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1952年生于奇丹巴勒姆的文卡特拉曼·拉马克里希南,2000年发表核糖体30S亚基的原子模型,并分享了2009年诺贝尔化学奖
科学与太空

1952年生于奇丹巴勒姆的文卡特拉曼·拉马克里希南,2000年发表核糖体30S亚基的原子模型,并分享了2009年诺贝尔化学奖

插图:tuput

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拉马克里希南在瓦都达拉长大,受的是物理学训练。2000年9月,他在剑桥的实验室发表了细菌30S核糖体亚基的原子结构,同时发表的还有与它结合的三种抗生素。2009年化学奖由他、托马斯·施泰茨和阿达·约纳特分享。

· · 1 分钟阅读

2009年10月7日,瑞典皇家科学院宣布,诺贝尔化学奖授予剑桥MRC分子生物学实验室的文卡特拉曼·拉马克里希南(Venkatraman Ramakrishnan)、耶鲁大学的托马斯·施泰茨(Thomas Steitz)和以色列魏茨曼科学研究所的阿达·约纳特(Ada Yonath),表彰他们“for studies of the structure and function of the ribosome”(对核糖体结构和功能的研究)。诺贝尔基金会列出拉马克里希南1952年生于泰米尔纳德邦的奇丹巴勒姆(Chidambaram),1976年获俄亥俄大学物理学博士学位,获奖时是美国公民。

三位得主各得1000万瑞典克朗奖金的三分之一。tuput对2016年至2026年科学奖项的回顾发现,自拉马克里希南之后,化学、物理学和医学奖里没有出生于印度的得主。

核糖体做什么,为什么要靠晶体才看得见

每个细胞里有数以万计的核糖体,每个直径约25纳米。诺贝尔委员会的科普介绍把核糖体称为细胞的蛋白质工厂:它读取基因的信使RNA拷贝,造出对应的蛋白质,科学家把这一步叫翻译。它读取的三字母密码是科学家在1960年代破解的,这段故事见tuput的哈尔·戈宾德·霍拉纳与遗传密码一文。

细菌的核糖体有两部分,小的叫30S亚基,大的叫50S亚基。要看清每个原子的位置,三位得主用的是X射线晶体学。科学家向晶体发射X射线,记录光束怎样散射,再倒推原子的位置。晶体必须近乎完美,科学院指出,分子越大,越难长出这样的晶体。

约纳特在1970年代末开始尝试让核糖体结晶,当时多数人认为这不可能,到1980年她已长出一个大亚基的最初晶体。施泰茨借助约阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)的电子显微镜图像,解决了叫作相位问题的数学障碍,并在1998年发表了分辨率9埃的大亚基结构,这个分辨率太模糊,看不到单个原子。2000年8月到9月之间,三位得主都发表了清晰到可以定位原子的结构。

一位从巴罗达出发、转向生物学的物理学家

拉马克里希南自己的诺贝尔自传说,他生在奇丹巴勒姆,那是一座寺庙之城,最出名的是那罗阇(Nataraja)神庙。他的父亲C. V. 拉马克里希南是生物化学家,受命主持巴罗达马哈拉贾萨亚吉拉奥大学(今瓦都达拉)新设的生物化学系。他三岁时全家搬到那里,在那之前他只会说泰米尔语。拉马克里希南的母亲R. 拉贾拉克希米(R. Rajalakshmi)在安纳马莱大学任教,后来在麦吉尔大学获得心理学博士学位。

16岁时,他在巴罗达的这所大学开始读物理学理学士。他母亲得知印度政府的国家科学人才选拔奖学金,获奖者必须主修一门基础科学,他拿到了这项奖学金。19岁生日过后一个月,他动身前往俄亥俄大学,1976年完成物理学博士学位。到那时,他已决定转向生物学。

接着是加州大学圣迭戈分校的生物学课程,然后他读到唐·恩格尔曼(Don Engelman)和彼得·摩尔(Peter Moore)一篇关于核糖体研究的《Scientific American》文章。摩尔1978年初在圣迭戈见了他,不久就给了他耶鲁的博士后职位。“Thus began my lifelong interest in ribosomes”(我对核糖体的终生兴趣就这样开始了),他写道。布鲁克海文国家实验室1983年聘用了他。1988年秋天,他参加了冷泉港的第一期晶体学课程,1991年8月下旬起,他在剑桥的分子生物学实验室度过一次学术休假。

犹他是他决定攻关30S亚基的地方,同行的有研究生比尔·克莱蒙斯(Bil Clemons)和约翰·麦卡琴(John McCutcheon),后来布莱恩·威姆伯利(Brian Wimberly)加入。他1999年4月搬到剑桥,团队的一部分人在犹他又待了一段时间。

从1999年的一张图谱到2000年9月的结构

第一项成果1999年8月26日发表在《Nature》上。在5.5埃的分辨率下,团队能看到核糖体RNA的磷酸骨架和蛋白质的螺旋,并把小亚基里全部七个已知结构的蛋白质放进了图谱。他写道,1999年6月他在丹麦的一次核糖体会议上介绍这项工作时,能感到听众的震惊,因为几乎没有人知道他的小组在做这个问题。

更高的分辨率需要更强的X射线。团队争取到伊利诺伊州阿贡的先进光子源(Advanced Photon Source)2000年2月下旬的机时,在那里分12小时一班轮流工作。他回忆说,还在光束线边上就在图谱里看到了强信号,并说了一句:“We’re going to be famous!”(我们要出名了!)五个人一起搭建模型,几周之内就完成了这个亚基的完整原子结构。

三个小组靠得很近。耶鲁的施泰茨和摩尔团队2000年8月11日在《Science》上发表了取自死海微生物Haloarcula marismortui的大亚基,分辨率2.4埃,其3,045个核苷酸中的2,833个和31个蛋白质中的27个被定位。约纳特的小组2000年9月1日在《Cell》上发表了取自嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)的30S亚基的3.3埃结构,报告其核苷酸有96%被追踪到。拉马克里希南的团队2000年9月21日在《Nature》上发表了同一种细菌的同一个亚基。该模型精修到3埃,包括了存在的全部RNA和蛋白质。

一个结构上的三种抗生素,然后又是三种

同一天,第二篇《Nature》论文发表。这篇展示了30S亚基同时结合三种抗生素:巴龙霉素、链霉素和壮观霉素。他的诺贝尔演讲补充说,四环素、潘他霉素和潮霉素B随后不久也有了结构,这些是抗生素与整个核糖体亚基结合的第一批详细结构。

诺贝尔委员会说,许多抗生素的作用方式是阻断细菌的核糖体而不碰人的核糖体,有的堵住新蛋白质离开的通道,有的阻止肽键形成,有的使密码的读取出错。委员会称,得主们的三维模型被科学家用来开发新的抗生素。它2009年写这篇科普介绍时说,有几家公司正在使用这些结构,一些候选药物已在临床试验中。

世界卫生组织的情况说明估计,2021年全球有超过470万人的死亡与细菌的抗微生物药物耐药性有关,并说正在研发的新抗生素太少,不足以替代已经失效的那些。

每个字母都复核一遍的“尺子”

这个结构还解释了一个悬而未决的难题,因为核糖体选错氨基酸的概率只有大约十万分之一。科学院的介绍说,拉马克里希南的小亚基结构揭示了一种分子尺:亚基RNA中的核苷酸测量信使RNA密码子与相配的转运RNA之间的距离,如果间距不对,转运RNA就会脱落。这个核对要进行两次。

2001年5月4日,同一实验室在《Science》上发表了后续论文,解出了带有信使RNA和正确转运RNA的30S亚基,分辨率为3.1至3.3埃。论文报告,三个RNA碱基A1492、A1493和G530感知密码子与反密码子配对的形状,而巴龙霉素会使亚基接受一些并不完全匹配的转运RNA。

功劳属于谁

在科学院的科普介绍里,约纳特是核糖体晶体学的开创者,施泰茨解决了相位问题。拉马克里希南的演讲说,约纳特小组2000年的30S亚基结构与他自己的结构有若干出入,详见2002年的一篇论文,但她的小组2001年的结构,分辨率3.2埃,与最初的结构吻合得很好。他的自传说,为核糖体工作做出贡献的远不止三人,多年里他并不指望得诺贝尔奖,因为要选出三个人似乎不可能。

在英国和印度的荣誉

获诺贝尔奖之前,他已获得2007年的路易·让特医学奖(Louis-Jeantet Prize),并当选皇家学会会员和美国国家科学院院士。印度国家科学院2008年选他为外籍院士。他13年来第一次回印度是在2002年初,那次他在金奈作了首场G. N. 拉马钱德兰纪念讲座,并在班加罗尔的印度科学研究所待了一天,后来他在那里担任以拉马钱德兰命名的客座教授。

2009年12月8日,他在斯德哥尔摩大学作了诺贝尔演讲。2010年3月31日的《印度政府公报》在Padma Vibhushan奖项中列出“Dr. Venkatraman Ramakrishnan, Science and Engineering, UK”。他把Padma Vibhushan描述为印度政府的第二高平民奖,并写道,印度人热情地欢迎了他,从他由一所本地大学走向国际科学的道路上看到了启发。

皇家学会和剑桥大学都报告说,他2012年被授予爵士头衔。皇家学会2015年确认他为下一任会长,2015年12月1日就任。

回忆录和现在的工作

他的回忆录《Gene Machine》2018年11月6日由美国的Basic Books出版。出版社称它是对核糖体结构之争的内部人叙述。MRC分子生物学实验室把他列为荣休研究组长,他近期的工作用冷冻电镜研究有细胞核的细胞如何开始翻译,也研究了环状RNA的翻译,包括它们在RNA疗法中的应用。同一页面列出了他的第二本面向普通读者的书《Why We Die》,出版于2024年。

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资料来源与延伸阅读

  1. The Nobel Prize in Chemistry 2009: Press release (NobelPrize.org)
  2. The Nobel Prize in Chemistry 2009: Popular information (NobelPrize.org)
  3. Venkatraman Ramakrishnan: Facts (NobelPrize.org)
  4. Venkatraman Ramakrishnan: Biographical, From Chidambaram to Cambridge (NobelPrize.org)
  5. Venkatraman Ramakrishnan: Nobel Lecture, Unraveling the Structure of the Ribosome (8 December 2009, PDF)
  6. Clemons et al., Structure of a bacterial 30S ribosomal subunit at 5.5 A resolution, Nature 400, 1999 (PubMed)
  7. Wimberly et al., Structure of the 30S ribosomal subunit, Nature 407, 2000 (PubMed)
  8. Carter et al., Functional insights from the structure of the 30S ribosomal subunit and its interactions with antibiotics, Nature 407, 2000 (PubMed)
  9. Ogle et al., Recognition of cognate transfer RNA by the 30S ribosomal subunit, Science 292, 2001 (PubMed)
  10. Ban et al., The complete atomic structure of the large ribosomal subunit at 2.4 A resolution, Science 289, 2000 (PubMed)
  11. Schluenzen et al., Structure of functionally activated small ribosomal subunit at 3.3 angstroms resolution, Cell 102, 2000 (PubMed)
  12. The Gazette of India, Extraordinary, 31 March 2010: Padma awards notification (Government of India)
  13. Royal Society: Sir Venki Ramakrishnan confirmed as President Elect of the Royal Society
  14. University of Cambridge: Sir Venki Ramakrishnan confirmed as President Elect of the Royal Society
  15. MRC Laboratory of Molecular Biology: Venki Ramakrishnan, research leader profile
  16. World Health Organization: Antimicrobial resistance fact sheet
  17. Hachette Book Group: Gene Machine by Venki Ramakrishnan (Basic Books, 2018)

银幕与书页之间

此列表是为那些循着银幕上的故事来寻找背后历史的读者而设。改编作品不能作为史料来源,tuput 与其中任何一部作品均无关联。

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