2002年诺贝尔化学奖 生物大分子分析方法的大突破

【2002年诺贝尔化学奖】

生物大分子分析方法的大突破

湖北省石首市文峰中学刘涛434400

2002年10月8日，瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔化学奖授予美国科学家约翰·B·芬恩、日本科学家田中耕一和瑞士科学家库尔特·维特里希，以表彰他们在生物大分子研究领域的巨大贡献。他们三人创造性利用物理化学分析方法，完成对生物大分子的鉴定与结构分析测定的研究，为揭示生命的奥秘提供了有力的技术武器。

所有生物都含有包括DNA和蛋白质在内的生物大分子，观测生物大分子的三维结构是认识生命过程的坚实基础，“看清”生物大分子的真面目曾经是科学家们梦寐以求的伟大梦想，而如今这一梦想已经成为了现实。

瑞士科学家库尔特·维特里希1938年生于瑞士阿尔贝格，1964年获瑞士巴塞尔大学无机化学博士学位，从1980年起担任瑞士苏黎世联邦高等理工学校的分子生物物理学教授。

日本科学家田中耕一1959年出生于日本富山县首府富山市，1983年获日本东北大学学士学位，现任职于京都市岛津制作所，为该公司研发工程师，分析测量事业部生命科学商务中心、生命科学研究所主任。

美国科学家约翰·芬恩1917年出生于美国纽约市，1940年获耶鲁大学化学博士学位，1967年到1987年间任该大学教授，1987年起被聘为该大学名誉教授，自1994年起任弗吉尼亚联邦大学教授。

质谱(MS)分析法是通过测定分子质量和相应的离子电荷实现对样品中分子

的分析方法，最初用于分析小分子和中型分子，尽管生物大分子比水分子大上成千上万倍，比如人体内运送氧气的血红蛋白仅有千亿亿分之一克，可是如何测定出单个生物大分子的质量呢？科学家在传统的质谱分析法基础上发明了一种新方法：将成团的生物大分子拆成单个的生物大分子，并将其电离，使之悬浮在真空中，然后让它们在电场的作用下运动，不同质量的分子通过指定距离的时间不同，质量小的分子速度快些，质量大的分子速度慢些，通过测量不同分子通过指定距离的时间，就可计算出分子的质量。

此种方法的难点在于生物大分子比较脆弱，在拆分和电离成团的生物大分子过程中它们的结构和成分极容易被破坏。为了敲掉这只“拦路虎”，美国科学家约翰•芬恩采取对成团的生物大分子施加强电场，日本科学家田中耕一则用激光轰击成团的生物大分子。这两种方法都非常成功促使生物大分子相互完整地分离开来，同时也被电离，这样就奠定好了科学家对生物大分子进行进一步分析的技术层面基础。

科学家芬恩和田中耕的成果已经解决了“看清”生物大分子是“谁”的问题，那么瑞士科学家维特里希则解决了“看清”生物大分子是什么样子的问题。

核磁共振(NMR)技术的原理是通过测定和分析受测物质对电磁波的吸收情况就可以判定原子种类，并测定原子之间的距离，并据此分析出它的三维结构。该技术已经广泛地应用到医学诊断领域。

核磁共振技术最初用于分析小分子的结构，又由于生物大分子结构非常复杂，分析起来难度很大。瑞士科学家库尔特•维特里希为了测定生物大分子在溶液中的三维结构，发明了核磁共振波谱法，这种新方法的原理可以用测绘房屋的结构来作比喻：我们首先选定一座房屋的所有拐角作为测量对象，然后测量所有相邻拐角间的距离和方位，据此就可以推知房屋的结构。维特里希选择生物大分子中的质子（氢原子核）作为测量对象，连续测定所有相邻的两个质子之间的距离和方位，这些数据经计算机处理后就可形成生物大分子的三维结构图。

这种方法的优点是对溶液中的蛋白质进行分析，进而对活细胞中的蛋白质进行分析，能获得“活”蛋白质的结构。1985年科研人员利用这种方法第一次绘制出蛋白质的结构。目前，科学家已经利用这一方法绘制出15%至20%的已知蛋白质的结构。

自从人类基因组图谱、水稻基因组草图以及其他一些生物基因组图谱破译成功之后，生命科学和生物技术进入后基因组时代，其科研重点课题是破译基因和蛋白质的结构和功能，破译基因怎样控制合成蛋白质，蛋白质又是怎样发挥生理作用等，这些工作的实现得益于质谱(MS)分析法和核磁共振（NMR）波谱法的技术在生物大分子上的应用。

在三位科学家所开创的新研究方法的基础上，研究人员已能迅速并且简单地揭示一个物种包含多少种不同的蛋白质，能用三维照片显示蛋白质分子溶解状态的样子，可通过对蛋白质进行详细的分析而加深对生命进程的了解，使新药的开发方面发生了革命性的变化，并在食品控制、乳腺癌和前列腺癌的早期诊断等其他领域得到了广泛的应用。