天然核糖核酸酶從還原鏈的重新形成
蛋白質的三維形狀,完全寫在它自己的胺基酸序列裡。
把一個蛋白質拆解到只剩一團沒用的亂線——再看它如何全憑自己,把自己重新打成那個分毫不差的正確形狀。
核心想法
蛋白質是一長串胺基酸「珠子」,會摺疊成精確的三維形狀,而正是形狀,讓每個蛋白質得以勝任它的工作。一個很自然的問題是:是誰來摺疊牠們?細胞裡是否有一台機器,把每條鏈一一掰到位?
安芬森與同事們證明,答案就藏在鏈本身。他們把核糖核酸酶——一種切割 RNA 的酶——徹底拆開,展成一條軟塌塌、毫無活性的細繩。然後,他們只是任它靜置。它便自行摺疊,回到原來那個能工作的形狀。除了它自身的化學,沒有任何東西把它推到那裡。原來,形狀的指令,完全寫在珠子的排列次序之中。
它是如何誕生的
1950 年代末,生物學家知道蛋白質有特定的摺疊,卻不知是什麼定下了它。核糖核酸酶是個好試驗對象:小巧、結實,由四枚內部的「釘書針」(二硫鍵)把八個含硫的胺基酸縫在一起。安芬森的團隊,在美國國立衛生研究院,剪斷全部四枚釘書針,又在強力的化學浴裡把鏈展開。酶隨即失活。
隨後,他們把化學品洗去、讓空氣重新進入。八個硫原子慢慢地再次找到正確的搭檔——在牠們可能的 105 種配對方式裡,重新結成那唯一的天然組合——酶便完全復活。一個漂亮的轉折為它蓋棺定論:當他們讓鏈在仍未摺疊時就去重新縫合,它便鎖進一團錯誤的「亂配」之中、幾乎毫無活性,可只要加一撮對的化學品,釘書針就能重排,蛋白質又穩穩落回它真正的形狀。安芬森因這一思想,獲得了 1972 年的諾貝爾化學獎。
它為何重要
這把蛋白質摺疊,變成了一個可解的物理問題:如果單憑序列就決定形狀,那麼原則上,你就能讀一個蛋白質的序列、算出它的結構。這個夢想驅動了數十年的工作,並最終被 AlphaFold 實現——它直接由序列預測一個蛋白質的三維形狀。同一條原理,也支撐著設計全新的蛋白質,以及理解那些蛋白質摺疊出錯的疾病。
一個可以想像的畫面
想像一條配重特別的項鍊,無論你怎樣把它揉皺、丟下,它總會落成同一個結——因為那個結,正是它最放鬆、能量最低的形狀。一條蛋白質鏈也是如此:它的序列經過「挑選」,使某一種特定的摺疊成為最舒服的歇息態,於是鏈便「向下」滾進去。把它以錯誤的方式纏住、鎖死,它就卡住了;只要鬆開恰到好處的一點,它每一次都會滑回同一個最終的結。
它的位置
序列剛剛變得可讀——桑格在 1950 年代初拼出了胰島素的胺基酸——而沃森與克里克的 DNA,則展示了這序列如何被儲存與複製。安芬森補上了下一環:序列不只是基因的資訊,它還會把自己摺疊成一台能工作的機器。這一串思想,徑直通向今天的結構預測工具與蛋白質設計,也通向對阿茲海默症等摺疊錯誤疾病的研究。