疾病与衰老的秘密,藏在数理化、生物学与哲学的交汇处

科技   2024-09-12 11:12   上海  


不久之前,华裔教授单舒瓯获得了美国国家科学院分子生物学奖,以表彰她在理解蛋白质折叠及分子伴侣工作机制上的杰出贡献。在获奖感言里,单舒瓯形容自己的研究是化学、物理、数学、哲学与生物学的美妙交汇,深刻影响人类健康的科学问题。这究竟是一个什么样的问题,可以产生哪些影响?


回顾单舒瓯的学术历程,她从上海高中毕业后,就前往美国读书,获得斯坦福大学生物化学博士学位,如今在加州理工学院任分子生物学教授。一路走来,她对科学和学术研究有怎样的认识,好的研究者又应该具备什么样的素质?


硅谷徐老师与单舒瓯是高中校友,在二人的对谈中,这些问题得到了解答。以下为对话要点,文末还有完整音频,也可在各大音频、播客平台搜索「科技早知道」收听,不要错过。



硅谷徐老师

能不能先用比较通俗易懂的语言解释一下你的工作?

单舒瓯教授

生物学最基本的一个问题是解释基因组和环境的互相作用,以及由此产生的细胞或者生物体的各种现象。从基因型(genotype)到表现型(phenotype),中间有一系列逻辑串。基因在细胞核由脱氧核糖核酸组成,是 DNA;DNA 里的基因信息复刻到传递分子 RNA;RNA 从细胞核到细胞质,再翻译成蛋白质。大多数的人体功能是蛋白质完成的。


但蛋白质刚生成时候,是由氨基酸组成的单链,没有三维结构。这种状态的蛋白质是没有用的。有一个定理,结构产生功能,蛋白质的结构变了以后,它的功能也会有变化。单链的一串氨基酸,形成三维的结构,就是蛋白折叠过程。这个结构对于每一种蛋白来说是单一的,就像一个数学公式,有解而且有唯一解。


氨基酸通过肽键连接在一起,形成多肽链。一条或多条多肽链扭转成 3D 形状,形成蛋白质。蛋白质具有复杂的形状,包括各种折叠、环和曲线。|图源:ThoughtCo.


硅谷徐老师

蛋白的序列解出来后有什么用?能够带给我们怎样的价值?

单舒瓯教授

结构决定功能。如果有足够的生物化学知识,你可以根据蛋白的结构去预判它的功能是什么。比如这一块可以做什么,那一块可以做什么,这边有一个洞,这个洞里可能会发生什么。蛋白质怎样从单链折叠成三维结构,从物理、化学角度都是一个难的命题,对生物体来说是一个很难很复杂的过程。


还有一个问题,折叠是会出错的,而且出错的几率非常高。特别是跟疾病有关的那些膜蛋白,正确折叠几率只有 30%。在这种情况下,细胞就需要去消除折叠错误的蛋白。那么细胞怎么做好这件事?就牵涉到另一组蛋白——伴侣蛋白,伴侣蛋白最大的功能就是在蛋白质没有折叠好,或没有折叠对的情况下,把它识别出来,然后粘合上去,防止错误折叠的发生, 或者帮助错误的蛋白复原到对的情况,或者干脆给细胞一个信号,把错误的蛋白消灭掉。


很多疾病归根结底是蛋白质折叠错造成的。最多是一些老年疾病,阿尔兹海默症是因为淀粉样蛋白(Aß)蛋白长错了或折叠错了,变成一个聚合体;帕金森症主要是 α-突触核蛋白(α-syn)折叠错了,变成很大的有毒的聚合体,把神经元都杀掉了。所以,蛋白质需要折叠成功,如果没有折叠成功,对细胞来说是非常危险的。


我很多时间花在基础理解上,包括这些伴侣蛋白以及各种大分子机器,是怎么把新生成的蛋白送到细胞对的地方,折叠成对的结构;如果折叠错了,又怎么去复原。我们先要理解这些机制,才能去解决问题,或者说制药。

硅谷徐老师

你觉得我们离真正理解蛋白质还有多远?最近十年二十年我们有多少进展?

单舒瓯教授

任重而道远。生物还是在一个发展特别快的阶段。分子生物学是最基础的,把分子放在细胞的环境里,又增加很多复杂度,因为永远有还没有发现的分子。再把分子放进活体里,比如小老鼠,复杂度又更进一层。从分子到细胞,再到整个生物体,衔接的发展还是比较慢的。


就分子生物而言,大的原理比较清楚了,但还没有到可以精准预判的程度。和物理学可以发射火箭、送卫星上轨道比起来,还是差很远。

硅谷徐老师

那我们离发明可以延缓衰老的药,还有多远呢?

单舒瓯教授

人类老化的问题,很一大部分也是蛋白质折叠的问题。每个生物体到了性成熟的时候,一些基因线路会被激活,这些线路最终打到的靶是控制所有伴侣蛋白的。靶开了,伴侣蛋白生成得比较多,蛋白质折叠就比较好。性成熟以后,这个靶就慢慢关上。年纪越大,细胞里的伴侣蛋白就越少,蛋白质折叠成功的也就越少。在小动物, 比如秀丽隐杆线虫上的实验,如果用外界干预的方式,把这个靶打开,这些虫的寿命比正常的要长 5 倍,而且老年也很健康。但是这种干预会影响生育能力, 效果也是越早越好。所以生物在进化的时候,已经对生命周期做了一些把控,保证你活到足够长,可以繁衍后代、照顾后代。


我现在比较朴素的想法,是把这种方法用在治疗老年疾病上,比如阿兹海默症等,因为这些疾病对社会、对个人、对家庭的影响都特别大。所以我们的目标是尽量提高他们最后几年的生活质量。不可能每个人在年轻时,都通过干预延长寿命,但当你开始出现老年疾病的症状或问题,第一是越早诊断越好,第二我们尽量终止循环恶化的过程,保证大家最后几年活得健康有尊严。这是今天的基础研究可能会起一些作用的。


比如 FDA(美国食品药品监督管理局)最近批准的阿尔兹海默症药物,是针对 Aß 蛋白的聚合体的抗体,虽然效果不是特别好,但它们有一些成功,说明这个方向是对的。根据实验结果,我觉得可以试一试用伴侣蛋白去做,效果应该更好一些。



硅谷徐老师

能不能介绍一下你是怎么走上科研这条路的?

单舒瓯教授

我们的高中华东师范大学第二附中理科特别强,但你可能记得中学时我有很长时间不知道学文科还是理科。


我十四五岁时看的一些杂志,有青少年科普类的,我很喜欢看里面的科技史。有一天看到发现海王星的过程,说是哈雷去牛顿家里拜访,问牛顿行星运行的轨道是什么样的。牛顿说是椭圆的,我已经算过了,但是计算过程丢了。哈雷就花了很大力气,让牛顿把过程写出来,其实那就是微积分的诞生,也是现代科学的第一步。同一时期还有一个未解之谜,就是天王星的轨道不太符合牛顿的理论。所以科学家提出假设,可能还存在一颗行星,干扰了天王星的轨道。所以海王星的轨道是两个数学家约翰·库奇·亚当斯(John Couch Adams)和于尔班·让·约瑟夫·勒威耶(Urbain Jean Joseph Le Verrier)根据牛顿的理论算出来的。天文学家把望远镜对准天空那一块,就发现新的行星就在那。


「旅行者」2号探测器所拍摄的海王星|图源:NASA


我读到这个故事是很震撼的。我们在中学,基础打得非常扎实,但老师没有系统讲过科学的方法是什么,读了那一个故事我突然明白了科学方法是什么,就是大胆推想,但是要严格推测,用实验去证明。那时我就决定,我是要做科学的。


后来高中化学课讲有机化学,讲到 DNA 的复刻,DNA 是双链的,其中每一个单链就是一个样本,你可以照着样本去复刻,就解释了遗传的各种现象。这对我来说也是很震撼的事。科学的精神一直是从现象看本质,就像行星椭圆形运转,是现象,牛顿的动力学是本质。这堂课之后,我就明白生物现象的本质,是生物分子的作用,而且是基于物理化学原理上的。


现在回想起来,我的性格也是应该做科学的。真实性对我特别重要,如果一个东西含糊不清或是假的,我会本能地抗拒。科学的方法能比较有效地让你靠近真实性。

硅谷徐老师

你怎么看待工业界和学术界两条职业道路?应该如何选择?

单舒瓯教授

很多时候是看你是一个概念性的人,还是比较实用性的人。


整体来说,学术界需要的人才量比较少。每个学校教职数量是固定的,大多数博士生是没有终身教授职位的。这个职位需要的也是一群比较特殊的人,比如特别喜欢纠根问底,对学界未来有很多的展望和想法,并且想要自己实践这些想法的。


学术界需要概念性比较强的人,我们大多数时候是在想比较抽象的、框架性的问题。比如你要知道你研究的课题里和你相关的所有知识是什么,这些知识是从哪里来的,是根据哪些早先的实验构成的,这个领域里最大的问题是什么,哪些问题解决了,哪些问题还没有解决,最大的障碍是什么,你有没有能力或想法去解决这些问题。


此外,高校是有教育功能的,大多数时候是需要教书的。所以你要喜欢学生,喜欢把你的知识和想法与学生分享。学校里自由空间是很大的,有和你同样有好奇心但想法和专长与你不太一样的人,可以和他们互相碰撞出新的火花。如果你很喜欢这些过程,高校的职位是比较适合的。


在公司里做事,单项职能的责任更大,一件事你必须定点定时完成。公司需要一些很能干的人,要产出一个产品。你如果是特别喜欢做一个有用的东西,并且愿意花时间去想怎么把它一点一点做得更好,公司对你来说是比较合适的。

硅谷徐老师

哪些特质帮助你在学术道路上取得了成功,也是你在录取学生时特别看重的?

单舒瓯教授

喜欢追根究底,兴趣面比较广,对自己的要求比较高。假设需要做一个实验,一个学生是导师说什么,就做了什么;另一个学生是听了导师说的东西后,去读文献,又有了一些别的想法,再跟导师讨论是不是可以这样做,就可能会有一些意外的结果。最开始这些想法大多数是不好的,但这是一个自我修炼,自我提升的过程。经过不断尝试,对于这个领域什么重要,什么不重要,什么可行,什么不可行,你的直觉会越来越好,5 年后就可以成长为一个成熟的学者。这就是学者的素质,很多时候是学生自我能动性的问题。


另外实验当中有很大的部分是偶然性。实验不成功是常态,而且很多时候会给你意想不到的结果。那么有没有能力抓到这些偶然的结果,知道这其实是一个突破,就看平时积累是否充分,平时有没有花功夫去想那些更大的问题。

硅谷徐老师

你高中毕业后就在美国读书,也会接触一些国内的学生,你对中美两国的教育有什么观察和思考?

单舒瓯教授

国内或者亚洲体制下出来的学生,基础都打得非常好,很早就找到了一个专注的领域,会很专心地去做。相比之下,西方或者美国体制的学生,他们精力很旺盛、想法特别多,当然很多想法是错的,但是他们很自信,即使给他们设定了一些研究路径,他们还是会不断尝试别的方法。这点有好有不好,多数时候不靠谱,但有时也会给你一些原先没有想到的点。


另外,我觉得美国学生的团体参与度和社会参与度普遍比较高。比如一个实验没有做成,某个试剂出了问题,他们会很快通知全实验室;如果他们尝试了新的不错的东西,也很愿意分享。很多时候一个实验室的运行,其实是一个团队的运行,和一个创业公司差不多,需要一些团队精神。每年招新生的时候,需要每个实验室带一下新生,给新生介绍实验室的情况,还有博士生组成的委员会,参与的多是美国学生,亚裔学生比例很少。

硅谷徐老师

从女性的角度,你还有什么经验可以分享?

单舒瓯教授

女生普遍来说表现出来的自信度没有男生高。这其实要分两面看,大多数女生因为不那么自信,做一件事会做更多准备,所以可以做得更好。但我想要提醒的一点是,如果一件事情失败了,是要再去试的。心理学家对自信有另一种定义,就是失败了以后还会去继续做,把失败当成一次学习的经验。不太自信的人失败了以后就不敢尝试了,觉得自己不行。



硅谷徐老师

蛋白质结构预测模型 AlphaFold 现在很火,它对你的工作有什么影响?

单舒瓯教授

还是回到我们开始说的分子生物学的大问题——蛋白质折叠预测,就是你知道了蛋白质的序列,能不能推测出它的三维结构,这是计算生物学里比较大和较难的命题。每年有一个比赛,公布出来一个新的蛋白序列,各个实验室用各自的算法预测结构,最后看谁预测对了。


AlphaFold 是谷歌 DeepMind 团队用机器学习的方式来解决这个问题。从 2021 年发布以后,它就开始赢预测的比赛,预测出来结构可信度相当高。


机器学习需要大量的数据,现在有两个非常好的数据库。一个是人类基因计划,我们有很多不同生物体内蛋白的基因序列,另一个是蛋白结构数据库,有几十万的结构已经解过和验证过。AlphaFold 利用了这两个大的数据库,如果有一个新的蛋白,可以去和别的生物体内相应的蛋白序列比对,找到相似度非常高的蛋白序列,然后可以去对结构的相似度。


领导人工智能程序 AlphaFold 开发的德米斯·哈萨比斯 (Demis Hassabis) 和约翰·江珀 (John Jumper) 因预测蛋白质 3D 形状的“革命性技术”共同获得了 25 万美元的拉斯克基础医学研究奖。|图源:Getty Images


现在 AlphaFold 可以做到预判两个蛋白是不是可以结合,一个蛋白是不是可以跟小分子结合。这就离制药比较近了,因为很多药其实就是小分子和一个蛋白复合,或是和蛋白比较重要的点复合。可以先用 AlphaFold 做一些模拟筛选,原先手工只能做几百个,利用 AlphaFold 可以做几百万个,接着筛选到几百个可以去做实验的,再去实验验证。


不过,从 Alphafold 到真的制药之间还有好几步。AlphaFold 的模型还只是分子模型,细胞里有几万个别的蛋白,你不能保证这个小分子和蛋白的运作在细胞里没有别的干扰。另外,细胞这部分做完,还是要到动物上再做实验,又有另一层的生物复杂性。最艰难的,当然是最后的临床经验。

硅谷徐老师

最后我们讲一讲 AI 浪潮,你觉得 AI 对今天的年轻人和教育会产生哪些影响?

单舒瓯教授

我一直觉得教育最重要的是要养成一个人学习的习惯和态度,让这个人有很多好奇心。当思考这件事为什么发生成为一件很快乐的事,学习就不是一种负担或是一件很苦的事,一辈子也会有很多学习和上进的机会,也就可以更好地去适应社会的变化。因为现在的挑战是 AI,下一次还不知道是什么。


AI 简化了很多事情,比如最开始的蛋白结构是靠手解的,是结构学家靠运算算出来的,现在有了AI,大家把实验数据输入进去,结果就出来了。但这也带来一些危险,因为没有经过手解的过程,你对就没有很深入地理解,是会影响以后接着往下走的。所以现在有些做结构的学生,还是会很认真地自己手解一遍结构。


很多时候人最强的能力是一种综合能力,我们碰到未知的东西,会根据过去的经验去预判,去做决定。这个和计算机,和现在的 AI 还是很不一样的。我觉还是不要把学习当成一个输入产出的过程。一道题来了,把题解了就完了,而是要多想想为什么。我们中国人有很多词语去说这件事情,融会贯通、举一反三、触类旁通。完全理解了一个原理,是可以去推很多东西的。尽量不要把自己学成一个 AI,把做作业当成数据输入,把考试当成输出,还是要多一些好奇心,为自己学习。



AI 的出现让解决科学问题有了更便捷的路径,但真正能推动科学再进一步的,还是人类的好奇心,以及对真理的无尽追求。


你对什么科学问题产生过好奇和研究兴趣吗,是什么触动了你?欢迎在评论区分享。


以上对话整理自

声动活泼旗下播客「科技早知道」

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监制/徐涛

编审/东君

编辑/Xinghan

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