生物學橫掃3大諾獎，兩名女性獲獎！化學獎授予「試管版進化論」
來自專欄 DeepTech深科技
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北京時間 10 月 3 日下午 5 點 45 分，2018 諾貝爾化學獎揭曉——諾貝爾委員會宣布，將此獎項一半頒給女科學家Frances H. Arnold，另一半則由George P. Smith、 Gregory P. Winter兩人共享。此次諾貝爾化學獎表彰三位科學家分別在實現了酶的定向演化、實現多肽和抗體的噬菌體呈現技術上的重要工作。
值得注意的是，本年度的諾貝爾物理學獎、化學獎獲獎研究方向，都在生物學領域有著重要的應用。物理學獎中的光鑷技術可應用於移動生物大分子、病毒或細胞。而化學獎中的酶分子進化、噬菌體展示技術也涉足生物化學領域。昨日獲獎的女性物理學家Donna Strickland，本次諾獎出現兩名女性獲獎者。
Frances H. Arnold，美國科學家和工程師，於1956年7月25日出生，1979年獲得美國普林斯頓大學機械與航空航天工程學士學位; 1985年獲得加州大學伯克利分校化學工程博士學位; 隨後在加州大學伯克利分校進行化學博士後研究; 1986年在加州理工學院進行化學博士後研究。
Frances H. Arnold 開創了定向進化的方法，以創造生物系統，包括酶、代謝途徑、基因調控迴路和生物體。她通過研究生物體系如何在分子水平上進化，並利用這種進化創造出新的系統。進化適用於不同的複雜程度，從蛋白到生態系統。而 Frances H. Arnold 已使用進化方法創造出新的生物實體，這些方法繞過了 DNA 序列如何編碼生物功能以及利用生物系統進化和適應能力等尚不清楚的部分。而通過定向進化，新研究重建獲預測可能的自然進化路徑，並探索物理上可能出現且與當時具有生物學意義的分子。
George P. Smith 最早發明了噬菌體展示技術，當時他將多肽融合表達到絲狀噬菌體的pIII蛋白上，成功證明了可以在絲狀噬菌體上展示多肽。George Pieczenik 的一份專利也闡述了噬菌體文庫的構建。這一技術後來被分子生物學實驗室的 Greg Winter 和 John McCafferty、Scripps 研究所的 Lerner 和 Barbas 以及德國癌症研究中心的團隊進一步開發和優化，用於展示諸如抗體的治療性蛋白。
Gregory P. Winter 是治療性單克隆抗體的先驅，研究方向為遺傳工程和蛋白質工程。他發明了「擬人化」和全擬人化的噬菌體展示技術，並開發了製造人源化抗體以及在細菌中重組表達人源抗體的技術，這一技術解決了之前生產抗體需要雜交瘤和實驗室動物免疫接種的需求，目前用於分子靶向治療的所有商業製造的抗體都是基於Winter的技術。
1901 年－2017 年最受歡迎的諾貝爾化學獎得主
歐內斯特·盧瑟福
（Ernest Rutherford）生於：1871 年 8 月 30 日，紐西蘭納爾遜卒於：1937 年 10 月 19 日，英國劍橋獲獎時所在單位：英國曼徹斯特，維多利亞大學獲獎原因：「表彰他在元素衰變和放射性物質的化學性質的研究上做出的貢獻」領域：核化學獲獎情況：單人獲獎成就：1896 年放射現象的發現引發了一系列更深入的研究。1899 年，歐內斯特·盧瑟福證實至少有兩種顯著類型的輻射：Alpha 粒子和 Beta 粒子輻射。他發現放射現象產生時有氣體生成。他和助手弗雷德里克·索迪共同提出了放射性物質可以產生氦氣的假設。1902 年，他們陳述了一個革命性的理論：元素通過衰變形成其他的元素。
瑪麗·居里
（Marie Curie, née Sklodowska）生於：1867 年 12 月 7 日，波蘭華沙卒於：1934 年 7 月 4 日，法國上薩瓦省獲獎時所在單位：法國巴黎，索邦大學獲獎原因：「表彰她在鐳和釙元素的發現，鐳的分離，以及對鐳的性質和鐳的化合物的研究上做出的貢獻，這些研究推動了化學的進步。」領域：核化學獲獎情況：單人獲獎生平：瑪麗·斯卡洛多斯卡出生於波蘭王國華沙市一個中學教師的家庭，她的父母深信教育的力量。後來，她搬到巴黎繼續深造，遇到了皮埃爾.居里。皮埃爾·居里後來成為了她的丈夫以及在放射領域的同事。1903 年居里夫婦共同獲得諾貝爾物理學獎。1906 年，皮埃爾去世，居里夫人繼續他們的研究，並在 1911 年成為首位兩度獲得諾貝爾獎的人。在第一次世界大戰期間，居里夫人組織了移動的 X 射線小組救護傷員。居里夫人的女兒伊雷娜和她的丈夫弗雷德里克·約里奧後來也共同獲得了諾貝爾化學獎。
成就：1903 年諾貝爾物理學獎：亨利·貝克勒爾在 1896 年發現了放射現象，這激發了居里夫婦對此進行進一步的探索。他們檢測了很多的物質和礦物質來追蹤放射的跡象，發現瀝青鈾礦比鈾具有更強的放射性，因此推斷出瀝青鈾礦中必定含有其他的放射性物質。最終他們從中成功提取出兩種當時未知的元素，釙和鐳，它們都比鈾的放射性要強。1911 年諾貝爾化學獎：居里夫婦在首次發現釙和鐳元素之後，瑪麗繼續研究它們的性能。1910 年瑪麗成功地提取出金屬單質鐳，確定了鐳的存在無疑。另外，她還證實並記錄了放射性元素以及它們的化合物的性能。放射性化合物無論在科學研究還是在醫學領域（主要用於治療腫瘤），都已經成為了重要的輻射源。
馬里奧·莫利納
（Mario J. Molina）生於：1943 年 3 月 19 日，墨西哥城獲獎時所在單位：美國馬薩諸塞州劍橋，麻省理工學院獲獎原因：「表彰他們在大氣化學領域做出的貢獻，尤其是在臭氧的形成與分解相關方向」領域：大氣與環境化學獲獎情況：與其他三人共同獲獎
生平：馬里奧·莫利納出生在墨西哥城，從小夢想成為化學家。考慮到對一個化學家來說理解德語很重要，他 11 歲就去了瑞士寄宿中學讀書。隨後，他回到墨西哥國立大學學習化學工程，其後又去了歐洲和美國加州大學伯克利分校繼續開展他的工作。他在伯克利大學的工作令人鼓舞，在那裡他發現了氟利昂是如何破壞臭氧層的。馬里奧·莫利納現在在美國加州大學聖地亞哥分校工作。他在 2006 年與第二任妻子瓜達盧佩·阿爾瓦雷斯結婚，與前妻路易薩·譚·莫利納育有一子。成就：地球周圍的大氣層中含有少量的臭氧，臭氧分子是由三個氧原子組成的，它在吸收陽光中的紫外線方面起了重大的作用。如果沒有臭氧，太陽將會對地球上的生命造成負面影響。1974 年，馬里奧·莫利納和舍伍德·羅蘭證實了 CFC 氣體（也就是氟利昂）對大氣層中的臭氧有破壞效應。而氟利昂有很多用處，包括冰箱的製冷劑和壓縮噴霧器的噴霧劑等。控制氟利昂的使用可以減緩臭氧層的破壞。
萊納斯·卡爾·鮑林
（Linus Carl Pauling）生於：1901 年 2 月 28 日，美國俄勒岡州波特蘭卒於：1994 年 8 月 19 日，美國加州大蘇爾獲獎時所在單位：美國加州帕薩迪納市，加州理工學院獲獎原因：「表彰他在化學鍵的本質的研究，以及將研究結果應用於複雜物質的結構的闡述上做出的貢獻」領域：化學鍵、理論化學
獲獎情況：單人獲獎生平：萊納斯·鮑林出生在美國俄勒岡州波特蘭，他的家族來自普魯士農民一脈，他的父親是一名藥劑師兼藥品推銷員。他在位於科瓦利斯的美國俄勒岡州立大學獲得學士學位之後，繼而在位於帕薩迪納市的加州理工學院獲得了博士學位，在他以後的職業生涯中一直與加州理工學院保持著聯繫。在二十世紀五十年代，萊納斯·鮑林捲入到反核運動中，因此被貼上了可疑共黨分子的標籤，這使得他的護照不時地被吊銷。萊納斯和艾娃·海倫·鮑林一共育有四個孩子。成就：1954 年諾貝爾化學獎：20 世紀 20 年代量子力學的發展不僅對物理界產生了巨大的影響，化學界也同樣受到了衝擊。20 世紀 30 年代萊納斯·鮑林在用量子力學理解和描述化學鍵(原子組成分子的方式)方面走在了時代前沿。萊納斯·鮑林在化學領域內的研究興趣非常廣泛，比如，他致力於生物領域重要的大分子的化學結構的解析，1951 年他發表了 a 螺旋的化學結構，a 螺旋是蛋白中常見的結構組成成分。1962 年諾貝爾和平獎：原子彈在廣島和長崎的爆炸成為了萊納斯·鮑林事業的轉折點，他和其他科學家一起，通過演講和寫作抗議核武器戰爭。萊納斯·鮑林是帕格沃什運動中的一股驅動力，帕格沃什運動的目的是削弱核武器在國際政治中的作用，發起此運動的個人和組織在 1995 年獲得諾貝爾和平獎。在 1959 年，萊納斯·鮑林起草了著名的「廣島呼籲」，這篇總結性聲明在禁止原子彈與氫彈的第五次世界會議之後發布。萊納斯·鮑林在核大國（包括美國，前蘇聯和英國）簽訂「禁止核試驗條約」上也是主要的推動者，該條約在 1963 年 10 月 10 日生效。在該條約生效的同一天，挪威諾貝爾委員會宣布萊納斯·鮑林獲得 1962 年推遲頒發的諾貝爾和平獎。萊納斯·鮑林，一個人獲得了兩次完整的諾貝爾獎。
伊雷娜·約里奧-居里
（Irène Joliot-Curie）生於：1897 年 12 月 12 日，法國巴黎卒於：1956 年 3 月 17 日，法國巴黎
獲獎時所在單位：法國巴黎，鐳研究所獲獎原因：「表彰他們在新的放射性元素的合成上做出的貢獻」領域：核化學獲獎情況：與另一人共同分享生平：伊雷娜·居里出生在巴黎，是皮埃爾·居里和瑪麗·居里的女兒，瑪麗·居里是諾貝爾物理學和化學獎得主。伊雷娜·居里在第一次世界大戰時跟隨她的母親在 X 射線救援隊工作，負責提供X射線移動設備。戰後，她回到巴黎大學繼續學業，隨後到她的父母創辦的研究所工作。1926 年，她和弗雷德里克·約里奧結婚。在鐳研究所，他們一起開展了後來獲得諾貝爾獎的工作。這對夫婦在政治上也非常活躍，他們致力於反法西斯主義和納粹主義。他們一生育有兩個孩子。成就：放射性物質的輻射在研究原子上已經成為一種重要的工具。1934 年，當伊雷娜·約里奧-居里和弗雷德里克·約里奧用a粒子（氦原子核）轟擊一張薄的鋁片時，在雲室中發現了一種新的輻射留下的痕迹。這對夫婦發現即使把輻射源移去，鋁片的輻射仍然存在。這是因為經過 a 粒子的轟擊後，鋁原子轉變成了一種磷的放射性同位素。這意味著，歷史上第一次人工創造出了放射性元素。1935 年約里奧-居里夫婦共同獲得諾貝爾化學獎。
阿齊茲·桑賈爾
（Aziz Sancar）生於：1946 年 9 月 8 日，土耳其薩武爾
獲獎時所在單位：美國，北卡羅萊納大學教堂山分校獲獎原因：「表彰他們在 DNA 修復機理的研究上做出的貢獻」獲獎情況：與其他三人共同獲獎生平：阿齊茲·桑賈爾出生在土耳其東南部薩武爾的一個小康家庭，他的父母沒有受過教育，但是他們很重視孩子的教育。桑賈爾 1969 年在伊斯坦布爾大學獲得醫學學位，1977 年在德克薩斯大學達拉斯分校獲得生物學博士學位。阿齊茲·桑賈爾現在在北卡羅萊納大學教堂山分校醫學院任教，他的妻子格溫·波爾茨·桑賈爾也同樣是醫學院生物化學與生物物理系的教授。成就：活細胞中含有攜帶生物體基因信息的 DNA 分子，生物體的生存和發展依賴於 DNA 的穩定。但 DNA 並不是絕對穩定的，它們會受到損害。1983 年，通過對細菌的研究，阿齊茲·桑賈爾發現並展示了某種酶蛋白修復分子對被紫外線損壞的 DNA 分子的修復過程。這一發現增強了人們對於活細胞運作、癌症起因和細胞衰老等問題的理解。
托馬斯·林達爾
（Tomas Lindahl）生於：1938 年 1 月 28 日，斯德哥爾摩，瑞典獲獎時所在單位：英國赫特福德郡，弗朗西斯·克里克研究所&克萊爾霍爾實驗室
獲獎原因：「表彰他們在 DNA 修復機理的研究上做出的貢獻」獲獎情況：與其他三人共同獲獎生平：托馬斯·林達爾出生在瑞典的斯德哥爾摩，他在斯德哥爾摩的卡羅林斯卡學院學習並在 1967 年獲得博士學位，後在新澤西的普林斯頓大學和紐約的洛克菲勒大學做博士後研究。之後進入哥德堡大學成為一名醫學與生理化學教授。自 1981 年起，他一直在英國赫特福德郡的克萊爾霍爾實驗室的癌症研究院工作。成就：活細胞中含有攜帶生物體基因信息的 DNA 分子，生物體的生存和發展依賴於 DNA 的穩定。但 DNA 並不是絕對穩定的，它們會受到損害。20 世紀 70 年代，通過對細菌的研究，托馬斯·林達爾發現並展示了某種酶蛋白修復分子移除和替代 DNA 損傷部分的過程。這一發現增強了人們對於活細胞運作、癌症起因和細胞衰老等問題的理解。
錢永健
生於：1952 年 2 月 1 日，美國紐約卒於：2016 年 8 月 24 日，美國俄勒岡州尤金獲獎時所在單位：美國加州大學聖地亞哥分校，霍華德休斯醫學研究所獲獎原因：「表彰他們在綠色熒光蛋白的發現與研究上做出的貢獻」領域：生物化學獲獎情況：與其他三人共同獲獎生平：錢永健 1952 年生於美國紐約，祖籍浙江杭州臨安，是吳越國國王錢鏐三十四世孫。1972 年，錢永健獲得哈佛大學化學及物理學最優等學士學位。1977 年，獲得英國劍橋大學生理學博士學位。1977 年-1981 年，擔任劍橋大學研究員。1982 年至 1989 年，任加州大學伯克利分校副教授。1989 年開始，任加州大學聖地亞哥分校教授，直至他於 2016 年 8 月 24 日離世。成就：顯色手段在生物學研究中起著至關重要的作用。錢永健從 1992 年開始投入綠色熒光蛋白的研究工作，陸續開發出了綠、紅、黃、藍燈熒光，使得科研人員可以將不同顏色的熒光打入蛋白細胞，發現以往難以觀測的生物程序。錢永健因此被譽為「熒光蛋白改造之父」。
保羅·莫德里奇
（Paul Modrich）生於：1946 年 6 月 13 日，美國新墨西哥州拉頓獲獎時所在單位：美國北卡羅來納州達勒姆市，杜克大學醫學院；馬里蘭州切維蔡斯，霍華德休斯醫學研究所獲獎原因：「表彰他們在 DNA 修復機理的研究上做出的貢獻」獲獎情況：與其他三人共同獲獎生平：保羅·莫德里奇出生於美國新墨西哥州拉頓，並在那裡長大。他的父親是一名生物老師，經常鼓勵他對自然要保有好奇心。1968 年，保羅·莫德里奇於麻省理工學院獲得學士學位。1973 年，莫德里奇於斯坦福大學獲得博士學位。1976 年至今，他一直在位於北卡羅來納州達勒姆市的杜克大學工作。同時，保羅·莫德里奇在位於馬里蘭州切維蔡斯的霍華德休斯醫學研究所擔任研究員。成就：活細胞中含有攜帶生物體基因信息的 DNA 分子，生物體的生存和發展依賴於 DNA 的穩定。但 DNA 並不是絕對穩定的，它們會受到損害。20 世紀 70 年代，通過對噬菌體的研究，保羅·莫德里奇發現並展示了甲基基團連接到 DNA 分子上作為 DNA 錯配修復的信號的過程。這一發現增強了人們對於活細胞運作、癌症起因和細胞衰老等問題的理解。
多蘿西·克勞福特·霍奇金
（Dorothy Crowfoot Hodgkin）生於：1910 年 5 月 12 日，埃及開羅卒於：1994 年 7 月 29 日，英國斯托爾河畔希普斯頓獲獎時所在單位：英國牛津市，英國牛津大學 &皇家學會獲獎原因：「表彰其在用X-射線技術確定生物大分子的結構的研究上做出的貢獻」領域：生物化學、結構化學獲獎情況：單獨獲獎生平：多蘿西·克勞福特·霍奇金的研究生涯始於童年時她獲得的一本化學課本，這本書里包含有晶體學相關的實驗。牛津大學畢業後，儘管她學業優秀，霍奇金作為一名女性依然很難找到工作。最終，劍橋大學的約翰·德蒙·伯納爾教授給了她一個機會，當時，伯納爾教授已是現代分子生物學領域的先驅。從劍橋大學獲得博士學位之後，多蘿西·克勞福特·霍奇金在 1934 年回到牛津大學工作，並在那裡度過了她之後的職業生涯。多蘿西·克勞福特·霍奇金在分子生物學領域貢獻卓著。成就：當X射線穿過晶體結構時，會呈現出清晰而準確的衍射峰圖譜，通過這些圖譜可以確定晶體的結構。在 20 世紀 30 年代，科學家們越來越多地用這種方法來確定複雜的大分子的結構，多蘿西·克勞福特·霍奇金通過大量的X射線衍射圖像，大量的計算以及對數據敏銳的分析，在 1946 年成功地確定了青黴素的結構。1956 年，她又分析確定了維生素 B12（所有維生素中結構最為複雜）的結構。諾貝爾化學獎的那些事兒（1901-2017）1895 年 11 月 27 日，阿爾佛雷德·諾貝爾簽署遺囑，將其遺產最大一部分用於頒發各種獎項，其中包括後來的諾貝爾化學獎。正如諾貝爾先生中遺囑中講到，這些財產用於獎勵：「在化學領域做出最重要的發現或突破的人。◆ 諾貝爾化學獎的數量從 1901 年至 2017 年，共頒發了 109 屆諾貝爾化學獎。1916 年, 1917 年, 1919 年, 1924 年, 1933 年, 1940 年, 1941 年和 1942 年，八年中諾貝爾化學獎空缺。對於諾貝爾化學獎空缺的原因，諾貝爾基金會解釋道：」諾貝爾化學獎被用來獎勵最偉大的化學突破，如果當年沒有產生相匹的研究的話，諾獎獎金將會被留待第二年，如果第二年仍未產生相應諾獎，這筆錢將會被納入諾貝爾基金會的特殊基金內。在兩次世界大戰期間，產生的諾貝爾獎相對較少。◆ 諾貝爾化學獎得獎人數1901-2017 年期間共有 178 人次獲得諾貝爾化學獎。由於弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）曾獲得兩次諾貝爾化學獎，1901 年來共有 177 人獲得諾貝爾化學獎。
圖丨1958年、1980年諾貝爾化學獎得主弗雷德里克·桑格
◆ 最年輕的諾貝爾化學獎得主迄今，最年輕的諾獎得主為約里奧?居里（Frédéric Joliot），年僅 35 歲的他和妻子艾琳約里奧-居里（Irène Joliot-Curie）獲得 1935 年獲得諾貝爾化學獎。
圖丨居里夫婦
◆ 最年長的諾貝爾化學獎得主迄今最年邁的諾貝爾化學獎得主為約翰·芬恩（ John B. Fenn）。他以 85 歲高齡獲得 2002 年諾貝爾化學獎。
圖丨2002 年諾貝爾化學獎得主約翰·芬恩
◆ 獲得諾貝爾化學獎的女性在 177 名諾貝爾化學獎得主中，共有 4 名女性。其中瑪麗·居里，多羅西·克勞宣特·霍奇金兩人獨得諾獎。1911 年，瑪麗·居里（Marie Curie 同時也是 1903 年諾貝爾物理獎的得主）1935 年，伊雷娜·約里奧-居里（Irène Joliot-Curie 瑪麗·居里的長女，約里奧·居里的妻子）1964 年，多羅西·克勞宣特·霍奇金（Dorothy Crowfoot Hodgkin）2009 年，阿達·尤納斯（Ada Yonath）
圖丨1964 年諾貝爾化學獎得主多羅西·克勞宣特·霍奇金
◆ 獲得諾貝爾化學獎的家族居里家族是最聞名的「諾貝爾獎家族」。 1903 年，瑪麗·居里和皮埃爾·居里夫婦共同獲得諾貝爾物理獎。瑪麗·居里還在 1911 年第二次獲得諾貝爾獎。他們的長女，伊雷娜·約里奧-居里和她的丈夫約里奧·居里獲得 1935 年諾貝爾化學獎。他們的小女兒艾芙·居里，在聯合國兒童基金會工作。她的丈夫亨利·拉波易斯，1965 年代表聯合國兒童基金會獲得諾貝爾和平獎。
圖丨居里一家
其他「諾獎家族」（其中至少有一名成員獲得諾貝爾化學獎）在化學領域做出最重要的發現或突破的人。漢斯·馮·奧伊勒-切爾平（Hans von Euler-Chelpin，父），1929 年諾貝爾化學獎；烏爾夫·斯萬特·馮·奧伊勒（Ulf von Euler ，子），1970 年諾貝爾生理學或醫學獎。
圖丨漢斯·馮·奧伊勒-切爾平（左）和烏爾夫·馮·奧伊勒-切爾平（右）
阿瑟·科恩伯格（Arthur Kornberg，父），1959 年諾貝爾生理學或醫學獎；羅傑·科恩伯格（Roger D. Kornberg，子），2006 年諾貝爾化學獎。
丨阿瑟·科恩伯格（左）和羅傑·科恩伯格（右）
◆ 被迫拒絕諾貝爾化學獎的人有兩名諾貝爾化學獎得主由於當局壓力被迫拒絕諾貝爾化學獎。希特勒禁止德國的科學家接受諾貝爾獎，其中兩名有兩名諾貝爾化學獎得主，里夏德·庫恩（1938年）和阿道夫·布特南特（1939年）。此外，1939 年諾貝爾生理學和醫學獎得主格哈德·多馬克也由於同樣的原因拒絕了諾貝爾獎。後來他們的諾貝爾獎證書和獎牌得到補發，但是沒有相應獎金。◆ 諾貝爾化學獎得主的研究領域最常見的獲得諾貝爾化學獎的研究領域為生物化學，50 名化學獎得主的研究都與生物化學有關。◆ 上屆諾貝爾化學獎得主
雅克·杜波切特
(Jacques Dubochet)出生：1942年6月8日，瑞士艾格勒獲獎時所屬機構：瑞士洛桑大學獲獎原因：「用於開發低溫電子顯微鏡，用於測定溶液中生物分子的高解析度結構。」獎金份額：1/3
約阿希姆·弗蘭克
（Joachim Frank）出生：1940年9月12日，德國錫根獲獎時所屬機構：哥倫比亞大學獲獎原因：「用於開發低溫電子顯微鏡，用於測定溶液中生物分子的高解析度結構。」獎金份額：1/3
理查德·亨德森
（Richard Henderson）出生：1945年7月19日，蘇格蘭愛丁堡獲獎時所屬機構：劍橋大學分子生物學實驗室獲獎原因：「用於開發低溫電子顯微鏡，用於測定溶液中生物分子的高解析度結構。」獎金份額：1/3◆ 諾貝爾獎證書諾貝爾獎證書是一項獨特的藝術品，由最著名的挪威和瑞典藝術家和書法家製作。
圖丨2015年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者屠呦呦的獲獎證書
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