打敗全球的--健談牛拜耳和CELERA 我1998年到CELERA資深科學家中非先生(中先生是我們學校出來的ASST PROFLEVEL初級教授精英)家作客的時候，他就問我怎麼測序最快：我只用一分鐘告訴他，鳥槍法，測完了拼對就可以了。但我同時指出：最難的是人類DNA中有90%都是高保守非OFR重複序列，這個要靠迭加拼讀法搞出前後關係來，沒有個超級計算機那是不中的。中先生點頭稱是。 我想，我的思路和詩米是先生一致，當然，我並不知道他們在座什麼當時。 中先生就是詩先生的手下。 作為這個領域的磚家，個人感覺，詩先生的突破不是鳥槍法，而是螢光標記和機器，記得當時中先生告訴我：他們那個5層小樓，幾十台儀器就這麼拼命的RUN着，和NIH拼時間。 不過他們最後還是失敗了，因為克林敦不保護基因專利。911以後CELERA的股票保爹，我的朋友的250萬美元身價一下子完全縮水了。 但他們的經驗告訴我：私人企業永遠比政府有效益。NIH的幾百億美元上萬個科學家，不如CELERA的500個精英。 其實，這個螢光法也是REAL-TIME PCR的突破的原因。REAL-TIME PCR的發現估計也有俺的貢獻，因為那時NIH在北京招博士後的時候有個巴爾地膜的SUSAN教授做RNA DIFFERENTIATION。她的PROJECT我沒有搞過，基本就是NORTHERN標記的辦法。我回答她的標書的時候，提出了PCR定量的辦法，而且畫出了測定RNA使用標準內參的S曲線與擴增次數的關係，和現在的REAL-TIME PCR一毛一樣，記得那是1996年。 但他們的突破是儀器和螢光標記攙入核酸。 和牛拜耳擦肩而過也麼有什麼，只要你的思路和他們同行就可以了，機會有的是內，嘿嘿，和假平熬王朔說的那樣： 一步小心就睡了一步紅樓。 所以，還看紅樓做什麼？自己設計一個不就節了？ 嘿嘿，真的很難麼？ ______________________________________________ 一人打敗全球”的科學家：史密斯（圖） 潤濤閻 2-9-2009 很多科學家提出了與眾不同、前無古人的思路、定理或結論而震驚世界，這些科學家的一部分獲得了諾貝爾獎，如果發生在100年內的話（諾貝爾獎剛好100年了，在這之前也有不少該得獎的科學家），這很正常。這些不是本文要談的。 本文今天要談的內容跟題目吻合，就是說這位科學家是提前提出設想，想申請美國NIH的科研經費，由於他的設想在全球所有國家的同行眼中是地地道道的信口開河，必然遭到了沒完沒了地羞辱---不僅得不到一分錢的資助，而且成為科學家眼裡胡言亂語的典型。 我在前文中一開頭就提到了這位科學家，當時並非要寫他的專文而賣關子。我那篇文章的寫作方式是用電影鏡頭由遠而近的技巧，就是先介紹約翰霍普金斯醫學院所在地，接着是我們所在的樓，然後是我們實驗室，下面便是實驗室的人物了。文中介紹了那棟樓就是給他蓋的。請看潤濤閻《日本人印度人；猶太人伊斯蘭人》一文。我那篇文章吸引了很多人，有人想知道文中更多的人和事，也有人提出對史密斯感興趣，讓我介紹一下。今晚有點空，就補寫一篇。其他的人物，以後再談。 他的名字全文是漢密爾頓O.史密斯，英文Hamilton O. Smith。他就是本文要介紹的一人抱打全球最後得勝的科學家。 史密斯由於發現了限制性內切酶（Restriction Enzyme）開創了基因克隆新紀元而獲得了諾貝爾獎，那是以前的事了，在此不贅。當DNA順序（生命密碼）的測序方法普及以後，尤其是熒光掃描測序儀的誕生，生物領域裡的科學家們必然想把各個生物的生命密碼解密，也就是把細胞核里的整個遺傳物質---基因組，稱為染色體的所有鹼基對順序搞出來。 為了讓不是在生物領域裡的讀者也能明白到底這生命密碼是怎麼回事，我不得不先給個外行人也能搞明白的解釋。 生命密碼是由四種鹼基組成的一個很長很長的鏈條（因為能被染色而被稱為染色體）。不同生物的鏈條數不同，比如人，就有23對。其中有一對是性染色體。那麼，人的23對染色體鏈條拉直並接起來後有多長呢？潤濤閻做過簡單的計算：把一個鹼基對放大到一塊一尺長的磚，那這個鏈條就是用四種不同顏色的磚用水泥接在一起（化學名稱就是共價鍵）的薄牆（只有一磚高）。這個由四種顏色的磚連接起來的長牆恰好一百萬公里（10億米）！ 由於構成這個長鏈的鹼基對只有四種，不同的排列而已，如何完成測序，便是擺在科學家們面前的難題。 因為必須先把這長鏈用限制性內切酶切成一段段的，把這一段段的DNA裝入載體，載體進入細菌體內進行繁殖，我們才能從細菌體內得到大量的能用於實驗室測序的DNA。還好，每個細菌只能接受一個載體，這就是所說的“克隆”了，我們就可以純化那一段DNA，測出那一段DNA的鹼基對順序。就像知道了這段牆的四種顏色磚的連接順序。 我們測序是通過電泳跑膠，放射性標記，顯影 後讀出DNA順序的。後來有了熒光標記和熒光測序儀，速度增加了很多。工具的革命其重要性不言而喻。 全世界的科學家們無一例外地明白，只有先給這麼由一百萬公里長的磚牆每隔一段找出一個標記，然後對每段測序。因為這一百萬公里長的牆割成一百萬段，分別測序的話，如果不提前標記上哪段跟哪段相連，到頭來就是一鍋粥。反正就那麼四種顏色的磚啊。 所以，包括美國、歐洲、亞洲、南非以及遍布地球上的每個角落的生物科學家都參與了標記定位偉大工程。有的給細菌，有的給真菌，有的給植物，有的給動物（老鼠、人等）標記定位。各就各位，忙得不亦樂乎。 此時，史密斯教授提出了走近路的方法：用shotgun（翻譯成“掃射”法？）可以完成，也就是說，把這個一百萬公里長的牆切成長短不等的段，隨機裝入載體到細菌體內繁殖，然後測序，抓着誰算誰。他預測：測序讀出30億塊磚的時候，這人體的生命密碼---10億塊磚的四種顏色順序就知道了。也就是說，僅僅三倍於整個基因組的測序就可以把整個基因組圖譜給接上！ 要知道，分離細菌DNA的時候，需要大約一萬到一百萬個基因組拷貝進行切割。換句話說，就是這個長牆不是一條長鏈，而是一萬條甚至一百萬條完全相同的牆，每條長度、磚的顏色順序都一模一樣。把這些切割後攪合在一起。 上面介紹完了專業知識。下面講史密斯如何一人抱打全球的。精彩的故事便開始了。 他提出了這個“掃射”法測序，他交了申請科學基金的研究報告給NIH，專業術語叫grant.當時NIH正在如火如荼地標記定位基因組，就是上面說的給這個一百萬公里長的由四種顏色的大磚連成的牆做標記。看到史密斯的申請報告，審批者們愣了：這是諾貝爾獎得主漢密爾頓.史密斯？他的腦袋灌了水了？ 按照最簡單的數學計算，全世界正在標記定位基因組的科學家們都停下來跟着史密斯搞掃射法測序的話，那幾十年也干不完啊！因為要反覆重複同一段，而只差哪怕幾個鹼基對都無法知道哪跟哪對接！史密斯竟然說他自己一個實驗室就能用這種掃射法五年內完成一個細菌基因組的測序，要對接成功。細菌的基因組雖然比人比老鼠小得多，但無論如何也是信口開河。問題在於：這種掃射法根本行不通！ 史密斯不依不饒，非要自己證明自己的預測是對的不可。可他沒錢買熒光測序儀器，他有個曾經是護士的妻子，可以幫忙。這樣，兩口子就每天用手工方法測序，白天兩口子跑電泳，晚上洗出照片後用放大鏡讀鹼基對順序。 有一位在美國的日裔科學家叫K.山本（Keith Yamamoto）加州大學教授，他認為，NIH給那麼多實驗室經費搞基因組定位標記，就不能給史密斯一點錢搞點有風險但與眾不同的研究嗎？ NIH的主席發話了：我們不能因為史密斯是諾貝爾獎得主，他信口開河的胡亂搞也要給錢。他能說服誰呢？這又不是什麼神秘的東東？如果諾貝爾獎得主就可以信口開河而給錢，那諾貝爾獎提名人給不給？其他科學院院士給不給？這個要一視同仁，除非改變NIH審批規則。 醫學界數學好的海着去了，就拿史密斯本人來說吧，他的大學就是在伯克利數學繫念的，他的學士學位就是數學。你史密斯自己算算你那方法能對接上嗎？ 史密斯每年都申請，每年的申請內容都差不多，反正就是簡單不能再簡單的掃射法。 NIH每年都駁回史密斯的申請，每年的駁回內容都差不多，反正就是您老信口開河，專業術語就是“沒有依據，風險太大”。 NIH按照投資的思路，就是不搞“風險投資”這是NIH通過的基金審批規則：“有風險，不給錢。”道理就這麼簡單。 這個世界總有迷信者。 史密斯此時有一個迷信者。其他迷信者不重要，這位迷信者重要，重要之處不在於他多有名氣，山本有名氣，沒用。這位迷信者有用，因為他有錢。 這個事件後，潤濤閻突然醒悟：迷信是不能、也不應該破除的。 迷信史密斯的這位看到了DNA測序的時髦，便辦了測序公司，就是買一台熒光測序儀，給各個實驗室的科學家們測序。你出錢，把樣品給他，他給你測序，告訴你你那段DNA的四個鹼基對順序。他的生意紅火起來了，就多買熒光測序儀器，滾雪球。他看到史密斯兩口子用肉眼讀片子，便說我給你測序，不要錢。史密斯說，那就是合作了。成！二人一拍即合。 當全球的科學家們轟轟烈烈地給不同物種的基因組標記的時候，突然看到三大頂尖雜誌（細胞、自然、科學）中的《科學》刊登出來了人類歷史上第一個完成了生物基因組全部順序解密的論文，全都傻眼了！人家都把整個基因組的鹼基順序搞完了，我們還搞什麼搞？標記標記，定位定位，扯什麼扯？封面看完了，打開裡邊的文章定睛一看，竟然是史密斯和他的粉絲們用掃射法搞出來的！ 美國國會不幹了！憑什麼花這麼多錢搞標記，而不給史密斯一分錢？！ NIH的總頭只好辭職了。山本教授立刻被招，組成NIH經費審批改革。山本教授着實風光了一陣。在他的主持下，NIH改革了grant 的規則。那是1997年的事了，但今天的5項規則，依然有效。其中之一就是要有“創造性”就是Creative。史密斯改寫了美國NIH的歷史。 史密斯本人很低調，那時間你在報道上看到的都是別人的評論，為他鳴不平。照片也是山本先生，報紙雜誌都是他。 史密斯的文章出來後，全球所有正在忙於搞標記的立刻停了下來，全部採用史密斯的掃射法。很快大家就看到了一個個生物，從細菌到真菌到老鼠到人，基因組的測序報告。 所有的測序結果證明：平均只有2.5倍於總長度，這掃射法就可以把整個順序對接。比史密斯預測的工作量還小。 有人事後說史密斯是碰巧了有個有熒光測序儀器的粉絲加入，否則，靠老兩口子人工測序，靠放射性顯影后用放大鏡讀，他至少還需五年完成。但事實是：即使沒有粉絲用熒光測序儀幫忙，他兩口子照樣抱打全球！因為完成基因組標記，全世界在這個領域裡的科學家們通力合作，也要10年甚至15年才能完成。不論有沒有資助，不論有沒有粉絲加入，史密斯與全球成千上萬的科學家對打，而且是人工對付機器，史密斯都是贏定了。 當時我每天看到史密斯夫婦起早貪黑地干，恨不得自己是個富豪，買台熒光測序儀器給他，不論他的結論是對是錯，社會總不能這麼對待一位痴情、好勝的長者。尤其是他沒錢，實驗室縮小到了只有半間。而我們那座大樓當初就是給他蓋的。 史密斯的故事告訴人們：真理總是在少數人手裡。 大家都有這麼個共識：“群眾的眼光是雪亮的。”潤濤閻也承認這句話當真，只是需要給大家解釋一下這句話： 雪是亮的，但不透明。別說雪山下面覆蓋着的是鐵礦石還是花崗岩，就是一層薄雪下面是紅土還是黃土，群眾的眼光是無法得知的。 當極少數智者把真理告訴群眾後，群眾慢慢地明白了，其結果就是用這點知識頑固地反對新的智者的新知識。群眾的眼光只有條件反射的功能。 群眾的眼光是雪亮的，不透明；智者的眼光是水晶的，能看透本質。 史密斯的故事表明：一些數理化常識在微觀領域未必那麼鐵板一塊。潤濤閻曾經請教過史密斯教授一個問題：如果把DNA鹼基對放大至一尺長的一塊磚，人的基因組就是一百萬公里。那DNA合成酶合成DNA的速度就是每小時一百一十公里，相當於大約70邁。DNA合成酶把四種顏色的磚用水泥連成一個長鏈，磚的順序是根據母鏈做模板，一旦發現剛連上的那塊磚的顏色不對，立刻剎車，把剛才那塊錯的磚拆下來，再把對的顏色的磚接上。問題是：這麼快的速度，它是怎麼剎車的呢？汽車跑70邁，急剎車，那也不可能一塊磚的打滑都不發生，何況這合成酶是在細胞液里，怎麼剎車？在水裡的潛水艇最大航速也不過是合成酶的一半不到，潛水艇立刻剎住要走很遠一段距離，別說連一塊磚的距離都不能超過，對潛水艇來說是無法辦到的。史密斯教授聽後哈哈一笑，說這個問題好玩。 是的，宏觀的數理化常識未必適合於微觀領域，至少不是任何時候都能照搬。 我一直納悶的是：史密斯為何對他那些在別人看來是荒唐的預測如此自信呢？難道是因為他相信當初就是這個細菌讓他發現了限制性內切酶而獲得了諾貝爾獎，這個細菌的基因組鹼基對順序就得讓他完成？也不管他採用什麼荒唐的方法？ 如果說史密斯應該得第二個諾貝爾獎，恐怕生物界的科學家們沒人反對。他的貢獻不僅僅是諾貝爾獎青睞的特立獨行，還在於他一方面影響了美國NIH的改革，更讓全世界範圍內同行科學家節省了數年的時間和無數的精力。 史密斯寶刀不老，他立刻着手向另一高峰攀登了。他要攀登的他一生中的第三座大山是“人造生物”，就是根據已知的基因組順序，重新人工組裝基因組，創造地球上從未有過的生物。 但願他在有生之年再創輝煌。即使他由於年齡因素無法完成這第三座大山的攀登，他的路子會有粉絲追隨的。 獲得諾貝爾獎時的史密斯教授 當今的史密斯教授 史密斯教授最近幾年的論文： Gibson, D. G., Benders, G. A., et al. Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma genitalium Genome Science. 2008 Jan 24; Lartigue, C., Glass, J. I., et al. Genome transplantation in bacteria: changing one species to another Science. 2007 Aug 03; 317(5838): 632-8. Glass, J. I., Assad-Garcia, N., et al. Essential genes of a minimal bacterium PNAS USA. 2006 Jan 10; 103(2): 425-30. Hutchison, C. A., 3rd, Smith, H. O., et al. Cell-free cloning using phi29 DNA polymerase PNAS USA. 2005 Nov 29; 102(48): 17332-6. Smith, H. O., Hutchison, C. A., 3rd, et al. Generating a synthetic genome by whole genome assembly: phiX174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides PNAS USA. 2003 Dec 23; 100(26): 15440-5. Venter, J. C., Smith, H. O., et al. A new strategy for genome sequencing Nature. 1996 May 30; 381(6581): 364-6. Fraser, C. M., Gocayne, J. D., et al. The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium Science. 1995 Oct 20; 270(5235): 397-403. Fleischmann, R. D., Adams, M. 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