從搖滾樂到糖科學，卡羅琳?貝爾托西走上科研之路

編譯 希區客

美國化學家卡羅琳?貝爾托西表示，自己幾乎就是憑借“潛意識”走上科學之路的。2020年3月，貝爾托西憑借其首創的可在活體細胞內進行的生物正交化學反應，獲得了索爾維未來化學獎

卡羅琳?貝爾托西（Carolyn Bertozi）的父親是麻省理工學院的物理學教授，但她進入哈佛大學后，一度想主修音樂。“我父母不希望我這么選擇。我的一個親戚從事音樂事業，最后卻通過在銀行上班來付房租。我不太敢違抗他們。”于是她選擇了包括數學和科學課程在內的醫學預科課程，并在大一結束時決定主修生物學。她表示：“我在大一并不喜歡普通的化學課。它只是我必須打勾的一個選項而已。”

使得貝爾托西意識到化學之趣是第二年的有機化學課。她打趣道：“同學們對這門課的評價是‘教授簡直在故意為難我們，同學們抱怨要背的東西太多，但到目前為止，我最喜歡它，我絲毫不覺得有機化學繁瑣或怪異，它匹配上了我的大腦。”

一年后，貝爾托西從生物轉向化學。當然，音樂事業并沒有半途而廢。當許多同學在餐館做服務員以支付大學費用時，她在重金屬搖滾樂隊里演奏電子琴并伴唱。那是20世紀80年代，她所在的樂隊經常在大學派對等活動中演奏自己的金屬搖滾或流行歌曲。

尋找實驗室的本科生

哈佛大學鼓勵理科學生在暑假期間去實驗室工作。貝爾托西回憶道：“大二結束后，我想去有機化學實驗室做研究，但他們都說已經滿人了。”她最終去了馬薩諸塞州眼耳醫院的實驗室研究氧化膜損傷問題。其間，她每周都跟著艾琳?科切瓦爾（Irene Kochevar）教授學習，帶著一堆硬幣，去近5公里外的醫學院圖書館復印論文。

美國著名搖滾音樂人湯姆?莫雷羅（Tom Morero）曾與貝爾托西身處同一支樂隊

卡羅琳?貝爾托西從2015年開始進入斯坦福大學工作

當時，激光眼科手術還是一個新鮮事。貝爾托西表示，了解眼部組織會否被手術激光損傷很重要。她通過特殊的搖動方式把膜取下，然后用激光照射它們，看看它們紅細胞中的“鬼影”會不會因此被去除。

不久后，貝爾托西的化學之路迎來轉折。“我學習了物理有機化學研究生第一年的課程，也結識了一些畢業生，參觀了他們的實驗室。我本以為他們可能會向我介紹他們的首席研究員（PI），這樣可以幫助我獲得暑期實習機會，但實際上并沒有。我開始覺得成為有機化學家似乎不是一個好主意。”

貝爾托西先是在生物化學實驗室找到了一份工作，然后又遇到了當時正教授研究生課程的物理化學助理教授喬?格拉博夫斯基（Joe Grabowski）。格拉博夫斯基的實驗室只有一名畢業生——因為他的教授類型決定了他獲得終身教職的可能性很低，鑒于這位教授長期前景的不確定性，畢業生們往往不愿意拜其門下。

格拉博夫斯基的實驗室是招收本科生的。“一天下課后，他問我是否愿意去他實驗室度過這個夏天。機會從天而降，讓我大吃一驚，所以放棄了生化實驗室的B計劃。”

搭設備，找實習

格拉博夫斯基想開展一個光聲量熱計項目，旨在測量光激發的分子松弛并釋放熱量導致局部溶劑膨脹時形成的壓力波。“把麥克風放在試管的邊緣，你就可以聽到聲波。”研究者通過波的振幅了解以熱量形式損失的能量。

貝爾托西需要構建和組裝組件以測量聲波，并將這些模擬信號數字化。到夏末，她又創建了一個將這些數字信號轉換為圖形的程序。

最后，這個項目成為了貝爾托西的本科論文。當她離開實驗室時，儀器已經搭建完成——盡管她從未進行過任何實驗。“這項工作不是有機合成，但它教會了我，你不必事先就很清楚通往大目標的道路——每天你做一些事情，隨著時間的推移，雜草會慢慢被除盡，道路會變得更加清晰。你或許會被巨大的挑戰嚇到，但要知道問題的解決并非一蹴而就。接受超出我能力范圍的項目是很棒的經歷，我需要盡全力解決所有問題。”

當然，除了在物化實驗室鉆研設備，貝爾托西也一點沒放下有機合成。她如此說道：“雖然擺弄電腦和激光很有趣，但我真的很喜歡思考有機分子的行為，也非常期待創造新分子。我對酶如何操縱分子非常著迷。”

在新澤西州貝爾實驗室的暑期實習給了她更多靈感。貝爾托西與年輕的科學家克里斯托弗?奇德西（Christopher Chidsey）合作，研究金表面上的烷基硫醇自組裝單層。“我還沒有做任何合成，但至少我溶解并制備了有機化合物！我想我已經掌握了一項有用的技能！”那年夏天發表于《美國化學會志》（The Journal of The American Chemical Society）的文章至今仍是她被引用次數最多的論文之一。也正是從那以后，貝爾托西發表了許多有影響力的成果。

獨立發論文的化學研究生

在來到加州大學伯克利分校（UCB）攻讀研究生后，貝爾托西的合成夢想終于實現了。她開始跟隨馬克?貝德納爾斯基（Mark Bednarski）開展生物學研究，致力于分子設計。

貝德納斯基是貝爾托西在哈佛認識的一位年輕學者，他當時在喬治?懷特塞茲（George Whitesides）的實驗室里做博士后研究員，對碳水化合物化學/糖科學非常感興趣。根據貝爾托西的介紹，那會兒他正研發神經氨酸酶抑制劑米韋來扎（Zanamivir）和奧司他韋（Oseltamivir）以作流感藥物，這兩種藥物都與唾液酸相似。但到入學后的第三年，貝德納爾斯基被診斷出結腸癌。他請假接受治療，之后決定成為一名醫生，并在斯坦福大學攻讀醫學。貝爾托西并沒有轉去其他課題組，而是在沒老師監督的情況下獨自完成博士學位。

她回憶道：“由于監管和安全方面的問題，現在這種情況不會發生了。我回想起那段時光真的感覺有點瘋狂！我心存感激，因為我的項目終于重回正軌了，我可不想去別的實驗室從頭再來。”

之后兩年，貝爾托西和兩名同組的研究生同學自主開展研究并投稿（甚至敦促編輯評論）。“當時我們有點沮喪，不知道該怎么辦。但回想起來，在沒有PI的情況下，我們學會了更積極更高效地完成任務，解決問題。

拿到博士學位后，貝爾托西進入加州大學舊金山分校（UCSF）的免疫學實驗室做博士后研究，其間她再次遇到了在斯坦福大學任教的奇德西。后者鼓勵她申請化學生物學方面的學術工作——當時斯坦福大學正尋找合適的化學生物學家。她回憶說：“我意識到自己想留在舊金山灣區，所以我也申請了UCB和UCSF。”這三所高校都給了她工作機會，而她選擇回到伯克利。

貝德納爾斯基在與結腸癌抗爭了14年后，于2006年去世，享年47歲

生物正交化學的誕生

成為博士后的貝爾托西發現研究生物系統中的糖科學多么令人沮喪——研究工具是如此原始，以至于無法測量細胞、組織或器官，“我認為必須有更好的方法”。

這成為她在伯克利的第一項科研任務：開發合適的工具，幫助糖蛋白科學家更高效地取得進展。當時科學家可以借助成像技術觀察蛋白質或核苷酸，但對于糖，他們還拿不出好的成像方法。鑒于此，貝爾托西開始研發成像工具，并嘗試在糖上放置了探針，以便對其進行監控。這帶來了一種代謝標記方法——通過代謝前體將標記物置入糖中，從而成為細胞的“食物”的一部分。她說：“探針本身不能以這種方式插入，因為它們太大，會被酶破壞，但你可以在糖上面貼好化學標簽，然后再添加探針。”

貝爾托西奉上了一種新型反應，所謂的“生物正交化學”。這種化學反應發生于生物體內，但不會與任何自然生物過程相互作用或彼此干擾。她實驗室的工作包括開發生物正交反應方法，以及對標記好的糖進行應用和成像。

“然后，新的想法從正進行著的項目中出現。”那時剛發布結核桿菌的基因組序列，研究生約瑟夫?穆戈斯（Joseph Mougos，現在已是一名成功的學者）對此充滿研究熱情。貝爾托西表示：“我們正研究各種人類酶，于是將它們的基因序列與結核桿菌的基因組進行比較，看能否從微生物中找到酶的 ‘遠親’。就在這個過程中，穆戈斯驚訝地發現了人類硫酸酰基（磺基）團，一種轉移酶的‘遠親’，可以將硫酸酰基連接到糖上。”

下一步是制造突變體并尋找表型，但這項工作說起來容易做起來難，因為與結核桿菌打交道需要有3個生物安全控制設施的支持，而貝爾托西的實驗室難以滿足條件。“我是助理教授，資金緊張，但同時我又想，如果我作為一名本科生能搭建出量熱計設備，我為什么不去嘗試研究結核桿菌和磺基？”之后，穆戈斯找到了必要的滿足安全要求的設備，也想出了如何誘導突變。“我們開發了一個大型監管平臺，使我們能夠使用富含硫酸鹽（其中的硫元素為硫-34）的標記物來尋找代謝物。”

貝爾托西說道：“我們發明了一種熒光標記試劑。現在這個項目得到了比爾和梅琳達?蓋茨基金會的支持。我們希望創建出即時診斷系統。如果沒有學生去推動結核病研究，我們就無法實現這一目標。我們花了10年時間才蹚出這條路。”

聚糖酶與轉錄因子

在伯克利待了近20年后，2015年，貝爾托西再度收到了斯坦福的邀約。“這一次眾星云集。他們在化學生物學領域做了大量投入，新建了一座大樓，新增了20名教職員工，其中包括幾位資深教授。”斯坦福當時正建立新研究所，對她來說，這似乎是開啟另一段學術征程的大好機會。

貝爾托西本沒有考慮離開伯克利，而且當時的時機也不理想，因為她和愛人正準備迎接第三個孩子，但她很快確定了自己的想法，那就是接受這份工作。“我希望我的學生能在醫療生態環境中獲得經驗，這在伯克利并不容易，而斯坦福有一所醫學院，所以我們搬到了舊金山。”

下一個意想不到的研究方向很快就出現了。“我接到斯坦福校友克里斯汀?威爾西（Kristen Wilsey）的電話。她如今是個成功的科技企業家，其小女兒格蕾絲被診斷出患有一種極為罕見的遺傳病——她體內的Ngly1基因發生突變，導致先天性去糖基化障礙。Ngly1基因編碼N-聚糖酶1——存于細胞質基質內，負責切除錯誤折疊的糖蛋白中天冬酰胺連接的寡糖鏈。威爾西成立了一個非營利性研究基金會，旨在尋找治療方法。他此前招募了幾位知名的遺傳學家和生物學家。“鑒于我的實驗室致力于糖科學研究，他想知道我們能否在其中做些工作。”

“在沒有很好地理解N-聚糖酶的喪失如何致病的情況下，我對于提出一項研究計劃感到猶豫不決。”貝爾托西當時尚未就N-聚糖酶的功能理清頭緒，也給不出一個關于酶缺陷與患者癥狀間關聯的合理假設。

加州理工學院比格特?德賽斯教授

幾個月過后，巧合再次發生。在一次會議上，貝爾托西與加州理工學院的比格特?德賽斯（Biogart Ray Deshaies）聊起了N-聚糖酶。實驗室培養皿中的大多數經過Ngly1突變改造的細胞并沒有如預期那般發生去糖基化障礙，充滿糖蛋白“垃圾”，反倒是在沒有N-聚糖酶1的情況下過得很好，可是缺了N-聚糖酶1的人類和實驗室小鼠卻都病得很重。

他們開始懷疑生物體的某些細胞內存在重要的底物（實驗室培養出來的細胞則不一樣）。一個人要想保持健康，這些糖底物必須通過N-聚糖酶1去除——但尋找這些底物是一項重大挑戰。

德賽斯多年來一直致力于研究NRF1這一不同尋常的轉錄因子。它在調節細胞內蛋白質以及維持神經元健康方面發揮著重要作用，也能限制蛋白酶抑制劑的有效性。但根據德賽斯的理論，NRF1必須在活化狀態下才有效，而其表面的一些糖分子會阻止它被激活，因此去糖基化——更準確地說，去除它表面的N-聚糖——對于NRF1的激活至關重要。

貝爾托西團隊通過實驗進一步發現，缺少N-聚糖酶1使得NRF1難以活化，也就無法維持神經元和其他細胞的正常運轉——這可以解釋Ngly1基因缺陷患者的一部分臨床表現。在利用N-聚糖酶1完成了NRF1表面的去糖基化后，他們看到突變小鼠不再出現相關癥狀。

貝爾托西表示：“我們將開展更接近斯坦福臨床科學目標的研究。這是一個始于患者的項目，現在成為我們實驗室努力的一大方向。”

另一方面，貝爾托西也將目光投向了免疫腫瘤學。這是一個熱門領域，也有糖科學研究者的用武之地——糖基化在腫瘤微環境的免疫調節方面起到重要作用。“這是糖科學家的好機會。生物學家正使用基于CRISPR的基因組篩查來尋找糖關聯基因的重要作用，非常希望與那些能找出相關生化途徑的專家交流合作。

“機遇引領你前進。如果你足夠幸運，你會發現一些機會。更多人可能會錯過很多機遇，因為我們精力和時間有限。你無法關注到每一件小事，但如果你看到了它，你一定要努力抓住它，跟著它前進。”

資料來源 Chemistry World