本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点
这是使成为科学家值得付出每一滴汗水、辛劳和泪水的时刻之一。
几年前,我们设计了一些分子,这些分子破坏了两种参与癌症的蛋白质之间的相互作用。制造像这样的药物很像找出合适的木块,将其楔入门铰链中的特定位置以阻止门关闭。由于没有已发表的两种蛋白质相互作用的结构,我们不知道我们的化合物结合的界面的精确位置。因此,我们像盲人摸象一样工作,随意制造分子,从我们在生物测定中看到的活性趋势中获得一些方向。在这里添加一个氮,在那里取出一个氧;这就是我们真正能做的全部。最终,我们找到了分子运动部件的正确组合,它们不仅紧密结合蛋白质-蛋白质界面,而且在小鼠中也显示出良好的特性。在没有实验蛋白质结构数据的情况下,我做了大多数科学家所做的事情,建立了一个模型,说明我认为我们最成功的化合物是如何与蛋白质相互作用的。我在项目中的角色就此结束。
我毕业了,做了博士后,开始了一份新工作,并与该项目失去了联系,只是偶尔从我的导师、朋友和合作者那里得到一些更新。
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然后今天,几年后,蛋白质的结构出来了。蛋白质数据库(PDB)是科学界获取新蛋白质结构的首要来源,其中大多数结构是通过普遍存在的X射线衍射技术获得的。截至今天,超过50,000个各种可想象的蛋白质结构已存入该资源。您可以将这些结构的三维坐标下载到您的计算机上,并可以使用图形程序进行操作。即使是粗略的查看也能清楚地了解自然界分子结构的 beauty 和惊人的多样性。存在各种形状和大小的蛋白质,参与每一种重要的生命过程,在生物体中服务于每一种可以想象到的功能。只需看看 PDB 就可以找到进化宏伟设计的证据。
当蛋白质数据库发布我们蛋白质的结构时,我兴高采烈地下载了它,并放大了两种蛋白质之间精确的相互作用。蛋白质之间的相互作用很像一对恋人手牵着手。即使只有手在接触,身体和心灵的其他部分对于协调一致的行动和思考、微妙的心理曲折、吸引力和排斥力的微妙法则都是必要的,这些法则导致了一种互动,其意义远不止直接可见的。同样,当涉及到两种蛋白质相互作用时,即使实际相互作用的部分可能很小,蛋白质的其余部分对于将它们固定到位、将它们相互推动以及促进它们以关键相互作用(如氢键和静电连接)的形式结合至关重要。说到恋人,水分子扮演着特殊的角色,它们就像初次约会的伴侣,引导伴侣走向彼此,然后谨慎地离开,加入周围环境中的同伴。
我所看到的让我惊叹不已。首先,这组相互作用的蛋白质非常美丽。它很像在看一部新写的莫扎特交响曲。每一个原子和水分子都有其目的,每一根键和相互作用都有其节奏,每一个环的曲线、每一个α螺旋的转弯、每一个β折叠的蜿蜒褶皱都有一种优雅而又刻意的精致。这是美感和实用性的完美结合。
该结构包含恰到好处数量的相互作用部分,不多也不少。只是这一次作曲家是自然,指挥家是进化。看着这个结构,你禁不住感到自然掀起了她伟大面纱的一角,让你敬畏和欣赏地凝视着这座宏伟的建筑。
但其次——这让我不寒而栗——我意识到我们设计的分子正在破坏和重塑两种蛋白质彼此协商的最重要的相互作用精确地。就像分子伙伴之间的舞蹈经过精心编排一样,却是一些卑微的人类使用他们原始的经典计算机和粗糙的实验室技术设法用一个微小的分子信使取代了其中一个伙伴。而且我们做得如此之好,以至于另一个伙伴甚至没有注意到。无论进化有什么想法,我们创造了一个足以胜任这项任务的替代品。
正是这些时刻使成为科学家值得每一刻。正是这种不仅能够瞥见大自然的财富,而且能够用你自己的财富来丰富它们的感觉,让你每天都想起床。但是,为了避免我们认为这是一个感到优越的理由,我们应该停下来思考。因为只有通过进化的宏伟机器,我们才获得了能够解开同一宏伟机器运作方式的头脑。如果不是数十亿年来无数蛋白质-蛋白质相互作用的演进,我们就永远不会出现在这里,首先弄清楚如何研究和取代这些相互作用。
因此,我怀着深深的感激之情而不是优越感来看待大自然的馈赠。我说的次数不够,但今天我感到感激和谦卑,能够成为一名科学家,被赋予特权,能够坐在宇宙中我简陋的小角落里,陶醉于自然界宏大表演中的一个乐章。并能够为交响曲添加我自己的微小音符。