诺贝尔奖缘何垂青这些科学研究

最近几天,2020年诺贝尔奖成为公众关注的焦点。尽管受疫情影响,今年的奖项公布以线上形式进行,但依然没有降低人们对诺奖的期待。从目前已经揭晓的诺贝尔生理学或医学奖、物理学奖以及化学奖来看,奖项可谓实至名归。丙肝病毒的发现、黑洞研究、基因编辑技术,这些科学研究人们并不陌生,有的成果已经被广泛应用,极大地改善了人类的健康和生活。

    丙肝病毒发现者“捕获”生理学或医学奖

人类的生存发展史也是一部与病毒的“斗争史”。肝炎就是人类健康长期面临的最严重挑战之一。所幸的是,经过几代科学家的探索,人类已摸清几种肝炎病毒的“全貌”,并开发出有效的预防和治疗手段。今年诺贝尔生理学或医学奖就授予了在发现丙型肝炎病毒方面作出卓越贡献的三位“病毒猎手”——哈维·阿尔特(Harvey J. Alter)、迈克尔·霍顿(Michael Houghton)和查尔斯·赖斯(Charles M. Rice)。

血源性肝炎具有高发病率和高致死率,每年造成全球百万人以上死亡,还会引发肝硬化和肝癌,给患者带来更多难以忍受的长期病痛。

早在20世纪40年代,科学家就发现了两种主要的病毒性肝炎。其中,甲型肝炎主要通过被污染的水或食物传播,病程较为急性,对病人长期影响相对较小;而另一种肝炎主要通过血液和体液传播,会导致慢性感染,最后发展为肝硬化和肝癌,是更严重的威胁。这种慢性肝炎还特别“狡猾”,会悄悄感染健康人,多年后才引发严重并发症。

阿尔特和同事进一步研究发现,这种未知病原体还具有病毒的特征。他们因此定义这种慢性病毒性肝炎为“非甲型非乙型”肝炎。接下来,明确鉴定出这种新型肝炎病毒至关重要。科学家为此努力了10年,传统病毒“猎捕”方法均以失败告终,直至霍顿通过对感染者血清抗体的分析成功确认了新型病毒的存在。霍顿和同事发现,这是一种新型的核糖核酸(RNA)病毒,命名为丙型肝炎病毒。

赖斯的贡献在于回答了另一个重要问题:仅病毒本身就能引发肝炎吗?为解答该问题,科学家需要研究病毒是否能够复制并引发疾病。赖斯和同事利用基因工程技术,制造了包含这一未知区域的丙肝病毒RNA变异体,并将其注射到黑猩猩肝脏中。随后,黑猩猩血液中检测出病毒,其病理变化也与人类慢性肝炎患者相似。至此,科学家们找到了丙肝病毒导致血源性肝炎的全部证据。

评奖委员会当天在新闻公报中说,得益于三位获奖者的发现,如今已可以通过高灵敏度血液检测来发现丙肝病毒,基本消除了许多地方的“输血后肝炎”,大大改善了全球健康状况。他们的发现还加速了抗丙肝病毒药物研发,并在人类历史上首次治愈了丙肝,为在全世界人口中根除这种慢性肝炎带来希望。

“丙型肝炎是少数能够通过药物治愈的慢性病毒性传染病。”清华大学医学院教授张林琦说,对于一个慢性病毒感染,可以通过抗病毒药物治疗的方法,使其从感染者体内清除,达到根治和治愈的目的,是非常困难的。三位获奖者取得的成绩正是为此奠定了科学和技术的基础,是临床和基础研究有机整合的完美体现。

    黑洞研究终于“锁定”物理学奖

今年诺贝尔物理奖的揭晓让人颇感意外。这是近四年来,第三次颁给天体物理学。

2020年,三位科学家因发现了宇宙中最奇异的现象之一——黑洞而获得了诺贝尔物理学奖。英国物理学家罗杰·彭罗斯(Roger·Penrose)研究发现,相对论理论有力预测了黑洞的形成;德国科学家莱因哈德·根泽尔(Reinhard·Genzel)和美国安德里亚·盖兹(Andrea·Ghez)则发现,一个隐形且极重的物体,控制着我们银河系中心恒星的轨道,而超大质量黑洞则是目前唯一已知的解释。

其实,在天文学家看来黑洞研究获诺奖却是众望所归,大家已经期待了几十年。“因为无论作为广义相对论的一个最主要预言,还是作为天体物理领域的最重要进展,黑洞研究确实应该获得诺奖了。”中国科学院高能物理研究所研究员张双南如是表示。

爱因斯坦提出的广义相对论颠覆了传统的空间和时间概念。他的方程式预言了黑洞的存在:大质量的天体会使空间弯曲、时间减慢,一个超大质量的天体甚至能吞噬光线,从而形成一片“绝对黑暗”的空间,这就是黑洞。值得一提的是,爱因斯坦本人并不相信黑洞真的可以存在。

然而,在爱因斯坦去世10年后,彭罗斯用巧妙的数学方法论证了黑洞可以形成,并对其进行了详细描述,他的这篇开创性的论文发表于1965年1月,至今仍被认为是自爱因斯坦以来对广义相对论最重要的贡献。

“虽然罗杰·彭罗斯不是最早预言黑洞存在的人,但是他却是第一个从理论上证明黑洞稳定存在的人,物理学奖颁发给他可谓实至名归。”中国科学院国家天文台研究员陆由俊说。

除了在理论上证明黑洞存在,罗杰·彭罗斯还和霍金一起证明了奇点定理。该定理认为,宇宙起源于一个时间和空间消失、物质密度无限大的奇点。现在,黑洞的中心存在奇点已成为科学界的普遍认识。

而根泽尔和盖兹分别领导一个研究小组,自上世纪90年代初以来一直试图透过尘埃云观测银河系中央一个名为“射手座A*”的区域。两个研究团队在数十年如一日的观测后得出一致结论:银河系中心存在一个质量非常大且看不见的天体,在不超过太阳系的空间中聚集了约400万个太阳的质量,使周边恒星急速旋转。对这个看不见的天体,目前唯一合理的解释就是它是一个黑洞。

2019年4月10日,由全球8台射电望远镜组合而成的“事件视界望远镜”项目,拍摄到人类历史上第一张黑洞照片。被拍到的这个黑洞位于一个名为M87的星系中央,其质量是太阳的65亿倍。在不久的将来,银河系中央的黑洞“真容”可能也会显露。

诺贝尔物理学奖评委会主席戴维·哈维兰德在颁奖仪式上表示,今年获奖者们的发现为研究致密和超大质量天体开辟了新天地。但这些奇特的物体仍然提出了许多有待进一步解答的问题,并激发未来的研究。“不仅有关于它们内部结构的问题,还有关于如何在紧邻黑洞的极端条件下测试我们的引力理论的问题”。

    两名基因剪刀手“包揽”化学奖

几乎所有人都认为CRISPR-Cas9会获得诺贝尔奖,悬念只是什么时候获得,以及谁会得奖。

2020年10月7日,悬念揭晓。法国生物化学家埃玛纽埃尔·沙尔庞捷(Emmanuelle Charpentier)和美国化学家珍妮弗·杜德纳(Jennifer A. Doudna),这对女搭档在《科学》杂志发表具有里程碑意义的论文仅仅8年后,就斩获了诺贝尔化学奖。

沙尔庞捷在对化脓性链球菌——一种对人类造成最大伤害的细菌进行深入研究的过程中,发现了一个以前未知的分子tracrRNA。她的研究表明tracrRNA是细菌古老的免疫系统CRISPR-Cas的一部分,该系统通过切割DNA来解除病毒的武装。

2011年,沙尔庞捷发表了这一研究。同年,她开始与拥有丰富RNA知识的资深生物化学家珍妮弗·杜德纳携手合作,偶然注意到在一种名叫Cas9的蛋白加持下,CRISPR才能显示出它作为基因组编辑工具的强大潜力。这两位女性科学家成功地在试管中重建了细菌的遗传剪刀——CRISPR-Cas9,并简化了这一剪刀的分子成分,使其更易于使用。随后,她们对这一遗传剪刀进行了重新编程——这是一个具有划时代意义的实验。这一剪刀天生就能识别病毒中的DNA,但沙尔庞捷和杜德纳证明可以对其进行控制,使她们能“定点”对DNA进行切割,而在DNA被切割的地方,科学家们可以更容易改写生命的密码。

北京大学生命科学学院教授魏文胜表示,从论文发出到获得诺奖,时间并不长,这也说明CRISPR技术过于强大,已经被认可,是毫无争议的革命性技术。

自CRISPR-Cas9基因编辑技术诞生以来,科学家们对其进行了大量的优化与改造。一方面,现在的CRISPR基因编辑技术可以变得更精准,带来更少的脱靶效应(指修改了不应修改的基因);另一方面,CRISPR系统也已经超越了DNA,能够对RNA进行有效编辑。

此外,初代的CRISPR技术涉及DNA双链的断裂,会引起潜在的风险。如今,科学家们基于CRISPR体系,已经开发出了“单碱基”基因编辑系统,能够对基因进行“微调”。如果说以前的基因编辑,是把书的一页纸撕下,再粘上一页新的纸的话,这种“单碱基”基因编辑系统,就好像是把书页上的错别字给单独修改,有着更高的精度。

正如诺贝尔委员会在官方颁奖词中表示:“借助这些技术,研究人员可以非常精准地改变动物、植物和微生物的DNA。CRISPR-Cas9基因剪刀彻底改变了分子生命科学,为植物育种带来了新机遇,有望催生创新性癌症疗法,并可能使治愈遗传性疾病这一人类梦想美梦成真。”