交叉學(xué)科結(jié)碩果

10月1日至3日，2018年諾貝爾獎(jiǎng)三大自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)——生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)的逐一揭曉，為人類智慧文明的高塔再次壘上耀眼的一層。

美國(guó)科學(xué)家詹姆斯·艾利森和日本科學(xué)家本庶佑因在癌癥免疫治療方面作出的貢獻(xiàn)，獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。美國(guó)科學(xué)家阿瑟·阿什金因發(fā)明“光鑷”工具、法國(guó)科學(xué)家熱拉爾·穆魯和加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭因發(fā)明“啁啾脈沖放大技術(shù)”，3人共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。美國(guó)科學(xué)家弗朗西絲·阿諾德因?qū)崿F(xiàn)酶的定向進(jìn)化、喬治·史密斯以及英國(guó)科學(xué)家格雷戈里·溫特因開發(fā)噬菌體展示方法，進(jìn)行抗體定向進(jìn)化，3人共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

有意思的是，今年的三大自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)均與“生物”相關(guān)。其中，化學(xué)獎(jiǎng)還被不少科學(xué)家調(diào)侃為“諾貝爾理科綜合獎(jiǎng)”，因?yàn)榻刂?018年，物理、生物、生物物理、生物化學(xué)甚至數(shù)學(xué)等領(lǐng)域研究成果都獲得過(guò)這一獎(jiǎng)項(xiàng)。

諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)松開免疫系統(tǒng)的抗癌“剎車”

在美國(guó)得克薩斯大學(xué)MD安德森癌癥研究中心官網(wǎng)上，有幾個(gè)黑體大字概括了新晉諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主詹姆斯·艾利森對(duì)癌癥治療作出的貢獻(xiàn)——規(guī)則改變者。

在日本京都大學(xué)官網(wǎng)上，可以看到今年另一名生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主本庶佑的獲獎(jiǎng)感言：一開始以為只是“純粹的基礎(chǔ)性科學(xué)研究”，直到這帶來(lái)切實(shí)療法并聽到患者的積極反饋時(shí)，“才認(rèn)識(shí)到我所做工作的真正意義”。

諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)稱，兩名科學(xué)家“松開”了人體的抗癌“剎車”，讓免疫系統(tǒng)能全力對(duì)抗癌細(xì)胞，“現(xiàn)在已徹底改變了癌癥療法”。

長(zhǎng)期以來(lái)，癌癥一直幾乎相當(dāng)于絕癥的代名詞，尤其是晚期癌癥，迫切需要研發(fā)新的抗癌策略。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，一種調(diào)動(dòng)人體免疫系統(tǒng)攻擊腫瘤細(xì)胞的新思路在醫(yī)學(xué)界出現(xiàn)?？茖W(xué)家曾嘗試用細(xì)菌感染患者來(lái)激發(fā)免疫系統(tǒng)，但效果有限。

改變出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代。當(dāng)時(shí)人們發(fā)現(xiàn)，人體內(nèi)有一些蛋白質(zhì)會(huì)促進(jìn)或抑制免疫系統(tǒng)發(fā)揮作用。如果把免疫系統(tǒng)比作一輛汽車，觸發(fā)全面免疫反應(yīng)的蛋白質(zhì)就是油門，而抑制免疫反應(yīng)的蛋白質(zhì)就是剎車。

艾利森的主要工作就是在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)一種名為CTLA-4的蛋白質(zhì)進(jìn)行深入分析，當(dāng)時(shí)他和多名科學(xué)家都觀察到CTLA-4能對(duì)與人體免疫T細(xì)胞起到“剎車”作用。

與其他研究人員將這一機(jī)制作為自體免疫疾病治療標(biāo)靶不同，艾利森設(shè)想，如果“阻擊” CTLA-4，那么T細(xì)胞受到的束縛是否會(huì)被解除，進(jìn)而全力對(duì)抗腫瘤細(xì)胞呢？隨后，他利用小鼠實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一設(shè)想，并逐步發(fā)展成可應(yīng)用于人體的新療法。

幾乎與艾利森同時(shí)期，本庶佑發(fā)現(xiàn)了T細(xì)胞上的另一個(gè)“剎車”分子PD-1。在2012年進(jìn)行的一項(xiàng)臨床試驗(yàn)中，基于抑制PD-1的新方法被用于不同類型癌癥病患的治療，效果非常好，好幾名轉(zhuǎn)移性癌癥患者的病情獲得長(zhǎng)期緩解甚至出現(xiàn)治愈跡象，而轉(zhuǎn)移性癌癥此前被認(rèn)為基本無(wú)法治療。

從累積的臨床試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，PD-1阻斷療法已被證明更為有效，尤其是在治療肺癌、腎癌和黑色素瘤方面。一些新研究進(jìn)一步指出，針對(duì)CTLA-4與PD-1的聯(lián)合治療或許能夠帶來(lái)更好的效果，這已在黑色素瘤患者身上有所體現(xiàn)。

人類對(duì)抗癌癥之路依然漫長(zhǎng)而崎嶇。兩名獲獎(jiǎng)?wù)咚〉玫耐黄拼蜷_了一扇新的大門，讓人們了解到，癌癥的一個(gè)重要解決方案或許就隱藏在人類自己的身體中。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)用激光工具“玩轉(zhuǎn)”微觀世界

隨著人類的研發(fā)和技術(shù)應(yīng)用走入更高階段，人們往往要不斷地“鉆牛角尖”，比如在實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)并分析極其微小的病毒、分毫不差地在眼球上進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)等。要實(shí)現(xiàn)這些難度極高的操作，人們需要駕馭光，讓光成為奇跡工具。

美國(guó)科學(xué)家阿瑟·阿什金、法國(guó)科學(xué)家熱拉爾·穆魯以及加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭正是通過(guò)開創(chuàng)性發(fā)明和研究為人們提供了這方面的強(qiáng)大工具。他們共同獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

阿什金發(fā)明了一種光鑷工具，它能用一束高度匯聚的激光形成三維勢(shì)阱來(lái)捕獲、操縱極其微小的粒子，也就是說(shuō)，讓激光將小粒子推向光束中心，并將它們固定在那里，從而更好地操縱它們。1987年，阿什金在這方面取得了實(shí)質(zhì)突破。他在不傷害活細(xì)菌的情況下，成功用光鑷捕獲了它們。

瑞典皇家科學(xué)院院士埃娃·林德羅特說(shuō)：“有了這種光鑷，我們能夠抓取分子，把它們移動(dòng)到你想要的地方，并對(duì)它們展開操作，這是非常實(shí)用的工具，事實(shí)上我們也經(jīng)常使用它。”

有了通過(guò)駕馭光而形成的新工具，人們可以操縱和移動(dòng)原子、病毒和其他活細(xì)胞。阿什金的發(fā)明讓科研人員有機(jī)會(huì)在不破壞細(xì)胞膜的前提下，深入分析細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮關(guān)鍵作用的分子馬達(dá)，探討其中的運(yùn)作機(jī)制。如今在許多生物實(shí)驗(yàn)室中，光鑷已經(jīng)是標(biāo)配的設(shè)備。

穆魯和斯特里克蘭發(fā)明了一種叫作“啁啾脈沖放大”的技術(shù)，簡(jiǎn)單解釋就是將短激光脈沖適時(shí)拉伸以減少峰值功率，然后放大它，并最終把它徹底壓縮，這能讓更多的光被壓縮在一個(gè)極小空間內(nèi)，從而大幅提高脈沖的強(qiáng)度。

啁啾脈沖放大技術(shù)為科研和一些產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了全新視角，在物理、化學(xué)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都得到應(yīng)用?？蒲腥藛T有機(jī)會(huì)一窺微觀且快速變化中的分子和原子世界中發(fā)生了什么。超強(qiáng)的激光束能夠精準(zhǔn)地在不同材料上實(shí)現(xiàn)切割和鉆孔。

林德羅特說(shuō)：“這項(xiàng)研究涉及如何讓激光變得更強(qiáng)，有了強(qiáng)大的激光我們可以做很多實(shí)際的事情，比如精準(zhǔn)、低成本地為粒子加速，強(qiáng)激光帶來(lái)的短脈沖又可以幫助我們以簡(jiǎn)單且盡可能不損傷眼球的方式來(lái)矯正視力?！?/p>

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭示并利用“進(jìn)化”的力量

地球的生命經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化最終獲得強(qiáng)大的適應(yīng)力，散布于各種嚴(yán)酷環(huán)境，包括熱溫泉、深海以及沙漠等。如果能夠借助進(jìn)化的力量，人們?cè)诨?、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域中遇到的難題也就迎刃而解。

美國(guó)科學(xué)家弗朗西絲·阿諾德、喬治·史密斯以及英國(guó)科學(xué)家格雷戈里·溫特正是基于相同理念，在實(shí)驗(yàn)室模擬自然進(jìn)化，通過(guò)品問(wèn)世都有他們的功勞。不同途徑釋放進(jìn)化的力量，獲得了矚目成果，他們也因此被授予2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

在全球發(fā)展清潔能源的過(guò)程中，成本與高效、清潔一直存在矛盾，傳統(tǒng)的方法已很難適應(yīng)發(fā)展，需要研究人員找到新方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。阿諾德并沒有把希望寄托在傳統(tǒng)化學(xué)方法上，而是將目光投向了酶。酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的、對(duì)其底物具有高度特異性和高度催化效能的蛋白質(zhì)或RNA，是一類重要的生物催化劑。

華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)林章凜曾在阿諾德的實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后。在他看來(lái)，阿諾德的巨大原創(chuàng)性貢獻(xiàn)在于改變了原先人類希望理性設(shè)計(jì)生物分子的想法，提出在實(shí)驗(yàn)室中模擬自然界的自然進(jìn)化，通過(guò)隨機(jī)突變、隨機(jī)雜交，再加以適當(dāng)規(guī)模的篩選或者選擇，來(lái)進(jìn)化出新的生物分子。

“這對(duì)于生物化學(xué)界來(lái)說(shuō)，是一種哲學(xué)和方法學(xué)的巨大貢獻(xiàn)。”林章凜說(shuō)。

阿諾德在1993年完成了首個(gè)酶的定向演化實(shí)驗(yàn)，首次實(shí)現(xiàn)了她的理論。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，阿諾德的實(shí)驗(yàn)室生成的酶已經(jīng)能夠催化那些自然界中都不存在的化學(xué)反應(yīng)，從而制造出全新材料。她的這些“量身定制”酶如今已是包括藥物在內(nèi)許多材料制作的重要工具，它在生產(chǎn)過(guò)程中能避免產(chǎn)生許多污染環(huán)境的副產(chǎn)物。

與阿諾德分享今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的史密斯則研發(fā)了一種名為噬菌體展示的新技術(shù)。他利用了一種能感染細(xì)菌的病毒噬菌體，將外源蛋白或多肽的DNA序列插入噬菌體外殼蛋白結(jié)構(gòu)基因的適當(dāng)位置，使外源基因隨外殼蛋白的表達(dá)而表達(dá)，同時(shí)，外源蛋白隨噬菌體的重新組裝而展示到噬菌體表面。這種技術(shù)可應(yīng)用于研究與蛋白質(zhì)相互作用的配體，以及進(jìn)行蛋白質(zhì)演化等。

溫特將史密斯的這項(xiàng)技術(shù)用于抗體的定向演化，以便提升它們?cè)诩膊≈委煼矫娴囊恍┨匦??；谶@種新技術(shù)開發(fā)的藥物已在2002年獲得相關(guān)批準(zhǔn)，可用于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等疾病的治療。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)成員彼得·紹姆福伊說(shuō)，基于史密斯和溫特研究成果開發(fā)出的全新抗體能夠有效用于人體，如今許多暢銷藥品問(wèn)世都有他們的功勞。

交叉學(xué)科更易出現(xiàn)引領(lǐng)性原創(chuàng)成果

從生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)免疫系統(tǒng)制動(dòng)機(jī)制而衍生癌癥治療新方法，到物理學(xué)家用光鑷探索和調(diào)整細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用短激光脈沖技術(shù)治療白內(nèi)障和近視眼（激光手術(shù)），再到化學(xué)家掌控酶和抗體定向進(jìn)化的力量，2018年諾貝爾自然科學(xué)三大獎(jiǎng)項(xiàng)均與生命科學(xué)有關(guān)。

其實(shí)，諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)交叉學(xué)科趨勢(shì)越來(lái)越明顯，其中化學(xué)獎(jiǎng)是跨學(xué)科研究的一個(gè)典型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1990年以來(lái)，有16次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了生物學(xué)方面的成就。唯一獲得過(guò)兩次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的便是英國(guó)生物化學(xué)家桑格爾。他在1958年憑借開創(chuàng)蛋白質(zhì)測(cè)序領(lǐng)域，測(cè)定胰島素氨基酸序列而首次獲獎(jiǎng)，之后在1980年因發(fā)明測(cè)定DNA序列方法梅開二度。

化學(xué)獎(jiǎng)除了與生物學(xué)有“碰撞”，也與物理學(xué)有跨界，2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就是頒給了英國(guó)生物物理學(xué)家理查德·亨德森、美國(guó)生物物理學(xué)家約阿希姆·弗蘭克以及瑞士生物物理學(xué)家雅克·杜博歇，以表彰他們?cè)诶鋬鲲@微術(shù)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。此外，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者中還有數(shù)學(xué)家——1998年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了美國(guó)物理學(xué)家瓦爾特·科恩和英國(guó)數(shù)學(xué)家約翰·波普。

為什么生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)的交叉學(xué)科成果最容易受到諾貝爾獎(jiǎng)的青睞？答案是比較清晰的，交叉學(xué)科是比較容易出成果的富礦，而且學(xué)科交叉更容易獲得突破性的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。

“交叉學(xué)科在他人尚未耕種的土地上耕耘，獲得新發(fā)現(xiàn)新成果的概率會(huì)更大一些，因此，交叉學(xué)科就成為創(chuàng)新的基地之一?！碧K州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)高曉明說(shuō)，譬如化學(xué)包括有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、理論化學(xué)和生物化學(xué)等幾個(gè)分支學(xué)科，生物化學(xué)就是用化學(xué)最基本的理論來(lái)解釋生命現(xiàn)象?！坝绕涫巧茖W(xué)發(fā)展得特別迅速，在化學(xué)領(lǐng)域獲得有影響的研究結(jié)果，在生物化學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的機(jī)會(huì)比較高?！?/p>

作為兩個(gè)及以上學(xué)科的“集大成者”，交叉學(xué)科最有可能產(chǎn)生顛覆性技術(shù)和引領(lǐng)性原創(chuàng)成果，而這恰恰是諾貝爾獎(jiǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)。諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)“大戶”美國(guó)在交叉學(xué)科方面一直走在領(lǐng)先位置。例如，美國(guó)麻省理工學(xué)院與哈佛大學(xué)在2004年共建的博德研究所在交叉學(xué)科開展上就非常成功，博德研究所創(chuàng)立的根本思路就是通過(guò)理工醫(yī)多學(xué)科交叉，增進(jìn)對(duì)人類疾病的深刻認(rèn)知，為攻克人類重大疾病奠定科學(xué)基礎(chǔ)。這里已匯聚來(lái)自全球的3000多名科學(xué)家共同開展交叉研究，成果豐碩。