專業(yè)名詞背后有故事 生命科學十大進展其實不難懂
1月10日，中國科協(xié)評選出2019年度“中國生命科學十大進展”，發(fā)表于頂級期刊并產(chǎn)生廣泛影響的科學發(fā)現(xiàn)入選。一如既往地，讀著諸如“破解硅藻光合膜蛋白超分子結構”“單堿基基因編輯造成大量脫靶效應及其優(yōu)化解決方法”等滿是專業(yè)名稱的專業(yè)用詞，很多人表示“很難懂”。但它們經(jīng)過專家講解，中小學生們也能聽得津津有味。
“在去年舉辦的進展交流會暨青少年科普報告會上，很多孩子提出的問題說明動了腦筋，也消化了這些理論，很有思想，讓科學家們都很驚詫。”中國科協(xié)生命科學學會聯(lián)合體秘書長王小寧表示，實際上，這些成果不僅是學術上的重大進展，也為我們揭示了很多生命科學的奧秘，理解它們并不難。
為了便于理解，科技日報記者梳理了其中有特色的幾個，講述其蘊含的生命故事，打破生命科學重大進展難理解的形象。
最陽光通透：硅藻“吃光機”結構被看清
除了陸生植物，水下的藻類也能進行光合作用，“吃掉”陽光，轉變出有機物和氧氣。其中最“成功”的浮游光合生物當屬海洋中的硅藻了。
當選十大的“破解硅藻光合膜蛋白超分子結構和功能之謎”正是解答了什么精巧的結構，讓硅藻能夠“埋頭”在水里還能進行光合作用。
中國科學院植物研究所沈建仁、匡廷云研究團隊在國際上首次解析了硅藻捕光天線膜蛋白，這“團”蛋白不僅能高效捕獲藍綠光、高效傳遞和轉化光能，還能夠起到光保護的作用。
首先要說明這是一“團”蛋白，就好像工廠機器，是有組合和流水線的。因此很多人形象地稱生物體里承擔某一生命互動功能地蛋白為“蛋白工廠”，而學術上稱為“蛋白復合體”，因為復合體的組成很像樂高拼插，只不過零件是單個蛋白。
此次解析是超高精度的解析，類似于用一個幾百萬倍的放大鏡把硅藻上的“吃光機”零部件一個齒輪一個齒輪地看清楚。
“把蛋白質復合物提出來以后，我們用冷凍電鏡了解它的結構，它的結構非常復雜，包括70個蛋白質。”沈建仁說。這70個蛋白質“零件”卻與樂高零件完全不同，它不是規(guī)則的，而是枝枝杈杈的，電子云團互相作用，互相協(xié)同，完成了吸收光能把水分解成氧氣、轉移電子、釋放能量等一系列任務。
但要看清原子、電子之間的作用，冷凍電鏡只能看到個模糊的輪廓，就好像從千米高空俯視群島輪廓，要看到有哪些港口、怎么吞吐運送“貨物”（電子）還需要更高的精度。團隊隨后用蛋白結晶衍射法將蛋白質復合物的結構精度做到了1.8埃（10-10米）的高分辨率，原子直徑的數(shù)量級大約是1埃，在這個精度上每個原子清晰可見。
為什么要對一個硅藻細胞膜上的蛋白質“團”大費周章呢？中國科學院院士匡廷云給出答案：“光合作用是地球上最大規(guī)模的利用光能、化學能把二氧化碳和水變成有機物儲存在體內的生命活動。海洋生態(tài)系統(tǒng)的低等植物每年通過光合作用合成的干物質是2200億噸，人類每年的耗能僅僅占這一總量的1/10。硅藻的光合作用貢獻了地球上每年約20%的原初生產(chǎn)力。它們之所以能起這么大的作用，主要跟硅藻光合膜蛋白的結構與功能密切相關。”
據(jù)介紹，解析的巖藻黃素已經(jīng)用在減肥藥品中，并在推進臨床試驗。未來，這些看似遙遠的蛋白，究竟能在顯示生活中起到哪些作用，在人類體內又有哪些功效，期待更多的研究和驗證。
最親近自然：那頭麋鹿有一雙抗癌的角
提到鹿，人們總會想起它亭亭玉立，豎耳靜聽，一雙通靈般的眼睛警覺地望向前方，鹿角蜿蜒挺立頭頂。
這幅靜美的圖畫里，其實是旺盛而獨特的生命活動——
“鹿科動物有一個特征，它是癌癥發(fā)生率最低的動物，但它角上的細胞卻具有比癌細胞還旺盛的繁殖能力，是唯一能夠完全再生的哺乳動物器官。”西北工業(yè)大學教授王文說，這個奇特現(xiàn)象背后的奧秘將和人類的健康息息相關。
“我們進行的研究通過大尺度跨反芻動物的全部6個科、覆蓋大部分屬種的組學大數(shù)據(jù)分析，結合功能驗證，揭示了其中的奧秘。”王文說，“結果對于我們理解反芻動物的演化歷史，再生醫(yī)學、腫瘤生物學、睡眠紊亂和骨質疏松癥等醫(yī)學研究，以及培育新品種家畜都有重要意義。”
“鹿角每天可以長1—2厘米，幾個月時間就可長成一個10公斤的大家伙，比任何腫瘤長得都快。”王文說，通過組學的研究，他們發(fā)現(xiàn)鹿角細胞激活了大量的癌癥基因，從而促進了自身的生長。
癌癥基因被激活了，卻僅僅被“截留”在鹿角部位，不會擴散也不會引起其他癌癥癥狀，這又是為什么呢？通過組學大數(shù)據(jù)的分析，研究第一次把鹿科動物低癌的現(xiàn)象和很強的再生能力聯(lián)系起來。大量的抑癌基因，如p53通路的基因受到了強烈的自然選擇，可能與鹿科動物癌癥發(fā)生率很低有關。這表明，鹿角再生能力和鹿的抗癌能力源于同一通路調控，了解這一機制，將會為再生醫(yī)學和癌癥研究帶來新的思路。
圣誕老人的座駕馴鹿，生活在北極，那里晝夜不規(guī)律也沒有陽光。“這和當代一些‘年輕宅’們的生活環(huán)境有著很高的相似度，可它們?yōu)槭裁礇]有精神壓力方面的問題，也沒有維生素D缺乏引起的骨發(fā)育問題呢？”王文說，大尺度組學對比研究發(fā)現(xiàn)，馴鹿與晝夜節(jié)律相關的基因發(fā)生了突變，控制維生素D代謝的基因在自然選擇作用下，兩個關鍵酶活性遠高于其它動物，因此保障了其在低光照條件下依然能夠高效進行鈣代謝，促進鹿角的生長。
最具攻擊力：擊破結核桿菌致密胞壁
一種曾經(jīng)上市銷售的減肥藥被發(fā)現(xiàn)是結核桿菌的“毒藥”——
“利莫那班（該減肥藥名稱）原來是針對人源大麻素受體CB1的拮抗劑，起到減肥作用，很難想象靶向人類蛋白受體的藥物也可以殺死結核桿菌。”上海科技大學免疫化學研究所副研究員張兵說。
那么結核桿菌上什么樣的“命門”被抓住了呢？膜蛋白“MmpL3”負責把細菌在細胞內合成的分枝菌酸前體轉運到細胞膜外，扮演著“傳送機”的角色，而這臺傳送機的動力來源于從膜外向膜內流動的質子流。
由上海科技大學免疫化學研究所特聘教授饒子和院士率領的科研團隊首次成功解析了這一關鍵蛋白MmpL3以及“藥靶─藥物”復合物的三維空間結構，揭示了創(chuàng)新藥物殺死細菌的全新分子機制。他們還解析了利莫那班與MmpL3蛋白復合物的三維結構，從而證實了利莫那班會神奇地堵住MmpL3的質子內流通道，這種“封堵”與已知的結合模式大相徑庭。
全世界目前有約1/4的人口被結核桿菌感染，由于艾滋病與結核病的交叉感染以及藥物的不合理使用，已經(jīng)產(chǎn)生了嚴重的耐藥結核病，針對結核桿菌的新藥靶點的發(fā)現(xiàn)以及新藥研發(fā)迫在眉睫。新機制的發(fā)現(xiàn)為新型抗生素的研發(fā)、解決全球日趨嚴重的抗生素耐藥問題開辟了一條全新途徑。
研究發(fā)現(xiàn)，抑制劑小分子都靶向MmpL3蛋白的跨膜區(qū)，直接“封閉”該蛋白的質子內流通道，破壞MmpL3工作時的能量供給，造成這臺傳送機“癱瘓”。為了設計更有效的抑制劑，研究團隊還利用計算機“虛擬篩選”技術，對成藥庫的藥物分子進行了篩選。這才發(fā)現(xiàn)減肥藥也是結核桿菌的“毒藥”。
