如同電影《模仿游戲》中，“計(jì)算機(jī)科學(xué)之父”圖靈在二戰(zhàn)期間帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)協(xié)助盟軍破譯德國(guó)密碼系統(tǒng)“英格瑪”一樣，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授施一公也帶著他的團(tuán)隊(duì)，用6年時(shí)間，試圖破譯世界結(jié)構(gòu)生物學(xué)公認(rèn)的兩大難題之一——剪接體的密碼。
北京時(shí)間8月21日凌晨，施一公研究組在著名的《科學(xué)》雜志在線同時(shí)發(fā)表兩篇論文——《3.6埃的酵母剪接體結(jié)構(gòu)》和《前體信使RNA剪接的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》，宣布得到了高分辨率的剪接體三維結(jié)構(gòu)和剪接體對(duì)前體信使RNA執(zhí)行剪接的基本工作機(jī)理。
“施一公實(shí)驗(yàn)室向這個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域中幾乎不可能完成的任務(wù)發(fā)起挑戰(zhàn)，并在世界舞臺(tái)上取得了成功�！泵绹�(guó)科學(xué)院院士、著名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家丁紹·帕特爾這樣評(píng)價(jià)。更重要的是，“剪接體結(jié)構(gòu)是完全由中國(guó)科學(xué)家利用最先進(jìn)的技術(shù)在中國(guó)本土完成的，這是中國(guó)生命科學(xué)發(fā)展的一個(gè)里程碑�！�
美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校細(xì)胞與分子醫(yī)學(xué)系教授付向東則認(rèn)為，該研究是“近30年中國(guó)在基礎(chǔ)生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)κ澜缈茖W(xué)作出的最大貢獻(xiàn)”。在科研領(lǐng)域沉浸了25年的施一公，已經(jīng)在《自然》《科學(xué)》《細(xì)胞》3大雜志上以通訊作者的身份發(fā)表了將近50篇論文，在他看來(lái)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)可能是自己迄今最重要的研究成果。
不可能完成的任務(wù)
1956年，英國(guó)生物學(xué)家克里克在分子生物學(xué)領(lǐng)域提出一個(gè)中心法則，描述所有生物的過(guò)程就是從DNA到RNA再到蛋白質(zhì)的信息流動(dòng)。
多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)的產(chǎn)生源于中心法則的發(fā)現(xiàn)與闡述，比如說(shuō)，RNA聚合酶和核糖體的結(jié)構(gòu)解析曾分別獲得2006年和2009年的諾貝爾獎(jiǎng)。作為一個(gè)巨大而又復(fù)雜的動(dòng)態(tài)分子機(jī)器，剪接體的結(jié)構(gòu)解析難度被普遍認(rèn)為高于RNA聚合酶和核糖體，同時(shí)，也因?yàn)樵S多人類疾病都可以歸咎于基因的錯(cuò)誤剪接或針對(duì)剪接體的調(diào)控錯(cuò)誤，所以，剪接體的結(jié)構(gòu)解析也一直被認(rèn)為是最熱門(mén)也是最值得期待的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究之一。
1995年，施一公去耶魯大學(xué)面試，他的老板就是因?yàn)榕c另外兩位科學(xué)家解析核糖體結(jié)構(gòu)而獲得2009年化學(xué)獎(jiǎng)的湯姆·斯泰茨。斯泰茨當(dāng)時(shí)正在從事后來(lái)令他獲得諾貝爾獎(jiǎng)的研究。他的一名博士后告訴施一公：“斯泰茨本人最想做的研究是剪接體�！�
剪接體這顆分子生物學(xué)皇冠上的明珠，是很多生物學(xué)家的終極夢(mèng)想。可是這個(gè)“淘氣的家伙復(fù)雜，動(dòng)態(tài)，多變”，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，沒(méi)有科學(xué)家能清晰地“捕捉”它。
1998年，施一公去普林斯頓大學(xué)任教，這個(gè)夢(mèng)想也被他藏在了心中。隨著資歷和經(jīng)驗(yàn)的積累，2004年，施一公開(kāi)始從事膜蛋白領(lǐng)域的研究。但是剪接體他還是不敢碰，“那是一個(gè)夢(mèng)想”。
2005年，中國(guó)科學(xué)院院士、著名生物學(xué)家饒子和與人合作在《細(xì)胞》雜志上發(fā)表了一篇論文。他出乎意料地接到了另外一名著名生物學(xué)家、美國(guó)西北大學(xué)教授饒毅的電話。饒毅提了個(gè)建議：你下一步應(yīng)該做剪接體的研究。
饒子和的回答很實(shí)在：不敢碰。這是當(dāng)時(shí)很多生物學(xué)家的想法。施一公說(shuō)：“沒(méi)有辦法做，也沒(méi)有手段去做�！�
小字輩向老字號(hào)發(fā)起挑戰(zhàn)
但是，夢(mèng)想之火從未熄滅。
2007年，施一公美國(guó)回到清華大學(xué)生物系工作。他的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)張了，依然沒(méi)有去碰這個(gè)夢(mèng)想：不能用這樣的課題去訓(xùn)練學(xué)生，否則只會(huì)讓他們失望，甚至丟掉科研興趣。
“太危險(xiǎn)了，可能一無(wú)所獲，不能讓學(xué)生做炮灰�！彼毖浴�
當(dāng)時(shí)，他有更現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題需要擔(dān)心：在國(guó)外時(shí)間長(zhǎng)了，不知道用國(guó)內(nèi)的水和試劑能不能做出東西來(lái)？
這樣的情況在回國(guó)之初經(jīng)常發(fā)生：培養(yǎng)的細(xì)菌一不小心就被污染了；在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上鋪板，第二天各種雜菌都有。
施一公還把更多的精力放在對(duì)學(xué)生們進(jìn)行分子生物學(xué)、生物化學(xué)的訓(xùn)練上。
經(jīng)過(guò)了一年的建設(shè)，2008年施一公回清華任教后的第一篇文章發(fā)表，盡管不是發(fā)表在最頂尖的雜志上，但是，已經(jīng)訓(xùn)練有素的學(xué)生們有了自信。
此時(shí)，能夠捕捉到剪接體的技術(shù)性革命也已經(jīng)在萌芽之中。
結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究有三大利器：X射線晶體衍射、核磁共振以及單顆粒冷凍電子顯微鏡（冷凍電鏡）。而冷凍電鏡被認(rèn)為分辨率不夠高，是3種利器中最弱的一種技術(shù)手段。
2007年，冷凍電鏡技術(shù)還遠(yuǎn)未成勢(shì)，清華選擇了重點(diǎn)發(fā)展冷凍電鏡技術(shù)。2009年，盡管當(dāng)時(shí)各方條件都還不夠完善，施一公已經(jīng)決定啟動(dòng)通往夢(mèng)想之路�！叭绻鹊綏l件都具備了，黃花菜都涼了”。他的一名博士后和兩名博士生就此進(jìn)入剪接體領(lǐng)域。
在這個(gè)領(lǐng)域里，施一公的團(tuán)隊(duì)是實(shí)實(shí)在在的小字輩：世界上有7個(gè)實(shí)驗(yàn)室在引領(lǐng)著該領(lǐng)域的研究方向，其中就包括現(xiàn)代結(jié)構(gòu)生物學(xué)和分子生物學(xué)的奠基之處、曾走出14名諾貝爾獎(jiǎng)得主的英國(guó)劍橋大學(xué)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室。
面對(duì)這些國(guó)內(nèi)外強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，也曾有博士生有過(guò)疑問(wèn)：我們真的能做好這個(gè)課題嗎？
所以一開(kāi)始，他們就選擇了從小處著手，試圖從解析剪接體復(fù)合物中的一些重要組成蛋白的結(jié)構(gòu)開(kāi)始，逐步接近目標(biāo)。這個(gè)過(guò)程并不容易，“我們一直做得很苦”。施一公說(shuō)，甚至中間有很長(zhǎng)時(shí)間，學(xué)生們什么成果都沒(méi)有，壓力都非常大，讓施一公欣慰的是，他們都能“沉得住氣”。
2013年，冷凍電鏡技術(shù)在照相技術(shù)和軟件分析的圖像處理技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展�！霸瓉�(lái)冷凍電鏡和X射線晶體衍射對(duì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的的貢獻(xiàn)是1∶10，過(guò)去一年這個(gè)比例幾乎倒了過(guò)來(lái)�！笔┮还f(shuō)，“如果沒(méi)有冷凍電鏡技術(shù)的革新，就完全不可能得到剪接體近原子水平的分辨率。”
一起在成長(zhǎng)的還有生命科學(xué)領(lǐng)域的研究條件。2007年，清思而學(xué)時(shí)的生物系只有43個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)在達(dá)到140個(gè)。大量的年輕人加入生命科學(xué)大軍，為清華大學(xué)生命科學(xué)帶來(lái)勃勃生機(jī)。此次以第一作者身份發(fā)表論文的30歲的清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后閆創(chuàng)業(yè)、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院26歲的博士研究生杭婧和25歲的博士研究生萬(wàn)蕊雪就是其中的一員。
年初，團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了剪接體復(fù)合物中重要組成蛋白Lsm七聚體及其在RNA結(jié)合狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)，文章發(fā)表在《自然》雜志上，但是這離他們的目標(biāo)還很遠(yuǎn)。
“我們要布局，也要方法。不能只用工具做事情，自己要懂這些工具�！笔┮还f(shuō)。
這一等待實(shí)在太久了
6月24日，在此領(lǐng)域最有發(fā)言權(quán)的劍橋大學(xué)分子生物實(shí)驗(yàn)室的Nagai研究組的一篇論文在《自然》網(wǎng)站在線發(fā)表。其結(jié)果一度引起轟動(dòng)：他們將剪接體組裝過(guò)程中所涉及的一個(gè)中心復(fù)合物tri-snRNP的分辨率提高到5.9埃。而此前人類對(duì)基因剪接體的認(rèn)識(shí)精度只有29埃。
1埃相當(dāng)于十億分之一米。Nagai的這項(xiàng)工作較之以前有了飛躍，但只能看到蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)，看不到氨基酸。
而施一公團(tuán)隊(duì)此次得到的結(jié)果不僅將精度由5.9埃提高到3.6埃，可以把許多氨基酸看得清清楚楚。更重要的是，其解析對(duì)象是真正的剪接體，而不是Nagai團(tuán)隊(duì)所取得的參與剪接體組裝過(guò)程的復(fù)合物。這是第一次在近原子分辨率上看到了剪接體的細(xì)節(jié)。
2009年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授杰克·肖斯德克對(duì)此的評(píng)價(jià)是“剪接體是細(xì)胞內(nèi)最后一個(gè)被等待解析結(jié)構(gòu)的超大復(fù)合體，而這一等待實(shí)在已經(jīng)太久了”。
實(shí)際上，這是施一公也沒(méi)有想到的突破。
之所以如此，一個(gè)關(guān)鍵是萬(wàn)蕊雪和杭婧對(duì)于樣品的百般馴化，讓它們適合電鏡觀察；另外一個(gè)原因就在于閆創(chuàng)業(yè)巧妙地革新了計(jì)算軟件，可以讓所有重要的顆粒都被再挑選出來(lái)。這篇論文在科學(xué)在線發(fā)表的當(dāng)天，施一公接到的第一封電郵是來(lái)自冷凍電鏡領(lǐng)域的一位大牛，索要這個(gè)程序腳本。
實(shí)際上，今年4月，施一公“整月都像做夢(mèng)一樣”。最開(kāi)始，他對(duì)閆創(chuàng)業(yè)說(shuō)，我們做到15埃就可以了，如果做到10埃就找個(gè)地方把文章發(fā)出去，先告訴這個(gè)領(lǐng)域我們來(lái)了。沒(méi)想到，這個(gè)極限一再被打破：先是12埃，然后是8埃，再到5.6埃，后來(lái)是3.9埃，最后3.6埃。
這種重大科研突破的喜悅完全不能用任何獎(jiǎng)項(xiàng)來(lái)替代。而這次的論文寫(xiě)作也創(chuàng)造了施一公25年科研生涯史上的首次：第一次寫(xiě)文章寫(xiě)到晚上睡不著覺(jué)。
就在兩個(gè)多月前，在研究的最后沖刺階段，施一公帶著3名同學(xué)“玩命地寫(xiě)論文”。那段時(shí)間他每天寫(xiě)論文寫(xiě)到凌晨，有時(shí)6點(diǎn)多回家，躺下睡到8點(diǎn)接著起來(lái)寫(xiě)。在送孩子回河南老家的火車上，4小時(shí)的車程，施一公就寫(xiě)了4個(gè)小時(shí)論文。以至于有一天凌晨3點(diǎn)，還在辦公室寫(xiě)論文的施一公突然尾椎抽筋，一動(dòng)不能動(dòng)。這嚇壞了同樣也在實(shí)驗(yàn)室寫(xiě)論文的學(xué)生。休息過(guò)來(lái)后，快走了幾圈，施一公才恢復(fù)過(guò)來(lái)。
美國(guó)杜克大學(xué)藥理學(xué)院講席教授王小凡認(rèn)為，施一公團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究解決了“無(wú)數(shù)科學(xué)家都向往的生物學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題”。在他看來(lái)，施一公取得的這項(xiàng)成就“將得到諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的認(rèn)真考慮”。
媒體紛紛揣測(cè)，這是否會(huì)是中國(guó)自然科學(xué)領(lǐng)域在諾貝爾獎(jiǎng)的突破？
中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)疾病預(yù)防控制中心副主任高福希望媒體手下留情，“他們?yōu)槿澜绲目茖W(xué)家指明方向，諾貝爾獎(jiǎng)不是一公團(tuán)隊(duì)要做的事情。對(duì)科學(xué)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有最好，只有更好。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，最重要的是有興趣去探索，繼續(xù)發(fā)現(xiàn)未知的好奇心”。
施一公團(tuán)隊(duì)對(duì)剪接體密碼的探索才剛剛開(kāi)始�！斑@項(xiàng)工作的核心意義是讓人類對(duì)生命過(guò)程和機(jī)理有了更進(jìn)一步的了解�！笔┮还乱徊降墓ぷ髦攸c(diǎn)是把不同剪接體相互間不同的地方看清楚，從而闡述內(nèi)含子被去除、外顯子被接在一起的分子機(jī)制。（本報(bào)北京8月23日電 記者 原春琳）
