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诺奖风云录——小病毒一己之力为人类贡献数次诺贝尔奖
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小病毒以一己之力为人类贡献了数次诺贝尔奖
作者：齐云龙
🔬一、引言
2024年诺贝尔生理学或医学奖——见“微”知著
正所谓“大道至简”，见“微”而知著。
2024年的诺贝尔生理学或医学奖颁给了两名研究微小核糖核酸的科学家。以表彰他们发现microRNA及其在后转录基因调控中发挥的作用。
举一个直观的例子，虽然同卵双生子（单卵双胞胎）拥有几乎完全相同的DNA序列，但他们仍然可能在外貌、性格、健康状况等方面大相径庭。这些差异主要归因于环境因素和表观遗传学调控，而microRNA（miRNA）的基因调控作用是其中的最重要机制之一。
据悉，现已知的人类基因组编码已有超过1000个microRNA。miRNA是一类小的非编码RNA分子，能够通过与特定的信使RNA（mRNA）结合，抑制其翻译或促进其降解，从而在转录后水平调控基因表达——（这一发现推翻了此前“所有基因都要最终翻译成蛋白质才能行使功能”的教科书论断）。
而同样“微”不足道的一类病毒——噬菌体却也促成了很多诺贝尔奖级别的研究，在此就来细数数。
作者点评：
噬菌体可谓“简”——而生命科学之道，生物治疗之道可谓“大”，由简入繁，由浅入深是研究的正途；
噬菌体可谓“微”——而地球宇宙空间，人体复杂运转可谓“著”，见微知著，由小见大是实践的常态。
二、噬菌体——堪比外星文明的产物
在科学的浩瀚星空中，噬菌体作为一类独特的病毒，以其独特的生命特性和广泛的应用价值，成为了众多科学突破的重要推手。从分子生物学的基础研究到生物技术的实际应用，噬菌体在多个领域都发挥了不可替代的作用，甚至直接或间接地促成了多项诺贝尔奖的诞生。
噬菌体的故事始于1915年，细菌学家弗雷德里克·图尔特首次描述了这类能够感染并杀死细菌的病毒。这一发现不仅为病毒学开辟了新的研究领域，也为后续的科学探索奠定了基础。尽管早期的研究受限于技术条件，但科学家们对噬菌体的兴趣却日益浓厚。
噬菌体的结构非常简单，只含有很少的遗传物质，它们会将自己的遗传物质注入细菌体内并“劫持”后者的新陈代谢作用，让细菌成为继续产生新噬菌体的工厂。
噬菌体以细菌为宿主，被我们归类为病毒。它个头虽不大，直径只有几十到几百纳米（相当于头发丝的千分之一左右），但它对于科学家可谓全身都是宝，它长相很有机械感，外形酷似机器人，从海洋到大陆无处不在，很像是外星高等文明给地球的礼物。
噬菌体结构看似简单，实则复杂而高度专业化，通常由头部（衣壳）、尾部和尾鞘组成。每个部分都有其独特的功能，在我们科研当中可谓大有用处。
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自1915年和1917年分别被William Twort和Félix d’Hérelle发现以来，人们在噬菌体治疗以及其他领域的应用一直在不断探索。
三、证实 DNA 是遗传物质
（1969 年诺贝尔生理学或医学奖）；
从20世纪30年代末开始的病毒学研究中，一种可以感染细菌和古细菌的病毒——噬菌体（bacteriophage），开始被研究者用作复制基因的模型。这也让人们逐渐开始了解病毒和细胞发生相互作用的种种特点。但是人们对动物病毒颗粒的化学性质及其复制方式的理解依然进展缓慢。直到20世纪50年代初，出现了细胞培养技术，病毒培养在此技术基础上得以实现突破，研究者们才有可能在实验室获得更多的动物病毒。
1969年，三位美国生物化学家阿尔弗莱德·赫尔希（Alfred Hershey）、萨尔瓦多·卢里亚（Salvador Luria）和马克斯·德尔布吕克（Max Delbrück）因为“关于病毒的复制机制和遗传结构的发现”而获得了当年的诺贝尔生理学或医学奖。他们于1952年通过研究发现，在噬菌体的繁殖过程中，核酸负责遗传连续性。这一发现为核酸是细胞的遗传物质提供了证据，也证明了噬菌体的遗传系统与高级生物的组织方式存在相似之处。一年之后的1953年，受到此研究的启发，沃森和克里克构建出了DNA双螺旋结构。
赫尔希和蔡斯在1952年的实验中使用了T2噬菌体来证明DNA是遗传物质。他们通过将噬菌体标记为35S（标记蛋白质）和32P（标记DNA），然后让这些标记的噬菌体侵染大肠杆菌，通过离心分离技术和放射性检测，证明了噬菌体在侵染过程中，其DNA进入细菌并指导子代噬菌体的合成，而蛋白质外壳则留在细菌外部。这一实验结果明确地支持了DNA作为遗传物质的理论，并且是科学界普遍接受这一观点的重要证据之一。
四、核酸限制内切酶的发现和应用
（1978 年诺贝尔生理学或医学奖）
萨尔瓦多·爱德华·卢里亚（Salvador Edward Luria，1969年诺贝尔生理学或医学奖得主）曾在实验中观察到，噬菌体不仅能诱发细菌细胞内的突变，而且其本身也会发生突变，阿尔伯对这个现象也深感兴趣。20世纪50年代末60年代初，他与同事在卢里亚的研究基础上，对噬菌体在寄生体内发生的可遗传的突变做了进一步的研究。
实验室里的阿尔伯
瑞士分子生物学家、遗传学家沃纳·阿尔伯（Werner Arber, 1929.6.3～ )。利用噬菌体研究紫外线对生物体基因突变的影响，发现大肠杆菌感染噬菌体有的繁殖，有的不繁殖。通过进一步的研究和推理，他认为噬菌体进入细菌细胞后，细菌细胞能够释放出一种酶，这种酶一旦发现外来的DNA（噬菌体），便将其切割、分裂，使之大部分或全部失活，以此遏制噬菌体在细菌细胞内的生长与存活，从而保护自己。他将这种酶称为DNA限制性内切酶。
阿尔伯首次从理论上提出了DNA限制性内切酶的存在，并且认为人类可以运用DNA限制性内切酶对重要遗传物质DNA分子的特定部位进行切割，为不同DNA之间的连接创造必不可少的条件。1968年，阿尔伯等还成功地分离出I型DNA限制性内切酶，但是这种酶切割DNA分子的效果并不是像预期那样好。
在阿尔伯研究的基础上，美国微生物学家汉弥尔顿·奥塞内尔·史密斯（Hamilton Othanel Smith)发现了切割DNA分子效果非常好的II型限制性内切酶（Hind II）。此后，美国分子生物学家丹尼尔·那森斯（Daniel Nathans）利用Hind II来测定DNA碱基排列顺序，并作为分离DNA的工具，首次成功完成了DNA的人工切割。史密斯和那森斯的工作证实了阿尔伯的理论，阿尔伯由此成为现代生物技术工程这个新学科的先驱者。
DNA限制性内切酶的发现和制备成功，为基因切割提供了有效手段，从而为重组DNA技术的创立和应用奠定了基础，也为现代生物工程技术的建立和发展展示了美好的前景。同时人类可以利用限制性内切酶，来发现和预防多种基因遗传性疾病。
因发现限制性内切酶及其在分子遗传学方面的应用，阿尔伯和史密斯、那森斯共同获得了1978年诺贝尔生理学或医学奖。
五、首次对噬菌体 ϕX174 基因组进行 DNA 测序
（1980 年诺贝尔化学奖）
噬菌体不仅是遗传学研究的重要工具，还在分子生物学的发展中扮演了关键角色。随着遗传学密码的解析和基因组测序技术的进步，噬菌体因其基因组小、复制周期短等特点，成为了理想的实验对象。
1977年，Walter Gilbert和Frederick Sanger发明了第一台测序仪，并应用其测定了噬菌体X174的基因组序列，全长5375个碱基，这是第一个被全基因组测序的生物。他们也因在测序技术中的贡献获得了1980年诺贝尔化学奖。当时的测序技术主要有两种——即Sanger法（链终止法）和化学法（链降解法，由Maxam和Gilbert发明），都属于第一代DNA测序技术：
测序意义
这一成果开启了人类探索生命遗传本质的新时代，让人们有能力去解读生物的基因信息。为后续基因测序技术的发展奠定了基础，成为后续测序技术不断改进和创新的起点。
这在当时是分子生物学研究的一个重大突破，对噬菌体本身的研究也进入到了基因组层面，有助于深入了解噬菌体的结构、功能以及其与宿主的相互作用等方面的信息，也为后续的生物信息学研究提供了宝贵的数据资源。
六、“噬菌体展示”技术
（2018年诺贝尔化学奖）
驾驭演化的力量，创造“噬菌体展示技术”
1983年，乔治·史密斯正处于休假状态，借此机会他在杜克大学著名的丝状噬菌体实验室开展了感兴趣的噬菌体研究。在那里，他将外源性的DNA片段插入了编码噬菌体病毒外壳蛋白的噬菌体基因III，从而创造出了融合蛋白。这些融合蛋白可以显示在噬菌体的表面，因此这种技术被称为“噬菌体展示”。随后，乔治将各种基因插入噬菌体基因III，观察和记录了产生的蛋白质。1985年，乔治在《科学》杂志上发表了首篇关于“噬菌体展示”的论文。
乔治开发的这项技术为研究人员提供了一种简单有效的手段，可以将外源蛋白或肽展示在噬菌体表面，然后使得科学家们可以通过抗体识别和选择来分离和纯化感兴趣的融合蛋白。这一技术的发展对于生物医学研究和生物技术应用具有重要意义，通过创造出一个大而多样化的可能性集合，并选择具有最理想特性的那些蛋白质，使定向演化出新的蛋白质成为了可能。
在噬菌体展示技术的基础上，格雷格·温特爵士完成了抗体的定向演化，并以此生产了新的抗体药物。他和同事们通过将鼠源抗体药物人源化，开发出了首个利用“噬菌体展示”技术产生的人类抗体疗法——阿达木单抗（adalimumab）。2002年，该疗法获美国FDA批准上市，用于治疗类风湿性关节炎。阿达木单抗的成功激发了更多基于“噬菌体展示”技术的抗体药物研究的开展。如今，基于该技术的多种抗体疗法已被广泛应用于包括癌症、自身免疫性疾病在内的各类疾病。
2018年，为表彰乔治·史密斯博士在“噬菌体展示”技术上开创性的贡献，诺贝尔奖委员会授予其当年的诺贝尔化学奖，一同获奖的还有格雷格·温特爵士，以及实现了酶的定向演化的弗朗西斯·阿诺德博士。
乔治·史密斯博士的“噬菌体展示”技术，无疑是现代生物医学研究的一大里程碑。通过这一创造性方法，他为我们打开了一个全新的研究领域，为抗体疗法的发展奠定了坚实基础。
诺贝尔委员会表示：“我们正处于定向演化革命的初期阶段，这将以许多不同的方式，为人类持续带来巨大的获益。”
七、CRISPR/Cas9 基因编辑技术
（2023 年诺贝尔化学奖）
2023年诺贝尔化学奖授予了Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna，以表彰她们在开发出一种更简单、更精确的CRISPR-Cas9基因编辑方法上的贡献。她们的工作使得科学家能够更有效地利用CRISPR-Cas9系统进行基因编辑，极大地推动了生物技术领域的发展。
CRISPR/Cas9 基因编辑技术与噬菌体的关联CRISPR/Cas9 技术的发现背景
CRISPR/Cas9 基因编辑技术的发现与噬菌体有直接的关联。CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）序列最初是在细菌中发现的，这些序列是细菌用来抵御噬菌体侵袭的一种免疫机制。细菌通过将噬菌体的DNA片段整合到自己的基因组中，形成CRISPR序列，从而在未来的感染中能够识别并切割这些外来DNA，达到防御的目的。
噬菌体在CRISPR/Cas9技术中的作用
噬菌体作为病毒的一种，专门感染细菌。在CRISPR/Cas9技术的发展过程中，噬菌体扮演了“攻击者”的角色，其DNA被细菌捕获并整合到CRISPR序列中。这些被整合的噬菌体DNA片段，即间隔序列（spacers），在细菌的CRISPR/Cas系统中起到了识别和切割外来DNA的作用。当细菌再次遭遇相同的噬菌体时，CRISPR/Cas系统能够利用这些间隔序列来指导Cas蛋白（如Cas9）识别并切割入侵的噬菌体DNA，从而保护细菌免受感染。
CRISPR/Cas9 技术的诺贝尔化学奖认可
CRISPR/Cas9技术因其在基因编辑领域的革命性贡献而获得了2023年诺贝尔化学奖。这一技术的发现和应用，不仅在基础科学研究中具有重大意义，而且在医学、农业、生物技术等多个领域展现了巨大的应用潜力。CRISPR/Cas9技术的开发和优化，使得科学家能够以前所未有的精确度和效率对基因进行编辑，这在很大程度上得益于对细菌与噬菌体相互作用机制的理解。
🌐 八、结语
噬菌体作为科学探索的重要工具，不仅推动了遗传学、分子生物学和生物技术等多个领域的发展，还直接或间接地促成了多项诺贝尔奖的诞生。从遗传物质的发现到基因编辑技术的应用，从药物研发到临床治疗，噬菌体的贡献无处不在。
截止到今日，噬菌体已应用广泛。（1）作为分子生物学研究的试验工具：噬菌体是遗传调控、复制、转录与翻译等方面的生物学基础研究和基因工程中的重要材料或工具。（2）用于细菌的鉴定和分型；（3）噬茵体展示技术和噬菌体抗体库在（4）用于检测和控制致病菌。噬菌体在宿主细胞中生长繁殖，能够引起致病菌的裂解，降低致病菌的密度，从而减少或避免致病菌感染或发病的机会，达到治疗和预防疾病的目的，即“噬菌体疗法”。此疗法已广泛应用于兽医、农业、食品微生物学和人体细菌感染治疗等领域。
噬菌体在多个领域有着重要的科研价值，从基础研究到应用开发，无一不彰显出噬菌体的独特优势和广泛应用前景。毫无疑问，噬菌体将继续促进我们对多种生物和化学过程的理解，并在未来带来重大发现。自从 Félix d'Hérelle 首次认识到噬菌体可用于控制微生物感染以来，研究人员不断改进这种方法，并探索使用几种噬菌体成分，它们的独特功能正在逐渐实现。
噬菌体为生物医药研究者提供了无穷的发现和创新空间。噬菌体凭借其独特的结构和功能，正在成为科学研究的新宠，值得我们持续关注和深入挖掘。随着科学技术的不断进步和人们对噬菌体认识的深入，相信未来噬菌体还将在更多领域发挥重要作用，为人类的健康和福祉做出更大的贡献。
参考链接：
诺贝尔奖官网：https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2024/press-release/
诺贝尔生理学或医学奖名人堂121：阿尔伯. https://society.sohu.com/a/503292559_799846
他与地球上最古老生物的奇妙邂逅，引发了一场抗体疗法革命. https://zhuanlan.zhihu.com/p/655580066
被诺奖记录的疫苗进化史. https://www.lifeweek.com.cn/h5/article/detail.do?artId=212347
2018 Nobel Prize winner did much of his work at Duke University. Retrieved September 8，2023，from https://abc11.com/nobel-prize-duke-george-p-smith/4402640/
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介绍：这是种病毒，却全身都是宝
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