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。
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。
资料来源与延伸阅读
- The Nobel Prize in Chemistry 2009: Press release (NobelPrize.org)
- The Nobel Prize in Chemistry 2009: Popular information (NobelPrize.org)
- Venkatraman Ramakrishnan: Facts (NobelPrize.org)
- Venkatraman Ramakrishnan: Biographical, From Chidambaram to Cambridge (NobelPrize.org)
- Venkatraman Ramakrishnan: Nobel Lecture, Unraveling the Structure of the Ribosome (8 December 2009, PDF)
- Clemons et al., Structure of a bacterial 30S ribosomal subunit at 5.5 A resolution, Nature 400, 1999 (PubMed)
- Wimberly et al., Structure of the 30S ribosomal subunit, Nature 407, 2000 (PubMed)
- Carter et al., Functional insights from the structure of the 30S ribosomal subunit and its interactions with antibiotics, Nature 407, 2000 (PubMed)
- Ogle et al., Recognition of cognate transfer RNA by the 30S ribosomal subunit, Science 292, 2001 (PubMed)
- Ban et al., The complete atomic structure of the large ribosomal subunit at 2.4 A resolution, Science 289, 2000 (PubMed)
- Schluenzen et al., Structure of functionally activated small ribosomal subunit at 3.3 angstroms resolution, Cell 102, 2000 (PubMed)
- The Gazette of India, Extraordinary, 31 March 2010: Padma awards notification (Government of India)
- Royal Society: Sir Venki Ramakrishnan confirmed as President Elect of the Royal Society
- University of Cambridge: Sir Venki Ramakrishnan confirmed as President Elect of the Royal Society
- MRC Laboratory of Molecular Biology: Venki Ramakrishnan, research leader profile
- World Health Organization: Antimicrobial resistance fact sheet
- Hachette Book Group: Gene Machine by Venki Ramakrishnan (Basic Books, 2018)
银幕与书页之间
- Gene Machine: The Race to Decipher the Secrets of the Ribosome (2018) , 作者 Venki Ramakrishnan , English . 作者本人对核糖体结构之争的记述,由美国的Basic Books出版
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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