微生物学研究中的诺贝尔奖获得者及其贡献 5页

58生物学通报2014年第49卷第8期微生物学研究中的诺贝尔奖获得者及其贡献*杜琼孔维宝**汪洋李亚静（西北师范大学生命科学学院甘肃兰州730070）摘要微生物学的研究发展已从最初的基础生理阶段跨越至分子水平的整个科学领域的应用阶段，成为推动整个生命科学发展的强大动力。微生物学作为生物学领域的新兴学科，具有广阔的发展前景，在短短100多年的发展历程中相继诞生了多位诺贝尔奖获得者。介绍了微生物学研究领域几位诺贝尔奖获得者及其做出的卓越贡献。关键词微生物学诺贝尔奖科学研究科学贡献中国图书分类号：Q-49文献标识码：A人们对于微生物的认识最早应追溯到300多年前安东·列文虎克用自制显微镜探索“微观”世界的时候。而微生物研究真正得到发展是在19世纪中期，许多科学家对这一领域的研究开始从简单的形态描述过渡至微生物的生理学方面的研究，不断开辟出许多新的研究领域，并且在近代生物学发展的3个关键阶段中（DNA双螺旋结构与中心法则、遗传工程及人类基因组研究）都站在了时代的最前列，发挥着不可替代的作用。在其短暂的发展历程中，有许多伟大的科学家为此做出了卓越贡献，促进了微生物科学事业的发展。从1901年贝林获得第1届诺贝尔生理学奖或医学奖开始，相继诞生了多位投身于微生物学研究的诺贝尔奖获得者。而在这至高无尚的荣誉背后，他们艰辛曲折的科研经历和为科学发展而献身的精神更值得人们崇敬。本文介绍了微生物学发展进程中的几位里程碑式的诺贝尔奖获得者，以及他们各自所做出的杰出贡献。1埃米尔·阿道夫·冯·贝林———白喉抗毒素的发现和研制（1901年）贝林（EmilAdolfvonBehring，1854-1917），德国微生物学家，于1889年在郭霍传染病研究所研发治疗白喉的药物。研究初期，贝林在给小鼠体内注射白喉菌液时引发了一个大胆的猜想：病菌侵入动物体内之后，可刺激动物机体产生对病毒免疫的物质。这一猜想是早期微生物学和免疫学领域的一个重大突破。随后，贝林将白喉病愈后的小鼠血清与具有传染性的白喉菌液混合并重新注入健康小鼠体内，对照组的健康小鼠只注射白喉菌液。结果，前一组小鼠存活，对照组小鼠则感染白喉，这个实验证实了贝林的猜想。贝林经过多次同样的实验过程，从各种动物的血液中分离出了抗白喉杆菌（Corynebacteriumdiphtheriae）的免疫血清，研发出了治疗白喉病的抗毒素［1］。1891年12月24日，贝林首次将白喉抗毒素应用到临床上，成功治愈了1例白喉患者，这一发明得到了全世界的认可，白喉抗毒素被证实为治疗白喉病毒感染的有力武器。被誉为“传染病免疫治疗和疾病预防学创始人”的贝林，因这一造福于人类的杰出贡献与日本细菌学家北里柴三郎于1901年共同荣获首届诺贝尔生理学或医学奖。贝林不仅开启了免疫学的先河，并且由于抗毒素的发现，使人类在20世纪有效治愈了由细菌外毒素所引起的全部疾病，是病原微生物学发展起步的重要标志。2罗伯特·科赫———肺结核病原菌的发现与结核菌素的发明（1905年）科赫（RobertKoch，1843-1910），著名的德国医生和细菌学家，1881年开始从事结核病研究。肺结核在当时到处蔓延，患者死亡率极高。科赫运用显微镜及特殊染色技术在多种动物体内观察到了与人类患病部位的相同生理特征，并发现了一*基金项目：西北师范大学2013年重点教学研究项目资助（）**通讯作者 2014年第49卷第8期生物学通报59种只在结核病的病变组织中出现的棒状细菌，之后他在凝固的血清培养基上对这一病原菌进行大量的纯培养，制成菌悬液，注射到不同动物的腹腔内，最终发现肺部的病变反应，并确定了这就是导致肺结核的病原菌———结核分枝杆菌（Mycobac-teriumtuberculosis）。此后，科赫通过多次实验阐明了它的传染途径，论证了其致病机理，并于1890年研制出有效治疗肺结核的结核菌素［2］。这一重大发现将科赫推向了他一生科研事业的巅峰，成为1905年诺贝尔生理学或医学奖当之无愧的获得者。事实上，这一伟大成就的实现源于科赫长期奋斗在微生物学的研究创新上。在进行结核病原菌的研究之前，他曾于1876年在疯牛的脾脏中分离出炭疽病的病原菌———炭疽杆菌（Bacillusanthraci），同时发明了在体外培养细菌的血清培养基，完整地研究了炭疽杆菌的生活史及其致病因素。1880年后又相继发明了2种微生物学史上的伟大技术：一是固体培养基划线法分离纯化菌种；二是平板培养技术。他所建立的分离、培养、接种和灭菌等一系列独特的微生物技术，为微生物学的飞速发展奠定了坚实的基础，作为病原细菌学之父更为人类征服许多传染疾病创下了卓越功勋，堪称一代科学巨匠，推动了微生物研究向生理学阶段的发展。3亚历山大·弗莱明———青霉素的发现及成功应用（1945年）弗莱明（AlexanderFleming，1881-1955），英国细菌学家，1919年后在英国圣玛丽医院从事抗菌物质的研究。偶然的一次机会，弗莱明发现了能使细菌溶解的溶菌酶（Lysozyme），但经过实验证明，这些溶菌酶只对无害的细菌有杀伤作用，而对那些易造成疾病感染的有害细菌无效。但这一发现也是抗菌药物探索过程中的一大飞跃，促使弗莱明对既能杀菌又对人体无害的抗菌素进行深入研究。直到1928年，弗莱明无意中在培养金黄色葡萄球菌的培养皿中看到1个绿色霉菌菌落，在显微镜下经过进一步观察发现这种霉菌可以抑制葡萄球菌的活性并将其溶解，并且在纯培养基中的生长速度极快。经过反复验证，这种霉菌对引起人类重大疾病感染的病菌具有强大杀伤力，而对人体正常细胞危害极小。弗莱明认为青霉（Penicillium）中一定含有某种抗菌物质，并将其命名为青霉素［3］。弗莱明是首位发现青霉素及其治疗传染疾病效果的人，而进一步推动青霉素研制和生产工艺的则是在牛津工作的德国生化学家钱恩（E.B.Chain，1906-1979）和澳大利亚病理学家弗洛里（H.W.Florey，1898-1968）。他们进一步研究了细菌体内各种代谢产物的分离纯化技术，对青霉产生的活性物质进行提纯，于1940年研制出了可应用于临床上肌肉注射纯度的青霉素［4］。弗莱明为微生物学的发展道路上开辟出一条医药微生物学的新领域，与钱恩、弗洛里共享了1945年的诺贝尔生理学或医学奖，成为最具盛名的“抗生素之父”。青霉素的发现和研制技术的革新为微生物学与医药学的联合应用与发展创建了一个新的起点，引领了生物界科学家对更多抗性菌及抗生素药物的热衷探索。4乔舒亚·莱德伯格———发现细菌的遗传重组（1958年）莱德伯格（JoshuaLederberg，1925-2008）是被誉为“细菌遗传学之父”的美国科学家，奠定了整个微生物遗传学的基础。1946年，莱德伯格将2种双突变大肠杆菌K12（EscherichiacoliK12）菌株（一株是生物素和亮氨酸的营养缺陷型，另一株是苏氨酸和脯氨酸的营养缺陷型）混合培养在选择培养基（缺乏以上4种营养因子）进行筛选观察，最终研究得出这2种菌株都能生长，即营养缺陷型菌株转变为了野生型菌株，而单一菌株则不能［5］。这一结果证明了细菌之间可以杂交并发生遗传重组，从本质上推翻了当时以细菌的简单无性生殖为主流的微生物学说，同时意味着细菌将成为生物学研究中的重要材料。1952年，莱德伯格与学生津德（N.Zinder）以鼠伤寒沙门氏杆菌（Salmonellatyphimurium）作为研究材料，利用1950年戴维斯（B.D.Davis）特制的U型管继续进行原有的结合实验，但结果却出现了很大的分歧，2种突变株并未相互接触，但却同样出现了原养性重组子。通过进一步研究发现，导致这一问题出现的原因是由于一种可感染细菌的病毒———噬菌体介导了沙门氏菌的DNA转移。1952年莱德伯格将细菌基因的普遍性转导的成果发表在《细 60生物学通报2014年第49卷第8期菌学杂志》上。紧接着，细菌的特异性转导也随之被发现，这次研究的是温和λ-噬菌体，同样出现了令人意外的结果。由于λ-噬菌体具有特异性附着位点，因此侵染细菌后只能整合到其特定部位，最终造成特异性的转导效果。1953年后，通过更为系统的研究细菌的重组，莱德伯格又发现了F致育因子的存在，对细菌有了性别区分，而细菌的杂交过程则是遗传物质的单向传递，更加深入地解释了基因重组的本质［6］。由于这一系列惊人的研究和发现，1958年莱德伯格与比德尔、泰特姆共同获得了该年度的诺贝尔生理学或医学奖，当时他年仅33岁。莱德伯格这一系列奠基性的贡献使细菌作为遗传学和分子生物学的研究模型直至今天仍被广泛应用，并成为了若干年后DNA重组技术或基因工程的先导，是微生物学研究深入到分子水平研究的跨越式发展。5雅克·吕西安·莫诺、弗朗索瓦·雅各布———微生物基因调控机制的发现（1965年）早在1900年F.Dienert就在大肠杆菌（E.coli）中发现了能产生乳糖或半乳糖代谢所需的酶。在20世纪30年代，H.Karstron通过对细菌糖代谢过程中所产生的酶的研究，将酶分为适应酶（需要底物才可产生）和组成酶（不受营养物质的影响）2类。而真正阐明原核生物基因调控机制的则是1961年巴斯德研究所的2名微生物学家莫诺与雅各布所提出的“操纵子学说”［7］。1946年莫诺（JacquesMonod，1910-1976）在进行有关大肠杆菌中β-半乳糖苷酶适应性的研究中，发现了存在能够诱导该酶产生的诱导物及另外2种酶，即β-半乳糖苷透过酶和硫代半乳糖苷转乙酰酶的伴随产生。此后他与雅各布（Fran-coisJacob，1920-2013）通过细菌的结合实验并进行对大肠杆菌的基因分析，采用基因之间的互补测试确定了表达这3种酶的基因处于同一功能水平上，即转录后形成了多顺反子mRNA。他们把相关的3种结构基因分别以Z、Y、A表示，并于1970年分离得到了细菌的有关突变株，随即在1976年分离纯化了调节蛋白。由于已经知道了β-半乳糖苷酶诱导的生物合成的2种类型的突变形式，即一种类型消除了产生活性蛋白质的能力，另一种则通过改变诱导方式以产生组成型酶，通过使用合适基因型的两性细菌，将已知基因的等位基因转入细菌以研究在合子中的酶合成条件，最终确定了启动区（P）、调节基因（I）和操纵基因（O）的作用，证实了3种结构基因的表现是受到同一机制的调节。当有乳糖这种诱导物存在时，其受到β-半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，与i基因编码的阻遏蛋白R结合，使R解聚为单体，失去与O的亲和力，与之解离，基因转录即开放。莫诺和雅各布关于操纵子模型的研究揭示了生物体遗传信息间作用和交流的重要关系，开创了在分子水平认识基因调控的新领域，并因此荣获了1965年的诺贝尔生理学或医学奖。经典的乳糖操纵子的发现更是建立在微生物中研究和发现最早的大肠杆菌上，使微生物学的研究迈向了新的领域。6罗纳托·杜尔贝克、霍华德·马丁·特明、大卫·巴尔迪摩———反转录病毒和反转录酶的发现（1975年）肿瘤病毒是导致癌症的关键原因，对于它的研究仅仅是在近30年才逐见成效的。意大利病毒学家杜尔贝克（RenatoDulbecco）在1959年对一种多瘤病毒侵染性细胞进行研究，培养过程中发现感染细胞发生了生理和形态上的变化，并且也会使被植入感染细胞的动物发生肿瘤，由此得出细胞可发生转化的重要结论。而后他又发现这种DNA病毒具有一种小环状基因分子，可以嵌入宿主细胞基因组中，经实验后证明被转化细胞中确实存在着一套完整的病毒基因。证明了病毒可以不断地进行转化新细胞而无限繁殖下去，从而影响宿主体的变相调节和诱变，并且在被转化细胞中起着遗传要素的作用。这一重大成果成就了杜尔贝克肿瘤病毒学奠基人的荣誉地位［8］。肿瘤病毒究竟如何实现这种转化过程？直到美国科学家特明（HowardTemin，1934-1994）和巴尔迪摩（DavidBaltimore）于1970年5月先后报道了一种关键酶———逆转录酶，这个问题才得以解释。经研究证明RNA肿瘤病毒基因组可以通过某种方式产生1个副本双链DNA，整合进宿主细胞，这个过程就需要这种酶的参与，从而以单链RNA为模板互补形成DNA分子。这不仅进一步 2014年第49卷第8期生物学通报61完善了原有的“中心法则”，更明确地揭示了肿瘤病毒与细胞遗传物质之间的相互作用。1975年3人的伟大成就得到了科学界的一致认可，逆转录酶的发现是整个逆转录病毒研究的分水岭，为癌症起因的研究及攻克癌症的生物技术应用铺平了道路，成为病毒微生物发展史上的重大转折点，因此这3位科学家共同荣获诺贝尔生理学或医学奖。7沃纳·阿尔伯、汉密尔顿·史密斯、丹尼尔·内森斯———限制性核酸内切酶的发现及其在分子遗传学方面的应用（1978年）阿尔伯（WernerArber），瑞士遗传学家，有关限制性内切酶理论的创建者。早在19世纪50年代初，卢里亚（S.Luria）就发现，在某一种菌株中生长的噬菌体不能有效地侵染另一种菌株，只有少数能存活于其中，而再用这些少量噬菌体的后代去侵染原菌株时，却也无法很好地生长，这种现象令阿尔伯深陷思考［9］。1960年，阿尔伯开始对λ-噬菌体的寄主控制修饰现象进行研究，经过长达6年的实验证明了细菌中存在2种酶，一种是可以降解外源DNA的酶，以此保护自身遗传物质不受外来DNA的干扰，另一种则是可通过甲基化的方式修饰自身DNA免受降解的修饰酶，2种酶协调作用形成“限制-修饰系统”。这是以微生物作为研究基础在分子生物学领域的一大创新。尽管阿尔伯提出了这一独特的系统理论，但并未在有关细菌微生物材料上找到特异的酶切位点。直到1968年美国微生物学家史密斯（Hamil-tonSmith）在流感嗜血杆菌（Haemophilusinfluen-zae）Rd株回收噬菌体P22的标记DNA时发现该噬菌体的DNA居然降解了。由此他应用阿尔伯的理论基础及粘度计测定技术，于1970年确定了流感嗜血杆菌内核酸酶的特异识别序列，并命名为HindⅡ酶［10］。此后不久，另一位美国微生物学家内森斯（DanielNathans，1928-1999）首次尝试将HindⅡ酶应用于分子生物学中，成功地将肿瘤病毒SV40DNA酶切成片段，并用聚丙烯酰胺凝胶电泳进行了分离和分析。阿尔伯、卢里亚、史密斯的开创性研究工作使得微生物学和分子生物学继续飞速发展，很好地实现了2个生物学领域间的交叉融合，为生物技术及基因工程的开拓应用奠定了基础。3位科学家共同荣获1978年的诺贝尔生理学或医学奖。8斯坦利·普鲁辛纳———新型病原微生物“朊病毒”及其致病机理的发现（1997年）朊病毒（Prion）的发现可谓是传染病病毒史上的一个重要事件。早在300多年前，欧洲许多国家就出现了羊搔痒症、克-雅氏症、库鲁病、疯牛病等一系列医学上难解的可怕疾病，这类疾病的致病因子可长期潜伏在各种动物包括人的大脑细胞中，导致机体生理调节失衡，最终导致死亡。1963年，盖达塞克在以大猩猩作为实验模型研究库鲁病的过程中，发现了一种不具有核酸特性且可以无限繁殖扩大传染的致病因子，有可能是蛋白质［11］。这一结论虽没有为相关疾病的致病原因做出明确解释，但为朊病毒的发现指明了方向。1982年，美国病毒学和生物化学教授普鲁辛纳（StanleyB.Prusiner）从用于研究羊搔痒症的实验模型仓鼠中分离了这种蛋白因子，并且发现采用核酸灭活法对其致病性并无影响，反而使用蛋白质变性剂却可以导致症状消失。普鲁辛纳首次为这种不含核酸的蛋白质病毒颗粒取名“朊病毒”。随后普鲁辛纳又深入研究提出“蛋白质构象致病假说”，经过多次验证明确阐述了朊病毒这种独特的致病机理，即患病动物体细胞内含有正常的PrPc和致病的PrPsc2种PrP蛋白，两者可以通过折叠旋转等方式改变其构象而进行转化，特别是PrPsc可以独立地将机体中正常的PrP蛋白转变成致病型因子。这一困扰人类300多年的重大难题终被突破［12］。普鲁辛纳是科学史上第2位研究海绵样脑病变的诺贝尔生理学或医学奖的获得者，但朊病毒的发现是对核酸作为各种病原体的传染性基础的理论意义上的重大挑战，而且对揭示相关疾病的致病机制、进行有效的诊断和治疗具有重要作用，对生物学遗传法则的完善和补充、探索生命的本质和生物的进化极具参考价值，是微生物病毒发展史上的又一大革新。9弗朗索瓦丝·巴尔·西诺西和吕克·蒙塔尼———艾滋病毒（HIV）的发现及哈拉尔德·楚尔·郝森———子宫颈癌致病因子———人乳头瘤病毒（HPV）的发现（2008年）艾滋病毒（Humanimmunodeficiencyvirus，HIV）是目前全球对人类健康最具威胁力的可怕病毒， 62生物学通报2014年第49卷第8期对于它的研究和发现将是21世纪最有挑战性的科学计划之一。1980年，在美国男同性恋群体中爆发了一种可造成人体免疫衰竭的病症，许多科学家开始着手对这一艾滋病的病原体进行研究。1983年2名法国病毒学家西诺西（FrancoiseBarré-Sinoussi）和蒙塔尼（LucMontagnier）从早期患者的淋巴细胞中成功分离出了这种病毒，进一步研究发现，分离的病毒可以快速感染正常人的T淋巴细胞，并与相应抗体发生反应以削弱人体免疫系统，与此前人类致瘤性病毒相比，其独特之处在于其需要细胞活化来进行复制和调控T淋巴细胞的细胞融合，最终发现了艾滋病病毒循环复制及与主体病毒相互作用的机制［13］。由此一种逆转录病毒的新型作用机制成功地得到了初步解释。宫颈癌是近年来全球危害女性健康仅次于乳腺癌的一种恶性肿瘤，在21世纪初得到了有效治疗。高危型（16、18亚型）人乳头瘤病毒（Humanpapillomavirus，HPV）与肿瘤的启动、发生、发展及恶性表型的全过程都密切相关，是与人类肿瘤关系最为密切的肿瘤病毒。从20世纪70年代开始，豪森（HaraldzurHausen）利用分子技术对此病毒进行研究。1976年，豪森用HBA探针分子进行病毒杂交实验，分析了其结构的3个功能区域，即早期蛋白编码区（ER）、晚期蛋白编码区（LR）和长控制区（LCR），确定了ER区所编码的各蛋白主要是提供病毒进行基因表达所需信息，其中E6、E7蛋白是病毒的主要癌蛋白，是肿瘤病毒致病的核心；LR区编码构成病毒衣壳；LCR区通过多相变异调解病毒的复制和转录过程。因此经过一系列研究和发现，明确了该致癌病因，为研发出相应抗病毒疫苗提供了科学依据，使得HPV成为了迄今为止人类认识最为清楚的一种恶性肿瘤病毒［14］。HIV与HPV这2种危害性极高的病毒的发现成为了20世纪以来拯救人类健康的重要突破点，因此，这些成就将西诺西、蒙塔尼及豪森3人推上了科学界的巅峰荣誉———诺贝尔生理学或医学奖的领奖台。其中巴尔-西诺西是近年少有的诺贝尔科学奖女性获得者之一，而蒙塔尼自此以后主要致力于寻找艾滋病疫苗和疗法，豪森则攻克了有史以来第一大肿瘤癌病毒。这3位科学家对全球未知高危病毒的研究和防治工作起到了引领作用，为微生物病毒学及医学领域做出了卓越贡献。10小结对真理的探寻是科学史中的每一位伟人的终极信仰，一代又一代科学奉献者的曲折和艰辛开创出了如今这般光明的微生物学领域。随着更多学科的交叉、基因组研究的深入和扩展，微生物学将为生命科学的发展做出更大的贡献，在诺贝尔奖历史上添上更为浓重的一笔。主要参考文献1RainerK觟the.GermanNobelPrizewinnersfrom1945tothepresentday.Bonn:InterNationes,1996.2SakulaA..RobertKoch(1843-1910):FounderofthescienceofbacteriologyanddiscovereroftheTuberclebacillus.Astudyofhislifeandwork.CanadianVeterinaryJournal,1983,24(4):124—127.3徐榕.科学家的故事(弗莱明).上海:华东师范大学出版社,2006.4王渝生.弗莱明：“偶然”发现青霉素.科技导报,2008,26(4):98—99.5TatumE.L.,LederbergJ..Generecombinationinthebacte-riumEscherichiacoli.JournalofBacteriology.1947,53(6):673—684.6郭晓强.细菌遗传学之父———乔舒亚·莱德伯格.自然杂志,2012,34(2):119—124.7MonodJ.,JacobF..Ontheregulationofgeneactivity.ColdSpringHarbSympQuantBiol,1961,26:193—211.8张亚强.反转录现象和反转录酶的发现.生物学通报,1988,(2):6—8.9RobertsR.J..Restrictionendonucleases:anewroleinvivo?Nature,1978,271(5645):502.10洪宪华.开创遗传工程新篇章———生物学科诺贝尔奖分析.生命科学,1992,4(2):30—31.11PrusinerS.B.,FüziM.,ScottM.etal.ImmunologicandmolecularbiologicstudiesofPrionproteinsinbovinespongi-formencephalopathy.JournalofInfectiousDiseases,1993,167(3):602—613.12任衍钢,宋玉奇.普鲁辛纳与朊病毒的发现.生物学通报,2011,46(9):60—62.13Barre-SinoussiF.,ChermannJ.C.,ReyF.etal.IsolationofaT-lymphotropicretrovirusfromapatientatriskforac-quiredimmunedeficiencysyndrome(AIDS).Science,1983,220(4599):868—87114SmithJ.S.,LindsayL.,HootsB.etal.Humanpapilloma-virustypedistributionininvasivecervicalcancerandhigh-gradecervicallesions:ameta-analysisupdate.InternationalJournalofCancer,2007,121(3):621—632.（E－mail:1982808619@qq.comkwbao@163.com）