天然核糖核酸酶从还原链的重新形成
蛋白质的三维形状,完全写在它自己的氨基酸序列里。
把一个蛋白质拆解到只剩一团没用的乱线——再看它如何全凭自己,把自己重新打成那个分毫不差的正确形状。
核心想法
蛋白质是一长串氨基酸「珠子」,会折叠成精确的三维形状,而正是形状,让每个蛋白质得以胜任它的工作。一个很自然的问题是:是谁来折叠它们?细胞里是否有一台机器,把每条链一一掰到位?
安芬森与同事们证明,答案就藏在链本身。他们把核糖核酸酶——一种切割 RNA 的酶——彻底拆开,展成一条软塌塌、毫无活性的细绳。然后,他们只是任它静置。它便自行折叠,回到原来那个能工作的形状。除了它自身的化学,没有任何东西把它推到那里。原来,形状的指令,完全写在珠子的排列次序之中。
它是如何诞生的
1950 年代末,生物学家知道蛋白质有特定的折叠,却不知是什么定下了它。核糖核酸酶是个好试验对象:小巧、结实,由四枚内部的「订书钉」(二硫键)把八个含硫的氨基酸缝在一起。安芬森的团队,在美国国立卫生研究院,剪断全部四枚订书钉,又在强力的化学浴里把链展开。酶随即失活。
随后,他们把化学品洗去、让空气重新进入。八个硫原子慢慢地再次找到正确的搭档——在它们可能的 105 种配对方式里,重新结成那唯一的天然组合——酶便完全复活。一个漂亮的转折为它盖棺定论:当他们让链在仍未折叠时就去重新缝合,它便锁进一团错误的「乱配」之中、几乎毫无活性,可只要加一撮对的化学品,订书钉就能重排,蛋白质又稳稳落回它真正的形状。安芬森因这一思想,获得了 1972 年的诺贝尔化学奖。
它为何重要
这把蛋白质折叠,变成了一个可解的物理问题:如果单凭序列就决定形状,那么原则上,你就能读一个蛋白质的序列、算出它的结构。这个梦想驱动了数十年的工作,并最终被 AlphaFold 实现——它直接由序列预测一个蛋白质的三维形状。同一条原理,也支撑着设计全新的蛋白质,以及理解那些蛋白质折叠出错的疾病。
一个可以想象的画面
想象一条配重特别的项链,无论你怎样把它揉皱、丢下,它总会落成同一个结——因为那个结,正是它最放松、能量最低的形状。一条蛋白质链也是如此:它的序列经过「挑选」,使某一种特定的折叠成为最舒服的歇息态,于是链便「向下」滚进去。把它以错误的方式缠住、锁死,它就卡住了;只要松开恰到好处的一点,它每一次都会滑回同一个最终的结。
它的位置
序列刚刚变得可读——桑格在 1950 年代初拼出了胰岛素的氨基酸——而沃森与克里克的 DNA,则展示了这序列如何被储存与复制。安芬森补上了下一环:序列不只是基因的信息,它还会把自己折叠成一台能工作的机器。这一串思想,径直通向今天的结构预测工具与蛋白质设计,也通向对阿尔茨海默病等折叠错误疾病的研究。