測序人生

2013年11月19日，一位偉大的生物化學家走完了95年的人生旅程。世界各地的科學博客和學術(shù)期刊都在撰文紀念他，連一向桀驁不馴的基因組科學家克萊格·文特爾也發(fā)了一條Twitter，表示他是“20世紀最偉大的科學家之一，兩次改變了科學世界前進的方向”，即使剛?cè)ナ赖倪@位曾公開批評文特爾的研究所商業(yè)色彩太重，分享精神不足。著名科學作者艾德·楊（Ed Young）則寫了一段DNA序列來表示哀悼：CGCATTCCGTTTCGCGAAGATAGCGCGAACGGCGAACGC。

這位死者在當學生時成績普通，從沒拿過獎學金，后來卻兩次獲得諾貝爾化學獎，成為惟一一位兩獲諾貝爾化學獎的科學家；他凡事都愛自己動手，不愛上課也不會帶學生，但第一個學生卻也是諾貝爾獎得主；他獲得過巨大的榮譽，有以自己名字命名的研究所和技術(shù)，卻淡泊名利，甚至拒絕封爵。他就是弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）。

“富二代”做科研

桑格出生于英格蘭格洛斯特郡的一個小鎮(zhèn)，父親是一名醫(yī)生，曾在中國工作，后因肺結(jié)核回國休養(yǎng)。他有一個大他一歲的哥哥西奧多，后來在劍橋大學學習農(nóng)學。桑格一開始想繼承父業(yè)，成為醫(yī)生。但去劍橋上大學之前，他改變了主意，想研究生物了。

在一次采訪中，桑格表示，促使他轉(zhuǎn)變職業(yè)目標的原因是，他發(fā)現(xiàn)自己“與照顧很多人、解決不同的問題相比，更喜歡專注于一個問題，并進行深入的研究”。

桑格在高中時不算出類拔萃，他在自傳中承認，“如果不是父母相當富有，我很可能根本進不了劍橋”。和很多大科學家一樣，在大學里他有些偏科。在物理和數(shù)學上，盡管與身邊那些起步更早的同學相比，他學習起來有些吃力，但也比拉丁語和歷史要強。

當時的劍橋大學要求學生學習兩個主修學科和一個副學科。桑格選擇了物理和化學作為主修學科——這也是科學專業(yè)學生的標準選擇，不過第二年，他就因為實在跟不上物理課程的進度而轉(zhuǎn)去學生理學。在他為選什么作為副學科傷腦筋的時候，看到了學科列表上的一個詞：生物化學，導師是歐內(nèi)斯特·鮑德溫（Ernest Baldwin）。此前他從沒聽說過這門學科，不過用化學來解釋生物現(xiàn)象的思路很吸引他。鮑德溫博士是一位相當不錯的導師，他很有活力，也懂得如何啟發(fā)學生，于是桑格在拿到學士學位后，決定在劍橋再學一年高等生物化學課。連他自己也沒想到的是，他這門課的成績被列為最優(yōu)。這對向來功課平庸的他來說是個不小的鼓勵，讓他決定申請去劍橋剛成立的生物化學系攻讀博士學位。此前他對自己的未來并不確定。

桑格給生化系寫信，詢問自己能否去那里繼續(xù)求學，一個月都沒收到回音，于是，這位“富二代”決定親自到系里問問。那時，他的父母剛剛?cè)ナ溃麖哪赣H那里獲得一筆不小的遺產(chǎn)——他母親是一位棉花富商的女兒。他表示可以不需要任何資助，就這樣，有幾個實驗室愿意接受他。

桑格先跟一位有點古怪的蛋白質(zhì)化學家工作，任務是從草里提取可以食用的蛋白質(zhì)。這位蛋白質(zhì)化學家屬于“放手型”導師。他給桑格一大罐凍住的碎草讓他自己研究，而自己不久之后就離開了劍橋。此時他的化學知識顯然不足以支持他獨立研究，他希望當時還在做博士后的阿爾伯特·紐伯格（Albert Neuberger）給予指導。在紐伯格那里，桑格完成了博士論文。他的博士研究和賴氨酸代謝有關(guān)，沒什么特別新穎的地方。但他在紐伯格那里學到了很多，不僅獲得了豐富的生物化學知識和實驗技巧，而且學會了如何做研究。

獲得博士學位后，桑格在劍橋大學生物化學系的新任教授（當時歐洲一般一個系只有一個教授）阿爾伯特·查爾斯·奇布諾爾（Albert Charles Chibnall）那里開始了博士后研究。奇布諾爾當時正在研究胰島素。胰島素在人體糖代謝中起到重要作用，如果胰島素分泌不足，就有可能導致糖尿病。1922年，弗雷德里克·班廷和約翰·麥克勞德發(fā)現(xiàn)了胰島素對糖尿病的治療作用，他們因此獲得了第二年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。在那個年代，研究胰島素的生化性質(zhì)不僅因為這種蛋白質(zhì)的醫(yī)學應用，還因為它是當時僅有的幾種能被提純的蛋白質(zhì)。

桑格測序

蛋白質(zhì)由20種氨基酸首尾相連再盤曲纏繞構(gòu)成，簡單地說，蛋白質(zhì)是由20個字母組成的句子。當時，生化學界對蛋白質(zhì)存在一些爭議。有些人認為蛋白質(zhì)只是隨機的混合物，沒有確定的化學組成，也無法用化學方法研究。但奇布諾爾不認同這點，他希望找到蛋白質(zhì)確定的化學組成——也就是氨基酸鏈的序列。奇布諾爾發(fā)現(xiàn)，胰島素蛋白質(zhì)有很豐富的自由氨基，他據(jù)此認為胰島素的氨基酸鏈很短，因為在排除一些其他因素后，只有氨基酸鏈的一端才帶有自由氨基。所以，他讓桑格找到一種方法，可以準確鑒定出胰島素上的自由氨基，這樣就能找到一些胰島素的長度和氨基酸成分的線索。

桑格的方法是尋找一種化學物質(zhì)，可以“黏”在自由的氨基上作為標記。但要找到這種化學物質(zhì)并不簡單。首先，它必須有足夠的活性，這樣靈敏度才足夠，并且可以在日常條件下使用。其次，它和自由氨基的結(jié)合必須非常緊密，即使在蛋白質(zhì)被打碎研究的時候也不會掉下來。它最好還要有明顯的特征，幫助實驗人員鑒定出來。

桑格最終選擇了2，4-二硝基氟苯。這種物質(zhì)在常溫下就能和自由的氨基穩(wěn)定地發(fā)生反應，而且在“黏住”氨基后會呈現(xiàn)出黃色。桑格將蛋白質(zhì)徹底打碎，然后提取出只被標記黏住的那個氨基酸并進行分析，就知道蛋白質(zhì)鏈中最頂端的那個氨基酸是什么了。如果不把蛋白質(zhì)徹底打碎，而是讓它斷成幾個片段，就能鑒定更多位置的氨基酸，并最終得到完整的氨基酸序列。桑格用“拼盤子”來比喻整個分析過程：雖然很難判斷在地上摔成20塊碎片的盤子原本的樣子是什么，但如果你把碎片收集起來，拼在一起，就會看到盤子上的圖案。

1953年，桑格成功地測序了胰島素的氨基酸序列。直到今天，他的方法仍有應用，2，4-二硝基氟苯現(xiàn)在被稱為桑格試劑，而它和自由氨基的反應則被稱為桑格反應。1958年，桑格單獨獲得諾貝爾化學獎。

1962年，桑格來到劍橋的分子生物學實驗室（Laboratory of Molecular Biology）。許多重要的生物學進展都是在這里出現(xiàn)的，比如DNA的結(jié)構(gòu)和復制原理。雖然桑格當時還不知道DNA序列和蛋白質(zhì)序列的關(guān)系，但他知道DNA是基因的材料，而人類的遺傳信息就儲存在DNA的序列里。所以，他希望能像給蛋白質(zhì)測序那樣給DNA測序。

如果說蛋白質(zhì)是由20個字母組成的句子，那么DNA的字母只有4個。但DNA卻比蛋白質(zhì)長得多，有時會有數(shù)百萬個字母。所以給DNA測序被認為是幾乎不可能完成的工作。

一開始，桑格想用與蛋白質(zhì)測序類似的方法來給核酸測序：打破DNA，就像把盤子砸碎在地上一樣。但進展并不順利，因為通過這種方法進行測序的前提是找到一種合適的方法打破DNA，然后把不同的碎片分離出來，再找出一個特定的碎片進行研究。他沒有在DNA上找到合適的類似方法，于是決定反其道而行之，不在“打碎”DNA的過程中對其進行測序，而是在合成DNA的過程里尋找它的序列信息。

他利用模板合成想測序的DNA序列，然后通過“人造字母”讓DNA合成終止。人造字母能發(fā)出熒光，告訴研究人員在合成終止位置上的是什么字母。如果說桑格在發(fā)明蛋白質(zhì)測序技術(shù)的時候參考了很多前人的研究，那么他的DNA測序技術(shù)卻更富有想象力和原創(chuàng)性，所以被命名為“桑格測序法”。

桑格測序法給生物科學帶來了巨大影響。在他提出這一技術(shù)的二十多年后，為人類的DNA進行測序的人類基因組計劃使用的就是桑格測序法，他也因為DNA測序技術(shù)而與保羅·伯格（Paul Berg）和沃特·吉爾伯特（Walter Gilbert）分享了1980年的諾貝爾化學獎，成為惟一一位兩度獲得諾貝爾化學獎的科學家。

實驗工人

兩個諾貝爾獎讓桑格走到哪里都有人追著向他詢問成功的秘訣，謙虛的他總是表示，自己運氣很好，“我總在合適的時間碰到合適的人和合適的問題。”他直言自己對教學和行政不感興趣，據(jù)說他還因授課差被學生轟下臺，但他的第一個博士生羅德尼·羅伯特·波特（Rodney Robert Porter）后來也獲得了諾貝爾獎。在談到這位因戰(zhàn)爭耽誤了時間，比自己還年長的學生時，桑格表示，“他教我的比我教他的多。”

與很多有著輝煌經(jīng)歷的教授不同，桑格65歲就退休了。他認為，與其到了這個年齡還堅持做水準日趨下降的研究，還不如把位置讓給年輕人。他想把時間花在自己感興趣卻一直沒精力投入的事情上，比如打理一個花園。后來，他經(jīng)營的花園相當有名，甚至成為一個景點。他還拒絕了英國女王準備給他的爵位，因為他不想讓別人稱他為Sir。

桑格在自傳中寫道，研究科學，“想”、“說”和“做”都很重要，“我思考能力還行，不善交談，但我在43年的職業(yè)生涯里一直努力去做實驗。”在中學時代，如果說成績并不突出的他有什么特長的話，就是做木工活了。這一愛好既鍛煉了他的動手能力，也影響了他的一生。在漫長的科研生涯中，他一直都很愛動手，自稱“實驗工人（bench worker）”，很少坐在辦公室里寫作和整理資料。功成名就之后，他還發(fā)表了大量以第一作者署名的文章，這在同行中實屬罕見。

正是勤奮和專注，讓自認沒有天賦的桑格能在測序領(lǐng)域里書寫一個又一個傳奇。也許像艾德·楊那樣用DNA序列來紀念桑格最為恰當——那段DNA序列對應的蛋白質(zhì)序列是：RIPFREDSANGER（安息吧，弗雷德·桑格）。