2022年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者帕博的研究方法初探

徐 寒,張洪雷

(南京中醫(yī)藥大學:1.第一臨床醫(yī)學院;2.馬克思主義學院/醫(yī)學人文學院,江蘇 南京 210023)

2022年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者斯萬特·帕博的開創(chuàng)性研究,創(chuàng)造了一門全新的學科:古基因組學。通過不斷揭示現(xiàn)代人與古人類的基因差異,進而展現(xiàn)人類進化的真實歷程,為現(xiàn)代人類被稱為獨特人類這一現(xiàn)象提供了解釋基礎,同時也回答了最偉大的哲學問題:我們從哪里來?

作為一名未知領域的開拓者,帕博及其團隊憑借其不屈不撓的精神,在不懈地探索與堅持下,于2010年證明了現(xiàn)代人與古人類有基因交流,證明了除非洲之外的歐亞大陸的古人類們也對現(xiàn)代人的基因有所貢獻,對學術界造成了巨大的沖擊;同時,帕博在研究的過程中開創(chuàng)了研究古DNA的新方法,新技術,對整個行業(yè)的繼續(xù)發(fā)展提供了寶貴的材料。

在翻涌的歷史潮流中,無數(shù)科學家們在思考著“我們從哪里來”這一問題,不懈地進行著相關的研究,但只有帕博的研究從中脫穎而出。因此,我們設想,在他的科研歷程中一定存在著獨特的研究方法,使得他開辟出了一條前所未有的道路。

1 帕博的科研方法初探

1.1 問題意識與問題導向

習近平總書記曾說過:“理論創(chuàng)新只能從問題開始[1]。”同樣的思想不僅適用于理論創(chuàng)新,同樣也適用于科學研究,帕博便是這樣。

科學研究本意上就是對問題進行研究,抓住了問題便是抓住了研究的核心與方向。帕博在把研究方向從埃及文物學轉向分子生物學領域的過程中第一次產生了關于古今人類DNA測序應用的疑問:是否可以通過現(xiàn)代人的DNA測序推及古埃及人的DNA?是否DNA在木乃伊上仍然留存,并且甚至有可能在細菌中復制?是否可以利用此方法得出現(xiàn)代人類與古埃及人之間的DNA聯(lián)系[2]?為了解決這些問題,帕博開始分析法老們的DNA,并與現(xiàn)代人的DNA 進行對比。1984年,帕博成功地利用化學方法提取到了DNA,并克隆出了DNA片段。在這一問題的引導下,帕博真正開啟了對古基因的研究。

我國當前的醫(yī)學教育模式,教學多是灌輸醫(yī)學知識,并不考慮作為人的學生的整體性、發(fā)展性和獨立性特點,以至于學生難于形成優(yōu)秀的專業(yè)素養(yǎng)[3]。因此完善教育指導體系,建立多元育人模式,為學生提供實踐教育的機會,激發(fā)學生的問題意識,鼓勵學生進行自我探索迫在眉睫[4]。現(xiàn)代醫(yī)學教育的改革與人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新已成為大趨勢,作為更易接受新事物的當代大學生,我們應主動培養(yǎng)自我的問題意識,并勇于嘗試。

1.2 跨學科方法

當代科學研究與技術發(fā)明日趨復雜,僅靠單一學科研究已無法再取得突破,往往需要多門學科的融會貫通,才能解決問題[5]。帕博在研究古DNA的過程中以分子生物學為基礎,橫跨考古學,歷史學,群體遺傳學,古生物學等多門學科領域。

研究人類歷史的演化多歸屬于考古學,帕博卻采用分子生物學的方法——通過研究古人類DNA 序列的變異來探尋人類歷史的演化。緊接著,帕博利用生物信息學在Illumina平臺上生成最大的數(shù)據集并進行數(shù)據的分析整合[6],利用人類遺傳學和語言學的關聯(lián)構建來模擬人類歷史,發(fā)現(xiàn)尼安德特人與現(xiàn)代人在27萬～44萬年前分開。而后,帕博在對尼安德特人DNA進行研究時,繼續(xù)采用跨學科交叉的方法,將分子生物學與群體遺傳學、生物信息學等多學科融貫在一起,成功使帕博及其團隊從DNA片段中獲得了可靠的序列,推動了尼安德特人基因組草圖的完成。

教育部等部委于2018年10月提出了《關于加強醫(yī)教協(xié)同實施卓越醫(yī)生教育培養(yǎng)計劃 2.0的意見》,意見中指出要向“醫(yī)文、醫(yī)工、醫(yī)理、醫(yī)X交叉學科為支撐的醫(yī)學模式”轉變,將醫(yī)學知識與其他相關學科的先進理論進行有機整合,培養(yǎng)能夠解決醫(yī)學領域前沿問題的高層次復合型人才[7],而跨學科的研究探索需要耗費大量時間,同時多個學科的通力協(xié)作需要我們具備活躍的思維以及靈活運用方法的能力,作為當代的中醫(yī)學子,我們要意識到跨學科的重要性,在臨床中要活化我們的思維,不能故步自封,只專注于中醫(yī)學,更要學會結合諸如西醫(yī)學,大數(shù)據學,信息學等多學科的優(yōu)點,以此得到創(chuàng)新性的成果。多學科結合治療的道路任重而道遠,當代中醫(yī)學子應肩負起大任,推動我國醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)更上一層樓。

1.3 技術方法

分子克隆技術是20世紀70年代發(fā)展起來的一項技術,帕博等人利用分子克隆儀分離并研究了一些從木乃伊表層組織上獲得的古DNA片段,成為將DNA技術應用到考古學的第一人[8]。20世紀80年代,古代DNA的檢測新方式——PCR技術被研發(fā)出來,帕博等人利用PCR確定了尼安德特人的四個短基因序列:參與皮膚色素沉著的MC1R基因片段、參與語言中樞的FOX2基因片段、參與ABO血型位點的一部分基因片段、味覺受體基因[9]。此時的PCR雖然可以復制古DNA,但面對生物體的大部分基因仍無法擴增。高通量DNA測序技術的發(fā)展使從古代標本中隨機提取DNA片段進行大規(guī)模的擴增測序成為可能。利用454平臺上的高通量測序技術,帕博等人直接測定出了來自尼安德特人骨的近40萬bp的核DNA序列和來自同一塊骨的另一個被克隆至質粒載體的DNA片段,這些測量證明了生成尼安德特人mtDNA全序列和核基因組的可行性,也讓帕博意識到研究古DNA不僅是一門從無到有的學問,更是一項漫長的技術攻堅,于是帕博等人進行了許多技術改進,終于在對技術地不斷升級后,以確鑿而精確的數(shù)據測序出了尼安德特人的全部基因組序列,也為丹尼索瓦人基因組序列的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎。

在帕博的研究過程中,其對前沿技術的敏銳洞察力,使得他一直站在古DNA技術革新的前沿,正是得益于技術的不斷革新,帕博的古DNA研究才會取得如此巨大的結果。科學技術是第一生產力,我國的醫(yī)學教育起步較晚,科技在教育領域的應用也較為落后,然而將先進的科學技術融入醫(yī)學教育中,為醫(yī)學教育提供有力的技術支持是培養(yǎng)既有知識又有技術的復合型醫(yī)學人才的重要手段。人工智能技術作為計算機領域最具有潛力的技術,在醫(yī)學領域中也獲得了廣泛的應用,因此,醫(yī)學院校應有意識地在兼顧理論授課時長的同時,增加人工智能技術的相關教學課程,讓醫(yī)學生們接觸最為先進的新興技術,培養(yǎng)具備人工智能相關技術的醫(yī)學人才[10]。

1.4 實驗方法

科學實驗是科學研究的重要方法和過程,脫離了科學實驗,便不會有如今的這些科學成果。實驗室作為科學家的研究空間,對科學家的科研工作起到了巨大的作用,尤其是在研究古DNA的這個領域,實驗室實驗是最為常用的方法,實驗室的污染往往會對實驗結果造成嚴重的影響。

尼安德特人中的大多數(shù)DNA片段與現(xiàn)代人類相同,因此現(xiàn)代人類的DNA污染實驗后可能會被誤認成內源性古代DNA序列。對測定的尼安德特人DNA數(shù)據集進一步分析表明,其被現(xiàn)代人類DNA污染的程度已達40%～41%[11]。面對嚴重的DNA污染問題,帕博等人采用了許多技術改進,發(fā)現(xiàn)唯一能夠積極消除污染的方法是將所研究的生物體與潛在的污染源分離開,即建立一個潔凈安全,完全隔離的潔凈室[12],這是一個將提取DNA和處理老舊組織的實驗與實驗室的其他實驗進行物理隔離并專門用于古DNA提取和擴增的實驗室。為了根除污染現(xiàn)象,該實驗室還伴有一些列極為嚴苛得到規(guī)定:進實驗室必須經過一個前廳,并在那里穿戴整齊;其次,所有的儀器和試劑需無接觸地直接送到實驗室中且進入實驗室禁止帶入任何物品;最后,當天進入實驗室的人不被允許二次進入[13]。帕博開發(fā)設計的實驗室解決了古DNA提取和制備過程中的污染問題,克服了古DNA樣本測序中序列錯誤的問題,經過多年的積累,形成了一套被古DNA研究領域廣為借鑒的規(guī)范與標準。

帕博的科研成就離不開他在實驗室科學上的成功,潔凈室的建造在整個研究環(huán)節(jié)中看起來微小,卻是決定性的。這種對營造實驗外部環(huán)境的重視,值得我們國內的科研團隊學習。此外,在科研過程中,研究者的主觀因素必須與外部的客觀因素相結合才能產出優(yōu)秀的科研成果,作為醫(yī)學生,我們不能忽視實驗環(huán)境的影響,片面地強調自身的能力提升,必須要重視科學實驗,只有這樣,才能最大化利用當今中國逐漸進步的物質條件,同步提升我國的科研實力。

1.5 經驗方法

在對骨骼中DNA的提取過程中,帕博等人發(fā)現(xiàn)在DNA提取過程中可能發(fā)生短分子的丟失以至于古代DNA測序文庫中短于40bp的分子明顯不足,于是他們系統(tǒng)查閱了大量的文獻,特別關注有關DNA提取的線索,發(fā)現(xiàn)了一種利用二氧化硅提取微生物DNA的方法,帕博等人結合單鏈DNA的制備對此方法進行改進與試驗,成功從洞穴熊骨骼[14]和牙齒中重建并提取了線粒體基因組序列[15],直至今日這種改進的古DNA提取技術仍被用于大多數(shù)古DNA的提取。緊接著,帕博等人開啟了對少量DNA的測序,一直以來采用的桑格測序法較為煩瑣緩慢,于是帕博等人根據桑格測序法的原理進行方法改進,開發(fā)了一種基于PCR生成的DNA模板高度平行焦磷酸測序的DNA測序方法,使短時間內確定數(shù)十萬個長度為100或250nt的DNA序列成為可能,成功應用于確定更新世物種遺骸的DNA序列,改變了傳統(tǒng)的DNA研究方式,推動了“第二代測序法”的開始,為焦磷酸測序儀的產生提供了理論基礎,促進了帕博的研究進程。

帕博的技術方法不是憑空產生的,或是依據大量的文獻閱讀以及豐富的知識積累,或是通過在前人技術上的改進而產生的新方法。正如屠呦呦在古籍中發(fā)現(xiàn)青蒿素的廣泛用途一樣,新思維,新技術方法的產生離不開前人的經驗積累,中醫(yī)藥歷史悠久,無數(shù)的瑰寶等著我們去發(fā)現(xiàn),作為醫(yī)藥研究者,我們應意識到閱讀古籍文獻的重要性。

1.6 數(shù)學方法

在古DNA的研究過程中,通過建立和求解數(shù)學模型是帕博最為常用的方法之一。在利用高通量技術進行大規(guī)模擴增DNA的過程中,帕博等人面臨的最大困難之一是DNA的序列問題,建立受損傷DNA模型成為帕博解決此類問題的首選。通過建立模型用給定的每個堿基頻率、單鏈懸垂端的平均長度、雙鏈DNA的脫氧胞嘧啶殘基頻率以及單鏈DNA的脫氧胞嘧啶殘基頻率模擬假設的尼安德特人序列的預期錯誤序列,帕博等人發(fā)現(xiàn)結果與觀察到的數(shù)據相吻合,證實了假設的正確性,為后來的評估高通量測序技術的序列錯誤概率提供了一個框架,解決了基因組測序過程中的序列問題。

建立模型模擬其實是邏輯思維中“假設”推理類型在科學研究中的應用。通過建立模型以模擬某種現(xiàn)象或過程,能夠推理各個變量之間的關系,可以有效驗證研究的先期猜想。建立數(shù)學模型雖然已經在各種領域得到過廣泛應用,但是在中醫(yī)藥領域,通過模型模擬來驗證某種猜想或假設的研究構思方法還沒有被運用到和自然科學、工程技術、社會科學等一樣成熟的地步。我們應該更多地重視這種一般科學的基本研究框架的構思方法,使學科更加科學化、正規(guī)化、標準化。

2 結語

法國科學家拉普拉斯說過:“認識一位天才的研究方法,對于科學的進步,甚至于對他本人的榮譽,并不比發(fā)現(xiàn)本身更少用處。”探索人類自身是所有學者為之努力的問題。帕博為這個問題開辟了一條研究道路,不僅給現(xiàn)今的古基因研究帶來了巨大的啟示,也為無數(shù)的科研工作者們提供了嶄新的方法道路。作為大學生,為了將來能夠更好地踏上科研道路,應追隨帕博,回顧他的研究歷程,探索他的研究方法,從中學習。習近平總書記在《加快建設科技強國》一文中,呼吁國內科研重視學科交叉融合大勢,同時指出了萬物智能互聯(lián)時代的到來,增強了科研精度,利用這些技術進步,未來的科研工作者仍然大有可為。作為醫(yī)藥研究的一分子,我們應當看到新冠疫情對醫(yī)藥研究的推動和圍繞疫情展開的搶占科技制高點的競爭博弈。習近平總書記在二十大報告中指出:“雖然我國科技獨立自主性增強,經費和科研人員數(shù)呈上升趨勢,但是科技創(chuàng)新仍舊是短板,科技強國仍將作為長久發(fā)展戰(zhàn)略。”因此,對科技創(chuàng)新方法進行探究,刻不容緩。