2020诺奖诞生最大悬疑:基因编辑技术获奖,张锋错失

科学
2020诺奖诞生最大悬疑:基因编辑技术获奖,张锋错失
麻省理工科技评论 2020-10-07

2020-10-07

北京时间 10 月 7 日下午 5 点 45 分,2020 诺贝尔化学奖评选结果揭晓。
基因编辑
北京时间 10 月 7 日下午 5 点 45 分,2020 诺贝尔化学奖评选结果揭晓。

北京时间 10 月 7 日下午 5点 45 点左右,2020 诺贝尔化学奖评选结果揭晓——诺贝尔委员会宣布,2020年诺贝尔化学奖被授予艾曼纽·卡彭特(Emmanuelle Charpentier)和詹妮弗·杜德纳(Jennifer A. Doudna),以表彰她们对“基因编辑”方法研究中做出的突出贡献。

在基因编辑技术应用中,张锋几乎是绕不过去的重要人物,他未能因所做的开创性贡献入围诺奖令人生疑,或许将成为近期讨论的一个话题。

Emmanuelle Charpentier 和Jennifer A. Doudna 发现了基因技术中最尖端的工具: CRISPR/Cas9基因剪刀。利用这项技术,研究人员可以极其精确地改变动物、植物和微生物的 DNA。这项技术不仅对生命科学产生了革命性的影响,为开创新的癌症疗法做出了贡献,还可能使治愈遗传性疾病的梦想成为现实。

“这种基因工具具有巨大的力量,它将会影响我们所有人。”诺贝尔化学奖委员会 (Nobel Committee for Chemistry) 主席克拉斯•古斯塔夫松 (Claes Gustafsson) 表示: “它不仅彻底改变了基础科学,可以创造新型作物,还能开创性新的医疗方法。”

自从 Charpentier 和 Doudna 在2012年发现 CRISPR/Cas9基因剪刀以来,相关的应用呈爆炸式增长。这项工具在基础研究中的许多重要发现中做出了贡献,例如,植物学研究中,植物研究人员已经能够开发抗霉菌、害虫和干旱的作物,而在医学上,新的癌症疗法的临床试验也正在进行中,治愈遗传性疾病的梦想或许在不远的未来实现。这些基因剪刀把生命科学带入了一个新时代,并且在许多方面给人类带来了最大的利益。

基因编辑是转基因之后人类找到的又一种基因工程技术手段,它在本质上与转基因并无不同,都是在分子水平上改变生物的遗传特性,两者在技术上各有长短;但因基因编辑不涉及外来基因,在公众层面更易被接受。可以预期,未来在合成生物、育种技术等领域,将形成转基因与基因编辑两种技术交相辉映的格局。

Jennifer Doudna

加州大学伯克利分校

以 CRISPR/Cas9 为主的基因编辑技术是近几年生命科学领域的热点。Jennifer Doudna 和 Emmanuelle Charpentier 在 2012 年首先取得重大突破,被看作诺贝尔化学奖热门人选。

2012 年,科学家 Jennifer Doudna 和 Emmanuelle Charpentier 在《科学》杂志上发表的一项论文中指出,细菌用以对抗病毒的 CRISPR-Cas9 系统可以作为简单、灵活的基因组编辑工具。两人曾因此共同获得了 2015 年生命科学突破奖(Breakthrough Prize in Life Sciences)。

Jennifer Doudna 于 1985 波莫纳学院(Pomona College) 毕业,1989 年于哈佛大学获得博士学位,1994 于耶鲁大学担任教授,1997 年任霍华德·休斯医学研究所(HHMI)研究员,2003 年任加州大学伯克利分校教授。

尽管 Doudna 和 Charpentier 早在 2012 年便在《科学》杂志上首次发表了 CRISPR-Cas9 相关的论文并更早地递交了专利申请,但是博德研究所的张锋则通过向专利局证明自己的实验记录而第一个得到了相关的专利。由于在现行的市场制度中,拥有专利的一方就可以阻挡所有竞争者进入市场。因此,在巨大的商业前景面前,谁应该拥有这项技术的专利成为了各方争论的焦点。

其实,张锋和 Doudna 并不总是这种对立关系,他们曾经一起创立了 Editas Medicine。然而在张锋取得 CRISPR-Cas9 的专利后,Doudna 便离开了公司。这家公司也是现在拥有相关专利最多的公司,投资人包括了微软创始人比尔·盖茨。去年,Doudna 所在的加州大学伯克利分校向国家专利局提出了申诉,希望重新审定 CRISPR-Cas9 的发明者。

同样是 CRISPR 技术的先驱者,Doudna 团队和张锋团队都对这一技术做出了非常大的贡献。但是,Jennifer Doudna 及加州大学伯克利分校的看法是,他们是 CRISPR 技术的原创者,张锋和他的麻省理工团队只是将他们发明的技术进一步应用到老鼠和人类细胞上。

而张锋团队认为,Jennifer Doudna 提出了 CRISPR 可能会在人类细胞上起作用,张锋团队是首个将 CRISPR 运用到真核细胞中的组织。双方的争议点可以简单理解为,Doudna 团队提出“原创想法”和张锋团队将其“付诸实践”,而无论想法还是实践,二者都是获得科学发明专利的两个关键要素,其中究竟哪一方对该技术的贡献更大,确实是一个难以回答的问题。

但有一点是双方的共识,CRISPR 专利的重要意义之一在于它能帮助推广 CRISPR 的应用。虽然各方会从 CRISPR 的专利获得了一些金钱,但这些金钱都是用来支持和发展下一阶段的研究以及一些新工具的开发,也将用于一切能够推动 CRISPR 发展的研究。比如,在同时获得了博德研究所和加州大学伯克利分校许可的情况下,陶氏化学公司正在利用 CRISPR 技术种植玉米和大豆作物,这些作物可以在不使用化学杀虫剂的情况下驱除昆虫,且对除草剂的耐受力更强。

Emmanuelle Charpentier

艾曼纽·卡彭特(Emmanuelle Charpentier)被授予2020年诺贝尔化学奖。卡彭特发现了基因技术中最尖端的工具——CRISPR/Cas9基因剪刀。

在卡彭特研究对人类造成最大伤害的细菌之一化脓性链球菌时,她发现了一种以前未知的分子,叫tracrRNA。她的研究工作表明,tracrRNA是细菌古老免疫系统CRISPR/Cas的一部分,该系统通过切割病毒的DNA来解除病毒武装。利用CRISPR/Cas9基因剪刀技术,研究人员可以精确的改变动植物和微生物的DNA。这项技术对生命科学产生了革命性的影响,用诺贝尔化学奖委员会主席克拉斯•古斯塔夫松(Claes Gustafsson)的话说:“这种工具不仅彻底改变了基础科学,而且催生了开创性医疗方法的出现。”

艾曼纽·卡彭特生于1968年11月,是法国微生物学、遗传学和生物化学的教授和研究人员。她曾在巴黎的皮埃尔和玛丽居里大学(现为索邦大学理学院)学习生物化学、微生物学和遗传学。从1992年到1995年,她是巴斯德研究所的研究生,并获得了研究博士学位。Charpentier的博士项目研究了抗生素耐药性的分子机制自2015年以来,她一直是德国柏林马克斯·普朗克感染生物学研究所的主任。2018年,她成立了一个独立研究机构——马克斯·普朗克病原体科学研究所(Max Planck Unit for the Science of pathogen)。

1901 年-2019 年最受欢迎的诺贝尔化学奖得主

欧内斯特·卢瑟福

(Ernest Rutherford)

生于:1871 年 8 月 30 日,新西兰纳尔逊

卒于:1937 年 10 月 19 日,英国剑桥

获奖时所在单位:英国曼彻斯特,维多利亚大学

获奖原因:“表彰他在元素衰变和放射性物质的化学性质的研究上做出的贡献”

领域:核化学

获奖情况:单人获奖

成就:1908 年诺贝尔化学奖:1896 年放射现象的发现引发了一系列更深入的研究。1899 年,欧内斯特·卢瑟福证实至少有两种显著类型的辐射:Alpha 粒子和 Beta 粒子辐射。他发现放射现象产生时有气体生成。他和助手弗雷德里克·索迪共同提出了放射性物质可以产生氦气的假设。1902 年,他们陈述了一个革命性的理论:元素通过衰变形成其他的元素。

玛丽·居里

(Marie Curie, née Sklodowska)

生于:1867 年 12 月 7 日,波兰华沙

卒于:1934 年 7 月 4 日,法国上萨瓦省

获奖时所在单位:法国巴黎,索邦大学

获奖原因:“表彰她在镭和钋元素的发现,镭的分离,以及对镭的性质和镭的化合物的研究上做出的贡献,这些研究推动了化学的进步。”

领域:核化学

获奖情况:单人获奖

生平:玛丽·斯卡洛多斯卡出生于波兰王国华沙市一个中学教师的家庭,她的父母深信教育的力量。后来,她搬到巴黎继续深造,遇到了皮埃尔·居里。皮埃尔·居里后来成为了她的丈夫以及在放射领域的同事。1903 年居里夫妇共同获得诺贝尔物理学奖。1906 年,皮埃尔去世,居里夫人继续他们的研究,并在 1911 年成为首位两度获得诺贝尔奖的人。在第一次世界大战期间,居里夫人组织了移动的 X 射线小组救护伤员。居里夫人的女儿伊雷娜和她的丈夫弗雷德里克·约里奥后来也共同获得了诺贝尔化学奖。

成就:1903 年诺贝尔物理学奖:亨利·贝克勒尔在 1896 年发现了放射现象,这激发了居里夫妇对此进行进一步的探索。他们检测了很多的物质和矿物质来追踪放射的迹象,发现沥青铀矿比铀具有更强的放射性,因此推断出沥青铀矿中必定含有其他的放射性物质。最终他们从中成功提取出两种当时未知的元素,钋和镭,它们都比铀的放射性要强。

1911 年诺贝尔化学奖:居里夫妇在首次发现钋和镭元素之后,玛丽继续研究它们的性能。1910 年玛丽成功地提取出金属单质镭,确定了镭的存在无疑。另外,她还证实并记录了放射性元素以及它们的化合物的性能。放射性化合物无论在科学研究还是在医学领域(主要用于治疗肿瘤),都已经成为了重要的辐射源。

马里奥·莫利纳

(Mario J. Molina)

生于:1943 年 3 月 19 日,墨西哥城

获奖时所在单位:美国马萨诸塞州剑桥,麻省理工学院

获奖原因:“表彰他们在大气化学领域做出的贡献,尤其是在臭氧的形成与分解相关方向”

领域:大气与环境化学

获奖情况:与其他两人共同获奖

生平:马里奥·莫利纳出生在墨西哥城,从小梦想成为化学家。考虑到对一个化学家来说理解德语很重要,他 11 岁就去了瑞士寄宿中学读书。随后,他回到墨西哥国立大学学习化学工程,其后又去了欧洲和美国加州大学伯克利分校继续开展他的工作。他在伯克利大学的工作令人鼓舞,在那里他发现了氟利昂是如何破坏臭氧层的。马里奥·莫利纳现在在美国加州大学圣地亚哥分校工作。他在 2006 年与第二任妻子瓜达卢佩·阿尔瓦雷斯结婚,与前妻路易萨·谭·莫利纳育有一子。

成就: 1995 年诺贝尔化学奖:地球周围的大气层中含有少量的臭氧,臭氧分子是由三个氧原子组成的,它在吸收阳光中的紫外线方面起了重大的作用。如果没有臭氧,太阳将会对地球上的生命造成负面影响。1974 年,马里奥·莫利纳和舍伍德·罗兰证实了 CFC 气体(也就是氟利昂)对大气层中的臭氧有破坏效应。而氟利昂有很多用处,包括冰箱的制冷剂和压缩喷雾器的喷雾剂等。控制氟利昂的使用可以减缓臭氧层的破坏。


莱纳斯·卡尔·鲍林

(Linus Carl Pauling)

生于:1901 年 2 月 28 日,美国俄勒冈州波特兰

卒于:1994 年 8 月 19 日,美国加州大苏尔

获奖时所在单位:美国加州帕萨迪纳市,加州理工学院

获奖原因:“表彰他在化学键的本质的研究,以及将研究结果应用于复杂物质的结构的阐述上做出的贡献”

领域:化学键、理论化学

获奖情况:单人获奖

生平:莱纳斯·鲍林出生在美国俄勒冈州波特兰,他的家族来自普鲁士农民一脉,他的父亲是一名药剂师兼药品推销员。他在位于科瓦利斯的美国俄勒冈州立大学获得学士学位之后,继而在位于帕萨迪纳市的加州理工学院获得了博士学位,在他以后的职业生涯中一直与加州理工学院保持着联系。在二十世纪五十年代,莱纳斯·鲍林卷入到反核运动中,因此被贴上了可疑共党分子的标签,这使得他的护照不时地被吊销。莱纳斯和艾娃·海伦·鲍林一共育有四个孩子。

成就:1954 年诺贝尔化学奖:20 世纪 20 年代量子力学的发展不仅对物理界产生了巨大的影响,化学界也同样受到了冲击。20 世纪 30 年代莱纳斯·鲍林在用量子力学理解和描述化学键(原子组成分子的方式)方面走在了时代前沿。莱纳斯·鲍林在化学领域内的研究兴趣非常广泛,比如,他致力于生物领域重要的大分子的化学结构的解析,1951 年他发表了 α 螺旋的化学结构,α 螺旋是蛋白中常见的结构组成成分。

1962 年诺贝尔和平奖:原子弹在广岛和长崎的爆炸成为了莱纳斯·鲍林事业的转折点,他和其他科学家一起,通过演讲和写作抗议核武器战争。莱纳斯·鲍林是帕格沃什运动中的一股驱动力,帕格沃什运动的目的是削弱核武器在国际政治中的作用,发起此运动的个人和组织在 1995 年获得诺贝尔和平奖。在 1959 年,莱纳斯·鲍林起草了著名的“广岛呼吁”,这篇总结性声明在禁止原子弹与氢弹的第五次世界会议之后发布。莱纳斯·鲍林在核大国(包括美国,前苏联和英国)签订“禁止核试验条约”上也是主要的推动者,该条约在 1963 年 10 月 10 日生效。在该条约生效的同一天,诺贝尔委员会宣布莱纳斯·鲍林获得 1962 年推迟颁发的诺贝尔和平奖。

莱纳斯·鲍林,一个人获得了两次完整的诺贝尔奖。

伊雷娜·约里奥-居里

(Irène Joliot-Curie)

生于:1897 年 12 月 12 日,法国巴黎

卒于:1956 年 3 月 17 日,法国巴黎

获奖时所在单位:法国巴黎,镭研究所

获奖原因:“表彰他们在新的放射性元素的合成上做出的贡献”

领域:核化学

获奖情况:与另一人共同分享

生平:伊雷娜·居里出生在巴黎,是皮埃尔·居里和玛丽·居里的女儿,玛丽·居里是诺贝尔物理学和化学奖得主。伊雷娜·居里在第一次世界大战时跟随她的母亲在 X 射线救援队工作,负责提供X射线移动设备。战后,她回到巴黎大学继续学业,随后到她的父母创办的研究所工作。1926 年,她和弗雷德里克·约里奥结婚。在镭研究所,他们一起开展了后来获得诺贝尔奖的工作。这对夫妇在政治上也非常活跃,他们致力于反法西斯主义和纳粹主义。他们一生育有两个孩子。

成就:放射性物质的辐射在研究原子上已经成为一种重要的工具。1934 年,当伊雷娜·约里奥-居里和弗雷德里克·约里奥用 α 粒子(氦原子核)轰击一张薄的铝片时,在云室中发现了一种新的辐射留下的痕迹。这对夫妇发现即使把辐射源移去,铝片的辐射仍然存在。这是因为经过α 粒子的轰击后,铝原子转变成了一种磷的放射性同位素。这意味着,历史上第一次人工创造出了放射性元素。1935 年,约里奥-居里夫妇共同获得诺贝尔化学奖。

钱永健

生于:1952 年 2 月 1 日,美国纽约

卒于:2016 年 8 月 24 日,美国俄勒冈州尤金

获奖时所在单位:美国加州大学圣地亚哥分校,霍华德休斯医学研究所

获奖原因:“表彰他们在绿色荧光蛋白的发现与研究上做出的贡献”

领域:生物化学

获奖情况:与其他两人共同获奖

生平:钱永健 1952 年生于美国纽约,祖籍浙江杭州临安,是吴越国国王钱镠三十四世孙。1972 年,钱永健获得哈佛大学化学及物理学最优等学士学位。1977 年,获得英国剑桥大学生理学博士学位。1977 年-1981 年,担任剑桥大学研究员。1982 年至 1989 年,任加州大学伯克利分校副教授。1989 年开始,任加州大学圣地亚哥分校教授,直至他于 2016 年 8 月 24 日离世。

成就:2008 年诺贝尔化学奖:显色手段在生物学研究中起着至关重要的作用。钱永健从 1992 年开始投入绿色荧光蛋白的研究工作,陆续开发出了绿、红、黄、蓝等颜色的荧光,使得科研人员可以将不同颜色的荧光打入蛋白细胞,发现以往难以观测的生物程序。钱永健因此被誉为“荧光蛋白改造之父”。

多萝西·克劳福特·霍奇金

(Dorothy Crowfoot Hodgkin)

生于:1910 年 5 月 12 日,埃及开罗

卒于:1994 年 7 月 29 日,英国斯托尔河畔希普斯顿

获奖时所在单位:英国牛津市,英国牛津大学 &皇家学会

获奖原因:“表彰其在用X-射线技术确定生物大分子结构的研究上做出的贡献”

领域:生物化学、结构化学

获奖情况:单独获奖

生平:多萝西·克劳福特·霍奇金的研究生涯始于童年时她获得的一本化学课本,这本书里包含有晶体学相关的实验。从牛津大学毕业后,尽管她学业优秀,霍奇金作为一名女性依然很难找到工作。最终,剑桥大学的约翰·德蒙·伯纳尔教授给了她一个机会,当时,伯纳尔教授已是现代分子生物学领域的先驱。从剑桥大学获得博士学位之后,多萝西·克劳福特·霍奇金在 1934 年回到牛津大学工作,并在那里度过了她之后的职业生涯。多萝西·克劳福特·霍奇金在分子生物学领域贡献卓著。

成就:1964 年诺贝尔化学奖:当X射线穿过晶体结构时,会呈现出清晰而准确的衍射峰图谱,通过这些图谱可以确定晶体的结构。在 20 世纪 30 年代,科学家们越来越多地用这种方法来确定复杂的大分子的结构,多萝西·克劳福特·霍奇金通过大量的X射线衍射图像,大量的计算以及对数据敏锐的分析,在 1946 年成功地确定了青霉素的结构。1956 年,她又分析确定了维生素 B12(所有维生素中结构最为复杂)的结构。

诺贝尔化学奖的那些事儿

(1901-2019)

1895 年 11 月 27 日,阿尔佛雷德·诺贝尔签署遗嘱,将其遗产最大一部分用于颁发各种奖项,其中包括后来的诺贝尔化学奖。正如诺贝尔先生中遗嘱中讲到,这些财产用于奖励:“在化学领域做出最重要的发现或突破的人。

◆ 诺贝尔化学奖的数量

从 1901 年至 2019 年,共颁发了 111 届诺贝尔化学奖。1916 年, 1917 年, 1919 年, 1924 年, 1933 年, 1940 年, 1941 年和 1942 年,八年中诺贝尔化学奖空缺。对于诺贝尔化学奖空缺的原因,诺贝尔基金会解释道:”诺贝尔化学奖被用来奖励最伟大的化学突破,如果当年没有产生相匹的研究的话,诺奖奖金将会被留待第二年,如果第二年仍未产生相应诺奖,这笔钱将会被纳入诺贝尔基金会的特殊基金内。在两次世界大战期间,产生的诺贝尔奖相对较少。

◆ 诺贝尔化学奖得奖人数

1901-2019 年期间共有 184 人次获得诺贝尔化学奖。由于弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)曾获得两次诺贝尔化学奖,1901 年来共有 183 人获得诺贝尔化学奖。

图丨1958年、1980年诺贝尔化学奖得主弗雷德里克·桑格

◆ 最年轻的诺贝尔化学奖得主

迄今,最年轻的诺奖得主为弗雷德里克·约里奥-居里(Frédéric Joliot-Curie),年仅 35 岁的他和妻子伊雷娜·约里奥-居里(Irène Joliot-Curie)获得 1935 年获得诺贝尔化学奖。

图丨居里夫妇

◆ 最年长的诺贝尔化学奖得主

2019 年诺贝尔化学奖得主 John B. Goodenough 是迄今最年长的诺贝尔奖得主,获奖时97岁。他在推动锂电池发展上有着重要贡献。

◆ 获得诺贝尔化学奖的女性

在 183 名诺贝尔化学奖得主中,共有 5 名女性。其中玛丽·居里,多罗西·克劳宣特·霍奇金两人独得诺奖。

1911 年,玛丽·居里(Marie Curie 同时也是 1903 年诺贝尔物理奖的得主)

1935 年,伊雷娜·约里奥-居里(Irène Joliot-Curie 玛丽·居里的长女,约里奥·居里的妻子)

1964 年,多罗西·克劳宣特·霍奇金(Dorothy Crowfoot Hodgkin)

2009 年,阿达·尤纳斯(Ada Yonath)

2018 年,弗朗西斯·阿诺德(Frances H. Arnold

图丨1964 年诺贝尔化学奖得主多罗西·克劳宣特·霍奇金

◆ 获得诺贝尔化学奖的家族

居里家族是最闻名的“诺贝尔奖家族”。1903 年,玛丽·居里和皮埃尔·居里夫妇共同获得诺贝尔物理奖。玛丽·居里还在 1911 年第二次获得诺贝尔奖。他们的长女,伊雷娜·约里奥-居里和她的丈夫约里奥·居里获得 1935 年诺贝尔化学奖。他们的小女儿艾芙·居里,在联合国儿童基金会工作。她的丈夫亨利·拉波易斯,1965 年代表联合国儿童基金会获得诺贝尔和平奖。

图丨居里一家

其他“诺奖家族”(其中至少有一名成员获得诺贝尔化学奖)在化学领域做出最重要的发现或突破的人。

汉斯·冯·奥伊勒-切尔平(Hans von Euler-Chelpin,父),1929 年诺贝尔化学奖;乌尔夫·斯万特·冯·奥伊勒(Ulf von Euler ,子),1970 年诺贝尔生理学或医学奖。

图丨汉斯·冯·奥伊勒-切尔平(左)和乌尔夫·冯·奥伊勒-切尔平(右)

阿瑟·科恩伯格(Arthur Kornberg,父),1959 年诺贝尔生理学或医学奖;罗杰·科恩伯格(Roger D. Kornberg,子),2006 年诺贝尔化学奖。

图丨阿瑟·科恩伯格(左)和罗杰·科恩伯格(右)

◆ 被迫拒绝诺贝尔化学奖的人

有两名诺贝尔化学奖得主由于当局压力被迫拒绝诺贝尔化学奖。希特勒禁止德国的科学家接受诺贝尔奖,其中有两名诺贝尔化学奖得主,里夏德·库恩(1938年)和阿道夫·布特南特(1939年)。此外,1939 年诺贝尔生理学和医学奖得主格哈德·多马克也由于同样的原因拒绝了诺贝尔奖。后来他们的诺贝尔奖证书和奖牌得到补发,但是没有相应奖金。

◆ 上届诺贝尔化学奖得主

约翰·古迪纳夫
(John B. Goodenough)
出生:1922 年 7 月 25 日,德国耶拿
获奖时所属机构:得克萨斯大学奥斯汀分校
获奖原因:“开发锂离子电池”。
奖金份额:1/3

M·斯坦利·惠廷厄姆

(M. Stanley Whittingham)

出生:1941 年 12 月 22 日,英国

获奖时所属机构:纽约州立大学宾厄姆顿分校

获奖原因:“开发锂离子电池”。

奖金份额:1/3

吉野彰
(Akira Yoshino)
出生:1948 年 1 月 30 日,日本吹田市
获奖时所属机构:日本名城大学,东京旭化成公司
获奖原因:“开发锂离子电池”。
奖金份额:1/3

◆ 诺贝尔奖证书

诺贝尔奖证书是一项独特的艺术品,由最著名的挪威和瑞典艺术家和书法家制作。

图丨2015年诺贝尔生理学或医学奖获得者屠呦呦的获奖证书

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