□河北日報記者 王璐丹
今年10月，隨著一年一度的諾貝爾獎“開獎周”落幕，2020年諾貝爾生理學或醫(yī)學、物理、化學等自然科學獎項得主也塵埃落定。無論是丙型肝炎病毒的發(fā)現(xiàn)，還是在黑洞理論和觀測研究方面取得的突破性進展，抑或是CRISPR/Cas9基因組編輯方法的開發(fā)，都在人類認識和改造自然的過程中將人類知識向前推進了“一小步”。正是這些“一小步”的匯聚，讓科學為人類作出了巨大貢獻。
生理學或醫(yī)學獎：捕獲狡猾病毒的“獵手”
提起丙型肝炎病毒，大家可能對它的兄弟甲肝與乙肝病毒耳熟能詳。
今年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎3位得主哈維·阿爾特、邁克爾·霍頓與查爾斯·賴斯的獲獎理由就是——發(fā)現(xiàn)丙型肝炎病毒。那么，發(fā)現(xiàn)這個并不“出眾”的病毒，了不起在哪兒？
“在醫(yī)學研究上，有時科學家在找到確鑿證據(jù)，提出解決實際問題方案前，對于現(xiàn)有認知的突破十分重要。”專家解釋，比如幽門螺旋桿菌在被發(fā)現(xiàn)之前，人們無法合理解釋胃癌是如何發(fā)生發(fā)展的。直到科學家發(fā)現(xiàn)幽門螺旋桿菌是主要致病因素后，攻克預防胃癌的道路才逐漸明朗。
丙型肝炎病毒的發(fā)現(xiàn)之旅亦是如此。
早在1940年，有兩種主要的傳染性肝炎。第一種稱為甲型肝炎，通過污水或食物傳播，通常對患者幾乎不會造成長期影響。第二種通過血液和體液傳播，這類肝炎會帶來更嚴重的威脅，因為它可以導致慢性病，并發(fā)展為肝硬化和肝癌?！斑@種形式的肝炎是隱性的，因為對于健康個體而言，在出現(xiàn)嚴重并發(fā)癥前，它往往能使患者隱性感染多年。”河北醫(yī)科大學第四醫(yī)院感染性疾病科主任兼醫(yī)院感染管理科主任邢亞威解釋說。
成功阻止傳染病的關鍵在于確定病原體。
在三位科學家的研究之前，人們已大致掌握了病毒性肝炎發(fā)生及未來引起肝硬化甚至肝癌的途徑，但除了已知的甲型、乙型肝炎外，仍有一部分血源性肝炎無法解釋其機制。
1974年，一例輸血后出現(xiàn)的非甲非乙型肝炎病例引發(fā)社會關注。隨后，本次獲獎的3位科學家之一阿爾特教授證實：一些接受輸血的人會患上并非由甲型或乙型肝炎病毒引起的肝炎，這表明另一種感染源是罪魁禍首。
此后15年間，許多研究人員試圖探究真相。在制藥公司工作的邁克爾·霍頓承擔了分離病毒遺傳序列這份艱巨的工作。邁克爾·霍頓和同事們從感染的黑猩猩血液中提取核酸，合成一個DNA片段。這些片段大部分來自黑猩猩本身的基因組，但研究人員預測，其中一些片段可能來自未知病毒。
假設肝炎患者的血液中存在針對病毒的抗體，那么這意味著研究人員就可以利用患者血清，來鑒定那些編碼病毒蛋白的克隆DNA片段。
之后，經(jīng)過全面搜索，他們終于發(fā)現(xiàn)一個陽性克隆片段。進一步的工作表明，這個克隆片段來源于黃病毒家族的一種新型RNA病毒，被稱為丙型肝炎病毒（HCV）。
然而，單是病毒就能導致肝炎嗎？
為回答這個問題，科學家們必須研究克隆的病毒能否復制并導致疾病。對此，另一位科學家賴斯給出了最終證明：單是丙型肝炎病毒就可以導致不明原因的輸血傳播性肝炎病例。
事實上，丙型肝炎病毒異?！敖苹?。有專家指出，該病毒可在體內潛藏10年至20年，約80%急性丙肝患者沒有癥狀，漏診率高達90%。而肝癌又與病毒性肝炎關系密切——業(yè)內普遍認為，肝癌的發(fā)生呈現(xiàn)一種連續(xù)性病變，一般會經(jīng)歷肝炎—肝硬化—肝癌的順序。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）不完整統(tǒng)計，全球有近2億人攜帶丙型肝炎病毒。2017年，WHO把丙肝病毒列入一類致癌物清單。
在與病毒性疾病的斗爭中，諾貝爾獎獲得者發(fā)現(xiàn)的丙肝病毒具有里程碑式意義。
這三位科學家的發(fā)現(xiàn)讓直接作用于丙肝的抗病毒藥物研發(fā)與血液檢測成為可能?！拔覀儸F(xiàn)在可以對該病毒進行高敏感性的血液檢查，并且這些檢查基本上已經(jīng)消除世界許多地方的輸血性肝炎，很大程度上改善了人們的健康狀況?！毙蟻喭f，他們的發(fā)現(xiàn)還使針對丙型肝炎的抗病毒藥物得以快速發(fā)展。
丙肝的治愈在人類歷史上堪稱首次，也為在全世界人口中根除丙型肝炎病毒帶來了希望。2013年起，隨著一系列新藥問世，丙肝正式進入完全治愈時代，目前已有數(shù)百萬丙肝患者生命得到挽救。
物理學獎：揭示宇宙“最黑暗的秘密”
又是天體物理！今年諾貝爾物理學獎由羅杰·彭羅斯、萊因哈德·根澤爾與安德里亞·格茲摘得。他們的科研成果均與宇宙“最黑暗的秘密”——黑洞相關。
1915年11月，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論，描述了引力如何掌控著宇宙中的一切：是引力讓我們站在地球上，控制著行星繞太陽運行的軌道以及太陽繞銀河系運行的軌道。引力也促使恒星從星際云中的誕生，而最終恒星又在引力塌縮下死去。大質量物質會彎曲空間并減慢時間；極大質量物質甚至可以切斷和包裹空間——形成黑洞。
為證明黑洞的形成是一個穩(wěn)定過程，英國理論學家羅杰·彭羅斯發(fā)明了巧妙數(shù)學方法來探索廣義相對論，也就是使用新的數(shù)學概念來解決這一理論問題。
彭羅斯設計了一套數(shù)學工具，特別引入數(shù)學概念“被困表面”。不同于可以使光線沿任何方向射出的普通表面，“被困表面”是封閉的二維表面，即使扭曲使其不再是球體，也只允許光線向一個方向射出，即朝向中心點，使物理學家得以準確確定黑洞的邊界。在邊界上，即使是光也無法逃脫被萬有引力無情拖拽的命運。
最終，他的研究揭示了廣義相對論如何預測黑洞的形成——這些時空和空間的“怪物”會捕獲一切進入其中的東西，甚至是光。
萊因哈德·根澤爾和安德里亞·格茲則各自帶領著一群天文學家，從20世紀90年代初開始研究銀河系中心區(qū)域。隨著精確度提高，他們成功繪制出距離銀河系中心最近的最亮恒星軌道。兩個小組的測量結果非常一致，他們得出的結論是：銀河系中心的黑洞質量應該相當于400萬倍太陽質量，被擠壓到一個太陽系大小的區(qū)域內。
那又是什么使得銀河系中心附近恒星以驚人速度圍繞其旋轉呢？
根據(jù)當前引力理論，可能的解釋是：銀河系中央藏著一個超大質量黑洞。2019年4月10日，人類首張黑洞照片面世，這是人類獲得關于黑洞的首個直接視覺證據(jù)，黑洞的存在再次被印證。
“黑洞的形成與宇宙結構形成有著十分緊密的聯(lián)系，也許還有其他更奇特的物理過程，比如有人說有些黑洞形成時有上萬倍太陽質量這么重。像這些未解之謎，都有待科學家們作出更進一步的研究?！焙颖贝髮W物理科學與技術學院副教授肖勇說。
化學獎：基因剪刀改寫“生命劇本”
2020年諾貝爾化學獎授予兩位女性科學家——埃馬紐埃爾·夏彭蒂耶和詹妮弗·杜德納，她們因對新一代基因編輯技術CRISPR的貢獻而獲獎。瑞典皇家科學院常任秘書戈蘭·漢松表示，“今年的獎項關乎重寫生命準則”。
基因工程極大推動了現(xiàn)代醫(yī)學進程。那么，基因編輯是什么？
“基因是遺傳信息的最小單位，不但承載著代代相傳的生物特征，也指導著生物體有條不紊地生存生長。”石家莊學院化工學院教授馬聞師說，如果某個發(fā)生了變異，可能會導致單基因遺傳病，通常癥狀嚴重，且無法治愈。
1990年，科學家首次嘗試基因療法大獲成功，讓罹患重癥免疫缺陷的4歲女孩Ashanti重獲新生。這是人類歷史上第一次在基因層面上治愈一種疾病，劃時代的成功燃起前所未有的希望，但很快卻被接二連三的失敗澆滅。
2002年，兩個與Ashanti病癥類似的法國孩子也接受了基因療法。雖然免疫系統(tǒng)有所恢復，卻患上了白血病。失敗的原因可能是，外來的隨機插入無意間破壞了其他的結構，使其喪失功能，導致了細胞癌變。
科學家們意識到，相較于盲目的插入替代，基因療法需要更精準的方法。
“基因編輯是一種可以永久改變DNA的方法，可以從根源上解決基因疾病?！瘪R聞師解釋，類似文字編輯，基因編輯可以修復一些突變的基因，或者敲除、插入目的基因。具體而言，這是一項對基因組進行定點修飾的新技術。利用該技術可以精確地定位到目標基因組的某一位點上，在該位點上剪切靶標DNA片段并插入新的基因片段。
然而，早期基因改造方法每想要修改一段DNA序列，科研人員就必須設計一個新的蛋白對DNA剪切，這種工作非常耗時，且難以量產(chǎn)。
CRISPR則是基因組DNA上的一段特殊序列，源于細菌及古細菌中一種獲得性免疫系統(tǒng)。利用這組序列，細菌可以對侵襲過它的病毒產(chǎn)生“記憶”，并通過一種特殊蛋白酶“搗碎”這些病毒的DNA。與從前的基因編輯方法不同，CRISPR系統(tǒng)采用一個通用酶——Cas9來執(zhí)行剪切?！把芯咳藛T能以此作為稱手的工具，改變他們想要修飾的DNA序列，這遠比合成一個酶要容易得多?！睂＜艺f。
如今，憑借簡單、廉價和高效，CRISPR/Cas9已成為全球最流行的基因編輯技術，被稱為編輯基因的“魔剪”。該技術經(jīng)過改造被廣泛應用于農業(yè)和生物醫(yī)藥領域。
兩位科學家的研究對生命科學產(chǎn)生了革命性影響，不僅可幫助開發(fā)新的癌癥療法，還能使治愈遺傳性疾病的夢想成為現(xiàn)實。目前，這種先進技術已加快了基因工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展，研究人員正運用該技術探索艾滋病、阿爾茨海默病、精神分裂癥等疾病的治療方法。
來源： 河北日報
