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2009年諾貝爾化學獎主題:核醣體的化學

三位2009年的諾貝爾化學獎得主,Ada E. Yonath,Thomas A. Steitz與Venkatraman Ramakrishnan,是因為他們對核糖體在原子層次所描繪出的結構而得獎。核糖體是細胞中一種最為複雜的機器,它讀取信使RNA的訊息,基於這個訊息,它製造出蛋白質,科學家稱之為轉譯,就是在這個轉譯的過程當中,也就是DNA/RNA的語言轉變成蛋白質的語言時,生命達到了其複雜度的頂點。
 
身體包含了數以萬計的各種蛋白質,以驚人的精準度控制著身體的運作,幾個這些蛋白質的例子包括:血紅素,它將氧氣從肺攜帶至身體的其它部位;胰島素,它控制著血液中血糖的濃度;可以捕捉病毒的抗體;還有角質蛋白(keratin),它組成了頭髮和指甲。
 
從細菌到人體,核糖體存在於所有組織中的所有細胞,由於沒有任何生物體可以沒有核糖體而生存,它就成為了發展藥物的完美目標。現今許多的抗生素就是去攻擊細菌的核糖體,但卻不會影響人體的核糖體。今年諾貝爾化學獎得主所提供給我們的知識,正可以運用在發展新的抗生素,但是等一下我們再回到這一點,讓我們先回溯一下,在二十世紀中期吸引了許多化學及生物學家的一個謎團:從化學的觀點來看,生命是如何運作的?

在1940年代初期,對於細胞的描繪已進展到一個層次,讓科學家瞭解遺傳的特徵是由核糖體來攜帶的。核糖體是由核酸(DNA)與蛋白質所組成(圖一),大多數的科學家們認為是蛋白質攜帶了遺傳的特徵,因為它們遠比核酸複雜。
 
當時的科學家們被蛋白質所吸引,已知有些蛋白質可以作為建材,另有一些譬如酶,可促發並控制化學反應,然而即使它們在細胞中扮演那麼多的角色,所有的蛋白質都是由共同的建材所組成的,也就是二十個不同種類的胺基酸。就像是一串珍珠,這些胺基酸串連成為一個長鏈(圖三),連結它們的是一種胜肽鍵,那是一個非常穩定的鍵結。一個蛋白質的鏈可以是由十到百到上千個胺基酸所組成,譬如胰島素就比血紅素短了許多。

一個石破天驚的發現,往往來自於一位鑽研著未曾被染指的領域之開拓者,在現在這個例子中,Ada Yonath就是一位開拓者。在1970年代的末期,她決定去取得核糖體的X光繞射晶體結構,在那個時候,大部份的人認為這是不可能做到的。
 
在進行X光繞射光譜實驗中,實驗者將X光瞄準一顆晶體,例如一個蛋白質,當光線撞擊到原子時它們被散射,而在另一端實驗者紀錄下光線被如何散開,在之前這是利用照相底片來做到,它會被光線照黑,現在則是使用數位式照相機中所使用的CCD偵檢器(這也是2009年諾貝爾物理獎的一個焦點),透過分析黑點所組成的圖案,實驗者可以定出在一個蛋白質中各原子座落的位置。
 
希望這種實驗能成功,則使用的晶體必須近乎完美,這樣的晶體才能產生出精確的圖案,而且是不斷的重複的圖案;帶著一點的運氣,當鹽水慢慢的揮發時,可以得到漂亮的鹽晶體,但是若將一盆鹽水煮乾,鹽只會在盆底形成一片單調的鹽層,不同的條件會得到或多或少有用的晶體。
 
大體上,上述的狀況亦適用在取得X光繞射級的晶體,只不過要得到高品質的蛋白質晶體是一件非常困難的工作,而且蛋白質的錯合物越龐大,這份工作就越艱難。
 
因此許多人對Ada Yonath的眼光頗為懷疑,核糖體是一種最為複雜的蛋白質/RNA錯合物之一,它分為兩個部份,一個小單元和一個大單元。核糖體的小單元是由一個大的RNA分子與大約32個蛋白質所組成。大單元則是由三個RNA分子與大約46個蛋白質所組成。因此每一個單元都是由上千個核苷酸和上千個蛋白質所組成,換言之就是由上萬個原子所組成,而Ada Yonath企圖建立每一個原子在核糖體中的精確位置。
 
溫泉與死海 越嚴酷的條件得到越好的晶體
當Ada Yonath決定將核糖體結晶出來時,她選擇使用在嚴酷的條件下生存的細菌。Geobacillus stearothermophilus (嗜熱桿菌)可以生存在溫泉中且可以忍耐高達75 oC的溫度,Ada Yonath的假設是,要適應這種條件,細菌的核糖體必須非常的穩定,也因此可以生成較佳的晶體。
 
在1980年她已經設法得到了第一個核糖體的大單元之晶體,雖然這個晶體離完美還很遠,但這已是一個了不起的成就。
 
實際上又花了20年的辛苦工作,Ada Yonath設法得到了一張核糖體的圖像,而從其中可定出每一個原子的位置。她嘗試過許多新的方法,例如她將晶體冷凍在 -196 oC的液態氮中以穩定晶體,她也嘗試過結晶其它具有耐力的微生物中的核糖體,其中之一是附近找到的 — 一種生活在死海的嗜鹽菌Haloarcula marismorlui
 
一步一步的,Ada Yonath終於接近了她的目標,終於大家體認到核糖體的原子結構是可以被描繪的,因此有更多的科學家加入了這場競賽,其中的兩位是Thomas Steiz與 Venkatraman Ramakrishnan。
 
一個由數百萬黑點組成的圖形所包覆的意義
在1990年代Ada Yonath的晶體已經具有了相當不錯的品質,那些黑點組成的圖案已經詳細到足以決定核糖體晶體中的原子位置,但仍然還有一個相當困難的障礙,那就是X光繞射光譜中的“相位問題”為了從黑點組成的圖案決定出一個結構,科學家需要知道每一個黑點的“相位角度(phase angle)”這個數學的資訊悠關原子在晶體中的位置。
 
一個科學家為了決定相位角度時常用的招數就是將之浸入一些重原子中,例如汞,那些重原子將會附著於核糖體的晶體表面,藉著比較有附著重原子和沒有附著重原子的晶體繞射圖案,科學家可以決定相位角度。
 
不過由於核糖體是非常的巨大,因此表面附著了過多的重原子,因此很難立刻的決定其相位角度。為了解決這個問題,就必須取得更多的資訊。
 
最終是由Thomas Steiz解決了這個問題,他使用了由一位電子顯微鏡專家Joachim Frank所取得的核糖體圖像,透過這些圖像的幫助,Thomas Steiz可以找出核糖體在晶體中座落的方位如何(但是其解析度無法讓他判定個別原子的位置),這個資訊結合了由重原子所得到的訊息,終於得到了相位角度。
 
20年工作後的結論
在1998年,Thomas Steiz發表了第一個核糖體的大單元之晶體結構,它像是一張模糊的相片,具有9 Å (1 Å等於一毫米的百萬分之一)的解析度,這種解析度無法看到每一個原子,但的確可以看出核糖體的那幾個很長的RNA分子,這是一個具有決定性的突破。
 
現在相位角度的問題終於解決,剩下來就是去改進晶體的品質以及收取更多的數據,以便增加圖像的清晰度,而今年的諾貝爾獎得主們幾乎同時的抵達終點線。在2000年的八月及九月,他們發表的晶體結構之解析度,已經讓他們能解出各原子的位置。Thomas Steiz設法取得了由嗜鹽菌Haloarcula marismorlui之核糖體的大單元之結構;Ada Yonath與Venkatraman Ramakrishnan從Thermus thermophilus 獲得了小單元之結構,因此現在可以從最基礎的原子層次繪製核糖體功能的圖像。
 
小單元的“雙重檢驗”
一個核糖體長久以來吸引了科學家們的特質,就是當它在轉譯DNA/RNA的語言成為蛋白質的語言時,很少會犯錯。如果一個胺基酸被錯誤的置入,得到的蛋白質將會喪失其功能,或更糟的具有一個完全不同的功能。
 
要讓一個胺基酸被正確的選取,最主要決定於tRNA與mRNA之間生成的鹼基配對(圖三),不過這個配對的過程不足以解釋核糖體的精準度。
 
Venkatraman Ramakrishnan的核糖體小單元之晶體結構,對於瞭解核糖體如何的達成其精準度,提供了一個關鍵的瞭解,他發現了一個可以稱之為分子尺規的東西(圖三),在小單元中的rRNA的數個核苷酸,用以量度在mRNA上的密碼子與tRNA上的反密碼子之間的距離,如果距離不對,tRNA分子就會從核糖體上脫落。
 
用這把尺量兩次,核糖體雙重的檢驗是否一切正確,這樣可以保證錯誤發生的機率只會在每十萬個胺基酸中出現一次。
 
大單元將珍珠串成鏈
核糖體的大單元扮演的角色主要在合成新的蛋白質,它觸發了胺基酸之間的胜肽鍵之生成。要得到這個化學反應每一步的圖像是很困難的,因為它是以一個驚人的速度發生在原子的層次,在一個單一的核糖體上,每秒鐘大約可以生成20個胜肽鍵。
 
Thomas Steiz卻設法凍結了這個化學反應於不同的時刻,他將大單元與在胜肽鍵生成時所參與的分子結構類似物,共同結晶出來,藉著這些結構的幫助,科學家們已經可以決定核糖體中的哪些原子對反應是重要的,以及反應如何的發生。
 
2009年的諾貝爾化學獎得主們打造了一個在原子層次的瞭解,說明了大自然如何將一個簡單到由四個字母所組合出的密碼,轉變成一個複雜如生命體本身 — 正如華生在1964年所預測的一般。而這些由好奇心所驅策的研究,也如同過去多次發生的一樣,具有實際的運用性,這一次這樣的知識對於新的抗生素的研發證實是很有用的。
 
核糖體 一個新抗生素的標的物
今天人類擁有各種抗生素的彈藥庫,用來對抗產生疾病的細菌,許多抗生素殺死細菌的方式是阻礙其核糖體的功能,不過細菌也會以令人擔心的速度對這些藥物產生抗拒力,因此我們需要更多新的藥物。
 
今年的三位諾貝爾化學獎得主都獲得了一些結構,顯示出不同的抗生素如何的與核糖體結合,其中一些阻塞了成長中的蛋白質脫離核糖體的管道,另一些防止了胺基酸之間生成胜肽鍵,還有一些破壞了將DNA/RNA的語言轉譯成為蛋白質的語言之過程。
 
好幾個公司現在運用核糖體的結構來開發新的抗生素(圖五),有些藥物已經進入了臨床的實驗,希望能解決多重抗藥性病菌的問題(例如抗藥性金黃色葡萄球菌;MRSA)。
 
瞭解核糖體的結構和功能對人類具有極重要且立即的運用,Ada E. Yonath,Thomas A. Steitz與Venkatraman Ramakrishnan的成就,不僅對瞭解生命的核心如何的運作是非常重要的,也同時能挽救許多的生命。

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