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从头顶的星空、黑洞到微如尘埃的病毒和改变生命密码的新型基因剪刀
2020/10/10 14:10:20 | 浏览:222 | 评论:0

     10月5日至7日,2020年诺贝尔奖三大自然科学奖项——生理学或医学奖、物理学奖和化学奖逐一揭晓,各奖项“名花有主”,诺贝尔奖百余年历史再添8个熠熠生辉的名字。

       其中,美国科学家哈维·阿尔特(Harvey J. Alter)、查尔斯·赖斯(Charles M. Rice)和英国科学家迈克尔·霍顿(Michael Houghton)因“在发现丙型肝炎病毒”方面所作出的决定性贡献而荣膺2020年诺贝尔生理学或医学奖。

       诺贝尔官网消息称,此前,科学家们已经发现了甲型肝炎病毒和乙型肝炎病毒,但造成通过血液传播的其他肝炎病例的“幕后黑手”仍未揪出。发现丙型肝炎病毒解释了其余慢性肝炎病例的发病原因,使相关血液检测和新药得以推出,从而拯救了数以百万计的生命。

       黑洞是一种体积极小、质量极大的天体,如同一个宇宙的“吞噬之口”,连光也无法逃逸。去年,全球第一张黑洞照片面世,引发科学界乃至社会大众的狂欢。

       今年10月6日,黑洞再次搅起舆论风潮。英国理论物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)因为发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测、德国天文学家赖因哈德·根策尔(Reinhard Genzel)和美国天文学家安德烈娅·盖兹(Andrea Ghez)因为发现了银河系中央一个超大质量致密天体而共同问鼎2020年诺贝尔物理学奖,这是该奖项首次授予黑洞研究,众望所归。

       10月7日,诺贝尔奖得主大家庭迎来两位女性科学家!法国生物化学家埃玛纽埃尔·沙尔庞捷(Emmanuelle Charpentier)和美国生物化学家珍妮弗·道德纳(Jennifer A. Doudna)不负众望,摘得诺贝尔化学奖的桂冠,得奖理由是“开发出一种基因组编辑方法”。

       诺贝尔官网称,沙尔庞捷和道德纳发现了基因技术最有力的工具之一:CRISPR/Cas9基因剪刀。利用这种技术,科学家们可以非常精确地改变植物、动物和微生物的DNA。这一技术对生命科学带来了革命性的影响,有助于催生新的癌症疗法,还可能使人类治愈遗传性疾病的梦想走进现实。

       从我们头顶的星空、黑洞到微如尘埃的丙型肝炎病毒,再到能改变生命密码的新型基因编辑工具,这些科学家的发现扩展了人类的认知边界,改变了无数人的命运,将被世人永远铭记。

 

“最黑暗”的秘密? 不要对黑洞和银河系说“最”

        康德说,世界上有两件东西能震撼人们的心灵:一件是我们心中崇高的道德标准;另一件是我们头顶上的星空。

       2020年,三位科学家因发现了宇宙中最奇特的现象之一——黑洞而获得了今年的诺贝尔物理学奖。

       当所有已知规律在其中失效

       一个超重的怪物,会捕获进入其“狩猎范围”的所有物体,连光也不能逃脱。这就是黑洞。在许多文化形式中,黑洞一词都有其更深的含义,但对于物理学家而言,黑洞始终是巨型恒星能量自然耗尽而死亡后的产物。

       上个世纪,爱因斯坦的广义相对论颠覆了所有的有关时空的概念;奥本海默计算出了一颗大质量恒星的剧烈坍塌。但这些,一直被认为是纯粹的理论推测,直到一个人,首先成功地找到了一个现实的解,他就是罗杰·彭罗斯他利用巧妙的数学方法表明,黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接预测结果,黑洞隐藏着不能被人理解的奇异之处,所有已知的自然规律在其中都停止。在爱因斯坦去世10年后这一文章被发表,被视为对广义相对论的最重要贡献。

       答案只有一个:超大质量黑洞

       赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹各自领导着一组天文学家,成功绘制了离银河系中心最近的最亮恒星的轨道,而这两组都发现:有一种看不见、却非常重的物体,使得这些恒星在周围以惊人的速度旋转。

       这个看不见的物体,竟然有400万个太阳质量那么重,这究竟是什么?根据引力理论,可能的解释只有一个——超大质量黑洞。

       根策尔和盖兹使用世界上最大的望远镜,通过巨型星际气体和尘埃云看到银河系的中心。他们扩展了技术极限,完善了新技术,补偿了地球大气层造成的扭曲,制造出的独特仪器可被用于长期研究。他们的工作为我们提供了迄今为止最令人信服的证据,表明银河系中心有一个超大质量黑洞,同时,也为新的理论见解提供了线索。

       如果有什么是永恒的?那就是未知

       彭罗斯的研究告诉我们,黑洞是广义相对论的直接结果,根策尔和盖兹也对广义相对论及其预测进行了精确检验。但在无限大的奇异性引力中,该理论不再适用。科学家正在创建新的量子引力理论。这必须将物理学的两大支柱——相对论和量子力学结合在一起,而这二者,将在黑洞的内部相遇。

       “不仅是关于它们的内部结构的问题,而且还有关于如何在黑洞紧邻的极端条件下,测试我们的引力理论的问题。”诺贝尔物理学委员会主席戴维·哈维兰德表示。他认为,正是今年获奖者的发现,为研究紧凑和超大质量天体开辟了新天地,但是这些奇特的物体仍然向人类提出许多问题,激发着人们通过研究给出答案。

 

丙型肝炎病毒导致不明原因血源性肝炎的最终证据

        血源性肝炎是导致肝硬化和肝癌这一全球性健康难题的主要原因之一。

       今年,三位科学家——哈维·阿尔特、迈克尔·霍顿和查尔斯·赖斯因鉴定出一种新型病毒,即丙型肝炎病毒,进而在与血源性肝炎的斗争中做出了决定性贡献而获得2020年诺贝尔生理学或医学奖。

       这是人类正在进行的与病毒性疾病斗争的里程碑式成就。

       查找未知的传染源

       病毒感染引起的肝炎是潜伏性的,健康的身体可被默默感染多年,并出现严重的并发症。

       成功干预传染病的关键是确定病原体。

       20世纪60年代,巴鲁克·布伦伯格确定一种形式的血源性肝炎是由乙型肝炎病毒引起的。

       当时,美国国立卫生研究院的哈维·阿尔特研究了接受输血患者的肝炎发生情况。尽管对乙型肝炎病毒进行血液检测已减少了与输血有关的肝炎病例数,但仍有大量病例存在。当时的医疗技术水平已可证明,甲型肝炎病毒也不是致病原因。

       阿尔特及其同事的研究表明,这些肝炎患者的血液可能会将疾病传播给黑猩猩,且这一未知的传染源具有病毒的特征。他们研究定义了一种新型独特的慢性病毒性肝炎,这种神秘的肝炎被称为“非甲非乙”型肝炎。

       丙型肝炎病毒的鉴定

       鉴定这种新型病毒是当务之急。

       迈克尔·霍顿在美国凯龙疫苗公司负责分离病毒基因序列工作。他和同事从一只受感染的黑猩猩血液中发现的核酸里提取了一组DNA片段,研究人员使用患者血清来鉴定病毒,一系列研究表明,其来源于一种属于黄病毒家族的新型RNA病毒,被命名为丙型肝炎病毒。慢性肝炎患者中抗体的存在,强烈暗示该病毒正是始终不见踪影的那个病原体。

       但是,仅丙型肝炎病毒本身就能引起肝炎吗?

       为了回答这个问题,科学家不得不研究克隆的病毒是否能复制并致病。华盛顿大学圣路易斯分校的研究员查尔斯·赖斯与其他研究小组共同注意到,丙型肝炎病毒基因组末端一个此前未知的区域可能对病毒复制很重要。

       赖斯还在分离出的病毒样本中观察到了遗传变异,并假设其中一些变异可能会阻碍病毒复制。

       通过基因工程,赖斯创建了一种丙型肝炎病毒的RNA变体,并将这种RNA注射到黑猩猩的肝脏中,研究人员在其血液中检测到了病毒,并且其病理变化与患有该慢性病的人类相似。这正是丙型肝炎病毒本身就可导致不明原因的血源性肝炎的最终证据。

 

新一代基因编辑技术CRISPR:基因剪刀 - 改写生命密码的工具

        10月7日,2020年诺贝尔化学奖被授予法国生物化学家埃玛纽埃尔·沙尔庞捷和美国生物化学家珍妮弗·道德纳,以表彰她们对新一代基因编辑技术CRISPR的贡献。

       诺贝尔奖委员会表示,这两位科学家的发现非常重要——她们发现了基因技术中最强有力的工具之一:CRISPR/Cas9基因剪刀。使用这一技术,研究人员可以非常精准地改变动物、植物和微生物的DNA。这一技术对生命科学产生了革命性的影响,正在催生新的癌症疗法,并有可能使治愈遗传性疾病梦想成真。

       意外之喜

       在卷帙浩繁的科学史上,有不少科学发现是“无心插柳”,发现这些基因剪刀工具也是意外之喜。

       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,发现了一种以前未知的分子tracrRNA,她的研究表明,tracrRNA是细菌古老的免疫系统CRISPR/Cas9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·道德纳携手合作。在研究中,她们偶然注意到,在一种名叫Cas9的蛋白的加持下,CRISPR才能显示出它作为基因组编辑工具的强大潜力。

       这两位女科学家共同努力,成功地在试管中重建了细菌的基因剪刀——CRISPR/Cas9,并简化了其分子成分,使其更易于使用。随后,她们对这一基因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,沙尔庞捷·道德纳证明可以对其进行控制,实现对DNA的“定点”切割,而在DNA被切割的地方,科学家们可以容易地改写生命的密码。

       这些研究成果显著提升了基因编辑的效率,这两位科学家也荣登《时代》周刊“2015年全球最具影响力100人”。

       大显身手

       研究人员若想发现生命的内部运作原理,就需要修改细胞中的基因,这曾经是一项耗时、困难甚至有时不可能完成的工作,但借助CRISPR/Cas9基因剪刀,科学家们现在能在几周内改变生命的密码。

       自从沙尔庞捷和道德纳在2012年发现CRISPR/Cas9基因剪刀以来,有越来越多科学家开始使用这一工具。该工具在很多基础研究领域“大显身手”,比如,植物研究人员已经借助这套工具开发出能够抵抗霉菌、病虫害和干旱的农作物。在医学领域,创新型癌症疗法的临床试验正在进行中,能够治愈遗传性疾病的梦想即将实现。

       正如诺贝尔化学委员会主席克拉斯·古斯塔夫森所说:“这种基因工具拥有强大的力量,影响我们所有人。它不仅使基础科学发生了革命性的变化,而且还制造出了新奇的作物,并将催生开创性的新疗法来治愈很多疾病”。

       CRISPR/Cas9基因编辑系统是本世纪最重要的生物学发现之一。2015年,《科学》杂志将其评为年度十大科学突破之一,并高居榜首。这一基因剪刀将生命科学带入了一个新时代,并在许多方面为人类带来了最大福祉——而奖励那些给人类带来最大福祉的技术人员和科学家,正是诺贝尔奖创立的初衷!

 

 

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