諾貝爾獎工作的科學家，幾十年默默無聞； 被廣泛應用的分子，很少人知其發現者；原始論文鮮為人知，後繼論文倒很熱門； 曾失明的人，發現了美麗的發光蛋白； 低調的父親，出了高調的兒子。 　　這裡簡介一項生物化學研究，講一個科學家的故事，還討論一個問題：是否活着的科學家中還有因好奇而做科學研究？ 　　本文和我2002年一篇文章相同，不是預測諾貝爾獎，而是介紹值得獲獎的工作。名單上不包括可以獲獎、但其工作不值得獲獎者。相反，本文的主人公可能被埋沒得不到獎，但他的工作很值得介紹。 　　生物發光和熒光蛋白 　　現在研究生物的人，幾乎都知道綠色熒光蛋白（GFP），但常常不知或搞錯其發現者。毫無爭議的發現者是日裔美國科學家下村修（Osamu Shimomura，下村脩）和已故美國科學家約翰森（Frank H. Johnson）。他們1961到1974年發現兩種發光的蛋白質：水母素（aequorin）和GFP。 水母素 　　生物發光現象，下村修和約翰森之前就有人研究。螢火蟲發熒光，是由熒光酶（luciferase）作為酶催化底物分子熒光素（luciferin），有化學反應如氧化，以後產生熒光。而發現蛋白質本身發光，無需底物，起源於下村修和約翰森的研究。 　　下村修和約翰森用過幾種實驗動物，和本故事相關的是學名為Aequorea victoria的水母。1962年，下村修和約翰森等在《細胞和比較生理學雜誌》上報道，他們分離純化了水母中發光蛋白水母素。據說下村修用水母提取發光蛋白時，有天下班要回家了，他把產物倒進水池裡，臨出門前關燈後，回頭看一眼水池，結果見水池閃閃發光。因為養魚缸的水也流到同一水池，他懷疑是魚缸排出的成分影響水母素，不久他就確定鈣離子增強水母素髮光。1963年，他們在《科學》雜誌報道鈣和水母素髮光的關係。1967年Ridgway和Ashley提出檢測鈣的新方法：用水母素。鈣離子是生物體內的重要信號分子，水母素成為第一個有空間分辨能力的鈣檢測方法，是目前仍用的方法之一。 　　1955年Davenport和Nicol發現水母可以發綠光，但不知其因。1962年下村修和約翰森那篇純化水母素的文章中，有個註腳，說還發現了另一種蛋白，它在陽光下呈綠色、鎢絲下呈黃色、紫外光下發強烈綠色。其後他們仔細研究了其發光特性。1974年，他們得到了這個蛋白，當時稱綠色蛋白、以後稱綠色熒光蛋白（GFP）。Morin和Hastings提出水母素和GFP之間可以發生能量轉移。水母素在鈣刺激下發光，其能量可轉移到GFP，刺激GFP發光。這是物理化學中已知的熒光共振能量轉移(FRET)在生物中的發現。 　　下村修本人對GFP的應用前景不敏感，也未意識到應用的重要性。他離開普林斯頓到Woods Hole海洋研究所後，他的同事普瑞舍(Douglas Prasher)非常感興趣用熒光蛋白做生物示蹤分子。1985年普瑞舍和日裔科學家Satoshi Inouye分別根據蛋白質序列拿到了水母素的基因（生物學上準確地說是cDNA）。1992年，普瑞舍又拿到GFP的基因。有了cDNA，一般生物學研究者就很容易應用，比用蛋白質方便多了。 　　普瑞舍1992年發表GFP基因的文章後，離開科學界。原因是他申請美國國家科學基金時，評審者說沒有蛋白質發光的先例，就是他找到了這種蛋白，也沒什麼價值。一氣之下，他離開學術界去麻省空軍國民衛隊基地，到農業部動植物服務部工作。當時他如果花幾美元，就可以做一個一般研究生都能做，但非常漂亮的工作：將來自水母的GFP基因放到其他生物體內（如細菌），看到熒光，可以很強烈地提示GFP本身可以發光，無需其他底物、或者輔助分子，也表明可以廣泛用GFP。 　　將GFP表達到其他生物體這項工作，1994年由兩個實驗室獨立進行：美國哥倫比亞大學做線蟲的Marty Chalfie實驗室，和加州大學聖迭哥分校、Scripps海洋研究所的兩位日裔科學家Inouye和Tsuji。 　　水母素和GFP都有重要的應用。但水母素仍是熒光酶的一種，它需熒光素。而GFP是蛋白質本身發光，原理上不同。 　　Chalfie的文章立即引起轟動，很多生物學研究者接着紛紛將GFP引入自己的系統。當時好些《自然》、《科學》文章，證明那裡表達GFP，那裡就有綠光，這些後續文章不過是跟風，上了《自然》也不證明有原創性。 錢永健 　　1994年，華裔美國科學家錢永健（Roger Y Tsien）開始改造GFP，有多項發現。世界上目前使用的熒光蛋白大多是錢永健實驗室改造後的變種，有的熒光更強，有的呈黃色、藍色，有的可激活、可變色。用一些不常用做研究樣本的生物找有顏色的蛋白成為一些人的愛好。不過真發現的有用東西並不很多。成功的例子有俄國科學院生物有機化學研究所Sergey A. Lukyanov實驗室從珊瑚里發現的其他熒光蛋白（FP），包括紅色熒光蛋白。 　　綜觀整個過程，從1961年到1974年，下村修和約翰森的研究遙遙領先，但很少人注意。單純從技術上，其他生化學家也可以得到水母素和GFP，但需要有想法或興趣。在1974年以後，特別是八十年代後，很多後續工作顯而易見，一般研究生可以做。其中例外是錢永健實驗室發現變種出現新顏色，這一發現出乎意料。 　　GFP之美麗和妙用 　　GFP及其衍生物（各種熒光蛋白），絢麗多彩，非常漂亮。 　　有些熒光蛋白當濃度足夠高時，在日光下可以看到顏色。所以實驗室產生了人為可控制顏色的魚、老鼠。 　　熒光蛋白廣泛應用於生物學研究。可以通過常規的基因操縱手段，將熒光蛋白用來標記其他目標蛋白，這樣可以觀察、跟蹤目標蛋白的時間、空間變化。提供了以前不能達到的時間和空間分辨率，而且可以在活細胞、甚至活體動物中觀察到一些分子。熒光蛋白技術也使得人們可以研究某些分子的活性，而不僅僅是其存在與否。 　　對於有些研究來說，熒光蛋白的作用可以形容為“起死回生”：原來有些方法，需要把生物變成死物才能研究一些現象和過程，而熒光蛋白為主要支柱之一的現代成像技術，使科學家在活的細胞中觀察和研究這些過程，使一部分“死物學”變成“生物學”。 　　為了好奇 　　下村修1928年生於京都，長於長崎。1945年他16歲時，原子彈在他故鄉爆炸，他曾失明數周。1951年，他畢業於長崎醫科大學藥學專門部，1960年獲名古屋大學有機化學博士。1960年他到美國普林斯頓大學約翰森實驗室做博士後，63年至65年回日本名古屋大學任副教授，65年回普林斯頓繼續在約翰森實驗室，直到1980年。估計是約翰森退休後下村修不能待在普林斯頓了，所以1980至2001年他到麻省Woods Hole海洋生物學研究所工作、並有波士頓大學兼職教授之軟差。 　　下村修1961年33歲做出重要發現（1962年發表），到1974年46歲時，全部關鍵實驗完成。但到80歲的今年，他幾乎是默默無聞。他多年沒有實驗室，在約翰森實驗室做了近20年博士後，不是為了功。他也沒有當選美國科學院院士，不是為了名。GFP後來帶來了相當的收益，但下村修沒得，也不是為了利。 　　下村修加入生物發光研究是1955年在日本做研究生時，導師讓他到另外一個實驗室去開闊眼界，而那個實驗室的導師介紹他做熒光素。1959年導師逝於癌症，1960年他到約翰森實驗室。約翰森給他看水母發光，要他做，可是第一次演示根本沒有發光。但下村修被約翰森感染了，決定做這個課題。1961年約翰森開了七天的車、每天12小時，帶下村修橫跨美國到西海岸華盛頓州的“星期五港”（Friday Harbor）實驗室，那裡當時盛產水母，有很多原料，他們在1961年夏做出主要發現。 　　下村修開始做研究時不知其重要性，只是對生物發光好奇。發光的生物學意義，至今尚不清楚；而發光蛋白應用的重要性，下村修不僅當時不知道，而且以後相當時間不清楚。水母素應用於檢測鈣，是1967年由Ridgway和Ashley提出。最初下村修和約翰森只為提取水母素，而GFP是副產物。現在，這個副產物的用途比原來的正產物還大。GFP作為示蹤蛋白是普瑞舍極力鼓吹。廣泛應用在1994年以後。從1974年獲得GFP到1994年，下村修並未大力推動GFP的應用。 　　下村修樂於做這項工作，只需很基本的條件。2001年退休後，他繼續做研究，把家裡的地下室作為“光蛋白實驗室”，今年80歲的他，還用家庭地址發表文章。 　　科學界並不公平 　　下村修有非常重要的科學貢獻。但是科學界多半不知道他，只知道後續工作，社會的認可就更少。 　　在普林斯頓，他二十年沒有獨立實驗室，在別人領導下工作。到Woods Hole後，是很小的幾人小組。他80歲了，也沒有當選哪裡的院士。最近幾年開始獲些不知名的獎。非常熱衷於國民獲諾貝爾獎的日本，到近年才有少數專家知道下村修。 　　下村修和遺傳學家Barbara McClintock不同。她在81歲因為發現轉座子獲諾貝爾獎。但慢的主要原因是學術，而對她個人很早就認可（因為在遺傳學的多個貢獻，1944年她42歲時當選美國科學院院士，是最年輕的院士之一；43歲當選美國遺傳學會主席）。1950年代，她提出轉座是調控基因表達的重要機理，但轉座調控基因並不是普遍規律。她在植物中發現轉座現象，不是爭議焦點，一旦大家意識到轉座是普遍現象（包括動物）後，就接受了其重要性。而下村修的成果人們用了很多年，沒有爭議，只是大多數人不知道他的個人貢獻。 　　下村修雖然做了非常原創性的工作，很多人用他發現的GFP，有些生物學雜誌每期都有文章用GFP，有些生物雜誌每期20%的文章用了GFP，但絕大多數人並不知道發現者是下村修。下村修和約翰森1962年發現水母素的文章迄今被377次引用，1974年純化GFP的文章被引用169次，Chalfie等1994年《科學》文章被引用3349次，Inouye 和Tsuji的1994年文章被引用256次。說明大多數科學工作者並不知道所用的東西怎麼來的。所以，簡單重視引用率也不能代替對領域的真正了解。 　　不僅下村修沒有被廣泛認可，其他一些人也遭忽略。1990年，他的合作者約翰森82歲去世時，《紐約時報》的悼文沒有提GFP。普瑞舍拿到GFP基因但缺經費。Chalfie文章引用率高但專利搞砸了沒多少收益。 　　我2002年寫的值得獲諾貝爾獎名單中，有普瑞舍和錢永健，無下村修。近年我才給學生講下村修的工作。本文也算是一個更正。 　　這個領域，最重要的工作顯然是下村修和約翰森做的。錢永健在兩個方面做出了重要的貢獻，如果錢與下村修合得獎也很合理。第三重要的是普瑞舍。他承前啟後，有助於推廣應用下村修的發現。 　　錢永健的貢獻 　　錢永健是取得重要成就的科學家。他在成像技術中，有兩項重要工作都與下村修有一定關係。 　　一項是鈣染料。1980年錢永健發明檢測鈣離子濃度的染料分子，1981年改進將染料引入細胞的方法，以後發明更多、更好的染料，被廣泛應用。檢測鈣的方法有三種：選擇性電極、水母素、鈣染料。在錢永健的鈣染料沒有出現以前，具有空間檢測能力的只有水母素，但當時水母素需要注射到細胞內，應用不方便，而錢永健的染料可以通透到細胞裡面去。水母素和鈣染料各有優缺點，目前用染料的人多。錢永健還發明了多種染料用於研究其他分子。 　　錢永健的第二項工作是GFP。1994年起，錢永健開始研究GFP，改進GFP的發光強度，發光顏色（發明變種，多種不同顏色），發明更多應用方法，闡明發光原理。世界上應用的FP，多半是他發明的變種。他的專利有很多人用，有公司銷售。 　　錢永健的工作，從八十年代一開始就引人矚目。他可能是世界上被邀請給學術報告最多的科學家，因為化學和生物界都愛聽他的報告，既有技術應用、也有一些很有趣的現象。他1952年出生，年齡允許他等些年（而下村修沒有這個優勢）。所以，很多人多年認為錢永健會得諾貝爾獎，可以是化學、也可以是生理獎。值得指出，錢永健非常肯定下村修的工作，錢較早公開介紹下村修的發現。 　　錢永健是錢學森的堂侄。他家多科學家和工程師。他中學時獲得過西屋天才獎第一名，大學在哈佛念化學和物理，20歲畢業，後獲英國劍橋大學生理學博士。他哥哥錢永佑（Richard W Tsien）是神經生物學家，曾任Stanford大學生理系主任。兩兄弟分別獲Rhodes和Marshall學者獎（通常認為是美國大學生競爭性最強的兩個獎學金，克林頓總統曾獲Rhodes），到英國留學，九十年代雙雙成為美國科學院院士。錢學森回國後，國內教育體系在他的子女應該上大學時受到極大破壞，使錢的子女錢永剛、錢永真沒有得到他們堂兄弟那樣的發展環境。錢永剛出生於1948年，文革後才念大學。但願錢永健在錢學森先生在世的時候獲獎，告慰他們全家。 　　我在華盛頓大學有位同事，在神經生物學和現代成像都用重要發現和發明，他要求很高，批判性很強，公開發表文章批熱門的領域、批很多人研究不解決問題。他也看不起一些諾貝爾獎得主。有一年剛宣布得獎名單，我到他辦公室去聊天，他沒等我開口，就說：“今天是不幸的一天”。他認為那些人沒一個值得得獎。這位批判性很強的人，卻非常佩服錢永健。 　　科學界還會有下村修嗎？ 　　這個問題可以分幾個方面討論。 　　當然可以問是否現代科學工作者，比較功利，能否象他那樣抱着一個不知道重要性的東西，不追求資源、不追求認可，持之以恆，自得其樂。 　　然後也可以問，如果碰到這樣的人，誰會支持他？下村修和錢永健相差很大。錢永健是人們很快就知道有聰明資質的天才，支持他的人很多，他的工作出來馬上為人所知。下村修基本是反例。沒人認為他是天才，他不知道自己工作的重要性，別人也不容易在早期判斷他的工作。普林斯頓就沒有重視他，否則不會在約翰森退休後，讓他走。實際上，當時的校長不僅不重視他，也不重視生物，當時一批普林斯頓的生物教授因此跑到舊金山加州大學。斯坦福和哈佛很會靠自己的名聲和經費實力招已經做出了可以得獎工作的人，但沒有發現下村修。 　　只有少數人會欣賞下村修，支持他做些事。如果要委員會投票表決是否支持他，大概多數委員會難以讓他過關。但在科學界，需要有些人、有些機構、有些時候敢於承擔風險，支持少數下村修這樣的科學家，做些開始看來稀奇古怪、不着邊際的工作。成本其實相當低，主要是支持者不怕其他人的批評。其中多數這種人最後沒什麼結果，但是只要很少一些支持對了，對科學界的作用可以很大。 　　對於學生來說，趕熱門比較容易，但如果注意力不被大流所驅趕，而在如1970年GFP研究狀態時加入這種領域，其實是很安全的重要課題，那時已經知道有綠色蛋白，主要是提純。當然，能做1961年的工作更好，不過那要求就高很多。 　　下村的故事完了嗎？ 　　這個問題有兩個含義。一是下村修。二是他兒子下村務。 　　年逾80的下村修，無疑應該獲諾貝爾獎。但是他是否能得到，卻有較大疑問。首先諾貝爾獎委員會出錯頻率不低，近年也出過好幾次。其次，諾貝爾化學獎委員會有時橫炮打到生物里，或沒搞懂全貌、或只從化學出發，把獎發給一個領域的某個人，而忽略了領域裡其他人，甚至更重要的人。一類工作被獎後，其他獎的委員會一般不願再給同類工作發獎，這樣造成一個領域最重要的人沒得獎，而其他人得獎。這種現象，在下村修身上發生的可能性不小。過去十年，發過好幾個與GFP相關的獎，都沒有下村修。只有很少幾個不出名的獎近年給下村修。他是否能得諾貝爾獎，反映的不是他的水平，而是諾貝爾獎委員會的水平。化學和生理兩個委員會，是否能比平時水平高一點，還得拭目以待。目前化學獎委員會打錯橫炮的機率並不是0。過去5年，化學獎委員會發生物相關的獎出過三次錯（近十年生理獎也出過錯，不過沒有化學獎頻率高）。人的評判無絕對客觀，諾貝爾獎委員會也不例外。 　　下村修既無名也無利。他兒子下村務（Tsutomu Shimomura）卻很年青就成了名人。下村務是下村修1964年回日本期間出生於名古屋。後隨父母回美國，長於普林斯頓，上普林斯頓高中。在加州理工學院念大學時，跟過諾貝爾物理獎獲得者費曼（Richard Feynman）。曾任職於加州大學聖迭戈分校的物理系和聖迭戈超級計算中心。 　　下村務90年代協助聯邦調查局抓住了一個有名的黑客，讓那人坐了牢。1995年，他和記者以此為基礎合寫一本書Takedown（中文“駭客追緝令”），書被改編成電影，很出名。有傳說他小時候有逆反心理，後來也可能是黑客，在國會作證時，有聯邦調查局探員在身旁，他也黑國會的通訊系統。 　　所以，下村家的故事怎麼落幕，還不清楚。 　　“研三病”：對科學的幻滅和對科學家的悲觀失望 　　以前，一些崇拜科學的人，常把科學家看得比實際更偉大。而得了諾貝爾獎的科學家，也有隱去實情，在得獎後大談對科學的熱愛, 刻意淡化自己對獲獎的重視。 　　現在，做科學研究的人很多，認識科學工作者的人更多。人們發現科學界很多人並不崇高。原來一些得獎的人不僅熱衷於獲得認可，而且為了得獎去做很多學術政治，有的不斷和評選委員會拉關係，有的到評獎機構蹲點“合作研究”，有的貶低其他人工作。還有些科學工作者做研究純粹為了利益，對學術不感興趣，甚至造假。諸如此類，不一而足。 　　這樣導致了我稱之為的“研三病”：也就是一些水平相當於研究生三年級的人，對科學研究和科學家群體非常悲觀，自認為看破科學界的紅塵，憤世嫉俗，走向反面，認定為好奇而做科學的人早已滅絕，斷言已經沒有純粹為科學而科學的科學家。 　　有些科學工作者一輩子都擺脫不了這種病，看不到科學的美，看不到科學家追求美的品味和探索真理的高尚，這不僅影響他們自己的科學研究、動力、動機，而且描黑整個科學界，甚至成為科學界的不良分子。 　　我近年在一些學校和研究機構講“科學研究的動力”，總結有三種：好奇、敬業和求勝。為了免疫青年學子，不犯“研三病”、或者較早緩解，我既說明確實很多科學家做科學的動力比較通俗，但也有科學家是好奇驅動。我希望通過下村修的故事，有助於犯“研三病”者明了每十年中生命科學都有幾項非常重要的、大家公認的發現和發明，從憂鬱症中覺悟過來，潛心尋求好的研究方向，自強不息。 　　相關文獻