生命科学史论文

生命科学发展史论文 班级：10 园艺一班 学号：1332100109 姓名：朱郑兵 诺贝尔化学奖获得者钱永健 一：生平简历 钱永健 1952 年出生于美国 纽约，祖籍浙江杭州， 父亲是一名机械工程师，舅舅 们是麻省理工学院 工程学教授。 堂叔钱学森中国导弹之父，哥哥 钱永佑斯坦福大学教 授、曾任生理系主任。童年时代的钱永健就显露出科学天赋。由于儿时患有哮喘，钱永 健不得不尽量避免室外运动。他经常花上数小时在地下实验室 中做化学实验。实验产 生的鲜艳色彩让他着迷。 16 岁那年，凭借一个金属易受硫氰酸盐腐蚀的调查项目，钱永健在美国全国性奖 项“西屋科学人才选拔赛 ”中获一等奖。这项比赛现名 “英特尔科学人才选拔赛 ”， 是美国历史最久、最具声望的科学竞赛，参赛者以高中生为主，又称“少年诺贝尔奖 ” 。 钱永健 1972 年获哈佛大学化学和物理学士学位，时年20 岁。 之后又成为剑桥 大学生理学博士和博士后。 在英国剑桥大学 读研究生时，钱永健发明出一种更好的染料，可追踪细胞内的钙 水平。钙在多种生理反应中扮演关键角色，包括神经冲动调节、肌肉收缩、受精作用等。 不过，计量细胞内钙水平的方法当时还相当原始，需要穿透细胞壁注射钙结合蛋白 ， 这种方法通常会毁坏研究细胞。钱永健利用化学技术发明出有机染料，与钙质结合时会 戏剧性地改变荧光。此外，钱永健还找到了为钙质“上妆”的方法，使染料无需注射 即可穿透细胞壁。 他的成长史也是荣誉史： 1968 年，即以金属如何与硫氰酸盐结合为题获 美国西 屋科学天才奖 。1968 年，拿了美国优秀学生奖学金 ，进入哈佛大学。1972 年获学 士（化学和 物理）。1977 年，获得剑桥大学博士及博士后（生理学）。 1981 年，钱 永健来到加州大学伯克利分校，并在这里工作 8 年，成为大学教授。 1989 年，钱永 健将他的实验室搬到加州大学圣迭戈分校，现在他是该校的药理学教授以及化学与 生物化学教授。 1995 年，当选美国医学研究院院士， 1998 年，当选美国国家科学 院院士和美国艺术与科学院 院士。 2009 年，获香港中文大学 颁授荣誉理学博士学位， 获香港大学颁授荣誉科学博士学位。 他获得的大奖更是数不胜数。 1991 年，帕萨诺基金青年科学家奖； 1995 年， 比利时阿图瓦巴耶拉图尔健康奖； 1995 年，盖尔德纳基金国际奖； 1995 年， 美国心脏学会基础研究奖 ；2002 年，美国化学学会 创新奖；2002 年，荷兰皇家科学 院海内生物化学与生物物理学奖； 2004 年，获沃尔夫奖（Wolf Prize in Medicine），全美化学学会，蛋白质学会等多项大 奖；2008 年，与美国 生物学家马 丁沙尔菲和日本有机化学家兼海洋生物学家下村修2 名科学家以 绿色荧光蛋白 的 研究获得该年度 诺贝尔化学奖 。他的光环那么闪耀亮眼，光彩夺目！ 二：生物发光现象研究当时的时代背景 1994 年，华裔美国科学家钱永健（ Roger Y Tsien）开始改造 GFP，有多项发现。 世界上用的大多数是钱永健实验室改造后的变种，有的荧光更强，有的黄色、蓝色，有 的可激活、可变色。到一些不常用做研究模式的生物体内找有颜色的蛋白成为一些人的 爱好，现象正如当年在嗜热生物中找到以后应用广泛的PCR 用多聚酶后的一波浪潮。 不过真发现的有用东西并不很多。成功的例子有俄国科学院生物有机化学 研究所 Sergey A. Lukyanov 实验室从珊瑚里发现其他荧光蛋白，包括红色荧光蛋白。 生物发光现象， 下村修和约翰森以前就有人研究。萤火虫发荧光，是由荧光酶 （luciferase）作为酶催化底物分子荧光素（ luciferin），有化学反应如氧化，以 后产生荧光。而蛋白质本身发光，无需底物，起源是下村修和约翰森的研究。 下村修和约翰森用过几种实验动物，和本故事相关的是学名为Aequorea victoria 的水母。1962 年，下村修和约翰森等在 细胞和比较生理学杂志 上报道， 他们分离纯化了水母中发光蛋白水母素。据说下村修用水母提取发光蛋白时，有天下班 要回家了，他把产物倒进水池里，临出门前关灯后，依依不舍地回头看了一眼水池，结 果见水池闪闪发光。因为水池也接受养鱼缸的水，他怀疑是鱼缸成分影响水母素，不久 他就确定钙离子增强水母素发光。 1963 年，他们在 科学杂志报道钙和水母素发 光的关系。其后 Ridgway 和 Ashley 提出可以用水母素来检测钙浓度，创造了检测钙 的新方法。钙离子是生物体内的重要信号分子，水母素成为第一个有空间分辨能力的钙 检测方法，是目前仍用的方法之一。 1955 年 Davenport 和 Nicol 发现水母可以发绿光，但不知其因。在1962 年下 村修和约翰森在那篇纯化水母素的文章中，有个注脚，说还发现了另一种蛋白，它在阳 光下呈绿色、钨丝照射下呈黄色、紫外光下发强烈绿色。其后他们仔细研究了其发光特 性。1974 年，他们纯化到了这个蛋白，当时称绿色蛋白，以后称绿色荧光蛋白 GFP。Morin 和 Hastings 提出水母素和 GFP 之间可以发生能量转移。水母素在钙刺激 下发光，其能量可转移到 GFP，刺激 GFP 发光。这是物理化学中知道的 荧光共振能量 转移(FRET)在生物中的发现。 下村修本人对 GFP 的应用前景不感兴趣，也没有意识到应用的重要性。他离开 普林斯顿到 Woods Hole 海洋研究所后，同事普腊石非常感兴趣发明生物示踪分子。 1985 年普腊石和日裔科学家 Satoshi Inouye 独立根据蛋白质顺序拿到了水母素的基 因（准确地说是 cDNA）。1992 年，普腊石拿到了 GFP 的基因。有了 cDNA，一般生物 学研究者就很好应用，比用蛋白质方便多了。 普腊石 1992 年发表 GFP 的 cDNA 后，不做科学研究了。他申请美国国家科学基金 时，评审者说没有蛋白质发光的先例，就是他找到了，也没什么价值。一气之下，他离 开学术界去麻省空军国民卫队基地，给农业部动植物服务部工作。当时他如果花几美元， 就可以做一个一般 研究生都能做，但是非常漂亮的工作：将水母的GFP 基因放到其 他生物体内，比如细菌里，看到荧光，就完全证明GFP 本身可以发光，无需其它底物 或者辅助分子。 将 GFP 表达到其它生物体这项工作， 1994 年由两个实验室独立进行： 美国哥伦 比亚大学做线虫的 Marty Chalfie 实验室，和加州大学 圣迭哥分校、Scripps 海洋研 究所的两位日裔科学家 Inouye 和 Tsuji。 水母素和 GFP 都有重要的应用。但水母素仍是荧光酶的一种，它需要荧光素。而 GFP 蛋白质本身发光，在原理上有重大突破。 Chalfie 的文章立即引起轰动，很多生物学研究者纷纷将GFP 引入自己的系统。 在一个新系统表达 GFP 就能在自然、科学上发表文章，其实不过是跟风性质， 没有原创性。 纵观整个过程，从 1961 年到 1974 年，下村修和约翰森的研究遥遥领先，而很少 人注意。如果其他生化学家愿意，他们也可以得到水母素和GFP，技术并不特别难。 在 1974 年以后，特别是八十年代后，后继的工作，很多研究生都很容易做。其中例外 是钱永健实验室发现变种出现新颜色，并非显而易见。 三：主要的贡献成果 第一项是钙染料 1980 年钱永健发明检测 钙离子浓度的染料分子， 1981 年改进将染料引入细胞的 方法，以后发明更多、更好的染料，被广泛应用。 第二项是 GFP 1994 年起，钱永健开始研究 GFP，改进 GFP 的发光强度，发光颜色（发明变种， 多种不同颜色），发明更多应用方法，阐明发光原理。世界上应用的FP，多半是他 发明的变种。 四：评价 钱永健让科学界更全面地理解绿色荧光蛋白的发光机理，他还拓展了绿色以外的其 他颜色荧光蛋白，为同时追踪多种生物细胞变化的研究奠定了基础。 钱永健的天分与成就是圈内人士公认的。钱永健长期的合作者、美国加州大学 圣迭戈分校国家显微成像与研究中心的主任马克爱利斯门说，钱永健是他见过的最 聪明的人，在接受圣迭哥联盟论坛报 采访时这样评价钱永健： “他拥有世界上最 美丽的大脑，不仅因为他能够深入思考如何填补已知科学领域的空白，更因为他知道如 何发现新问题。他挖掘得很深，理解问题又快，还擅长把问题的各部分统一起来看，发 现新的研究工具，以此帮助其他科学家挖掘其它新问题。” 美国国家幼儿健康与人类发展学会的细胞器生物学负责人杰尼佛说：“钱永健 有巨大的影响，正是他，展示了以绿色荧光蛋白为基础的反应物的一系列应用可能，并 且方便这一切在生物学界的使用，钱博士对于细胞生物的发展起到了至关重要的影响。 ” 他早该拿奖了 十月八日清晨六时多，美国约翰霍普金斯大学医学院助理教授张瑾就给昔日的博士后 导师钱永健发了一封电子邮件，里面只有一句话：“祝贺您！”只有一句话的这封邮件包 含了许多张瑾想说的话。她告诉记者：“我和我们这个领域的同事期待这一刻已经很久了。 罗杰(钱永健的英文名)早就应该得到这份荣誉！”和钱永健共事十三年的科学家姜涛对记 者说，“罗杰得奖不是问题，只是时间早晚。我们关心的是他得几个奖。” 姜涛于一九 九五年加入钱永健在加州大学圣地亚哥分校的研究团队。钱永健前几年研究的钙离子荧光 探针技术，是生理和药物筛选技术的革命性突破，在化学界开辟了新的领域。姜涛认为， 仅凭这项技术，“罗杰就应该获得诺贝尔奖”。 他是一个智慧而勤奋的人 “他是一个充满智慧的人，同时异常勤奋。”钱永健实验团队的华裔学者对他如此评价。 美国索克生物研究所助理教授王磊曾经在钱永健指导下做了三年博士后，“罗杰是我见过 的最有天份、最勤奋的科学家。他不仅对数学、化学、物理、生物等学科有深入广泛的研 究，并把这些学科很好地结合起来，还花费大量时间在实验室作研究。” “他是一个非常有智慧的人，总能想到别人想不到的事情。”和钱永健甚熟的姜涛说， “罗杰认为世界上没有比科学研究更重要的事情。” “以开阔的心胸去接纳他人，给他人最大空间发挥才能”，是华裔同事和学生对钱永 健在学术研究上的另一评价。在钱永健实验室工作了十三年的研究员熊庆说，“每个来到 实验室的人都带着自己的想法和观念。罗杰即使有时不赞同，但他也会聆听，并和我们沟 通，让我们有空间发挥各自的智慧和创造力，这很难得。” 他是一个简朴、幽默而不拘小节的人 在同事和学生眼中，钱永健外表实在很不起眼，“走在大街上，没人认为他是科学家” 。他平素不拘小节，也不在乎衣着打扮，每天骑自行车上下班，拎着头盔进实验室。即使 在拿奖后，学校为他举行记者招待会，接着开庆祝会，他也没穿西装，只是一件普通短袖 上衣和长裤。在纽约出生、新泽西长大、略懂中文的钱永健几乎不说中文，但有时蹦出来 几句让华裔同事忍俊不禁。熊庆回忆说，实验室里的华裔同事讨论枇杷这种水果怎么好吃， “罗杰很好奇地插话，琵琶这种乐器怎么可以吃。博士后李文红在做论文答辩时，钱永健 一边介绍李文红，一边用中文把他的名字写在黑板上说，“你一闻到酒就脸红，所以叫李 文红”。 五十六岁的钱永健闲暇时弹钢琴，爱好潜水，刚参加了圣地亚哥的半马拉松长跑比赛。 他和夫人没有生育，有一位继子。大约三、四年前，他曾经陪同母亲和夫人回中国，爬黄 山，逛北京。尽览中国山川水秀，陶冶情趣！ 五：他的思想方法和科研方法： 他的成就是站在巨人的肩膀上的，他始终非常肯定下村修的研究，为他的发展奠定了 基础。普辣石潜心研究发光蛋白，做了大量的努力，却在评审基金时因评审者的一句即使 做出来了也没多大价值，一气之下，放弃了研究，前功尽弃，更与未来的色彩科学失之交 臂，他对自己的研究缺乏前瞻性，局限了思维，而被认为是当时研究生也能做的事情，钱 永健不仅进行到底，而且还发现了变种出现新颜色，他的研究，重新定义了发光蛋白的应 用前景，使其成为了科