王江山

精力充沛的另類(lèi)少女

1956年7月25日，弗朗西斯出生于匹茲堡。她的祖父是一位中將，父親則是著名的核物理學(xué)家。也許是受到家庭的影響，她從小就有軍人般的充沛精力，也有科學(xué)家一樣的敏銳好奇。不過(guò)那時(shí)的弗朗西斯并沒(méi)有立下從事科學(xué)的志向，也不想去參軍，她的夢(mèng)想是當(dāng)外交官或者跨國(guó)公司的CEO。她有4個(gè)兄弟，但父母對(duì)他們一視同仁，鼓勵(lì)他們互相競(jìng)爭(zhēng)。

?弗朗西斯·阿諾德是第五位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)女性得主

?從華盛頓山上看匹茲堡夜景（圖片來(lái)源 / Wiki）

人物小傳

弗朗西斯·漢密爾頓·阿諾德（Frances Hamilton Arnold，1956年7月25日—），美國(guó)化學(xué)工程師，加州理工學(xué)院化學(xué)工程、生物工程和生物化學(xué)教授。2018年，她被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰她實(shí)現(xiàn)了酶的定向轉(zhuǎn)化。她還是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院三院院士，這在美國(guó)科學(xué)家中極為少見(jiàn)，打破了大家對(duì)女工程師的偏見(jiàn)。

弗朗西斯性格獨(dú)立，高中時(shí)就搬出了父母的房子，靠開(kāi)出租車(chē)和虛報(bào)年齡當(dāng)服務(wù)員來(lái)養(yǎng)活自己。她那時(shí)的成績(jī)并不突出，但還是被普林斯頓大學(xué)機(jī)械和航空航天工程專(zhuān)業(yè)錄取了，弗朗西斯回憶時(shí)開(kāi)玩笑地說(shuō)，這是因?yàn)樵搶?zhuān)業(yè)的學(xué)術(shù)要求最低。

工程專(zhuān)業(yè)的課業(yè)雖然緊張，但除了主修課程外，弗朗西斯還選修了經(jīng)濟(jì)學(xué)、俄語(yǔ)和意大利語(yǔ)等課程，她野心勃勃，汲取著各方面的知識(shí)。大二時(shí)，弗朗西斯還對(duì)核工程產(chǎn)生了興趣，就去了意大利一家為核反應(yīng)堆制造零部件的工廠工作，在學(xué)校選修的意大利語(yǔ)就這樣派上了用場(chǎng)。

1979年，弗朗西斯從世界著名私立研究型大學(xué)—普林斯頓畢業(yè)，那一年的3月28日，賓夕法尼亞州三里島核電站發(fā)生了嚴(yán)重的核事故，這次事件引起了弗朗西斯對(duì)能源問(wèn)題的關(guān)注，于是她在獲得機(jī)械和航空航天工程學(xué)士學(xué)位后，來(lái)到了美國(guó)太陽(yáng)能研究所（現(xiàn)為美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室）擔(dān)任工程師，致力于為偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)計(jì)太陽(yáng)能設(shè)施。

但弗朗西斯永不滿(mǎn)足，在研究能源問(wèn)題的過(guò)程中，她又對(duì)生物化學(xué)產(chǎn)生了興趣，就來(lái)到了加州大學(xué)伯克利分校攻讀博士，1985年，她獲得了化學(xué)工程博士學(xué)位，后來(lái)又在伯克利完成了生物物理化學(xué)的博士后研究。這個(gè)精力充沛而又勇敢叛逆的少女，不斷更改人生的方向，一次次嘗試，終于找到了最適合自己的事業(yè)。

不“紳士”的女性

1986年，30歲的弗朗西斯來(lái)到加州理工學(xué)院，專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)在醫(yī)學(xué)和能源等領(lǐng)域有應(yīng)用潛力的蛋白質(zhì)。但她很快就發(fā)現(xiàn)了其中的困難，備受打擊的同時(shí)只能加倍努力，做了成千上萬(wàn)個(gè)“又快又便宜”的實(shí)驗(yàn)。她回憶說(shuō)：“如果一個(gè)實(shí)驗(yàn)不成功，我就要做100萬(wàn)個(gè)實(shí)驗(yàn)，我不在乎其他999999個(gè)不成功，只要找到一個(gè)可行的就夠了。”在弗朗西斯職業(yè)生涯的早期，她就建立了務(wù)實(shí)、高效的實(shí)驗(yàn)風(fēng)格。那時(shí)她的同事們都集中于理論研究，希望先建立合適的模型，再去做推廣和實(shí)驗(yàn)，然而弗朗西斯卻大刀闊斧地搞起了隨機(jī)突變。當(dāng)時(shí)有很多人指責(zé)她的方式過(guò)于粗暴，“不夠紳士”，他們認(rèn)為蛋白質(zhì)應(yīng)該被合理設(shè)計(jì)，而不是隨意構(gòu)建，甚至指責(zé)弗朗西斯沒(méi)有完全理解驅(qū)動(dòng)蛋白質(zhì)合成的機(jī)理。

針對(duì)這些質(zhì)疑，弗朗西斯曾說(shuō)：“我本來(lái)就不是一個(gè)紳士，也不是一個(gè)科學(xué)家，所以我不介意?！边@是因?yàn)楦ダ饰魉故紫劝炎约憾x為一個(gè)工程師。

其實(shí)弗朗西斯當(dāng)然也是一位合格的科學(xué)家，她的研究總能綜合化學(xué)、分子生物學(xué)、化學(xué)工程和物理學(xué)的理論方法，只不過(guò)她習(xí)慣于像工程師一樣思考，專(zhuān)注于應(yīng)用和解決實(shí)際問(wèn)題。比如那些全球化學(xué)制造業(yè)的產(chǎn)品：生物燃料、處方藥、醫(yī)療器械—它們無(wú)不都起始于化學(xué)反應(yīng)。而這些化學(xué)反應(yīng)通常依賴(lài)于一種叫做酶的起始物質(zhì)。酶是一種蛋白質(zhì)，是自然界的催化劑，在細(xì)胞中起著加速各種反應(yīng)的作用。例如，消化道中的酶有助于分解食物，使我們能更快地獲取營(yíng)養(yǎng)成分。那么，如果可以操縱酶，并用來(lái)催化工業(yè)反應(yīng)，如制造藥物分子或生物燃料，那將會(huì)怎樣？

弗朗西斯對(duì)此問(wèn)題很感興趣，但在20世紀(jì)80年代末和90年代初，利用酶催化化學(xué)反應(yīng)的研究一直進(jìn)展緩慢。當(dāng)時(shí)通用的方法是應(yīng)用基本原理去改變某一種酶，但這種方法難以大規(guī)模工業(yè)化，實(shí)用性也不強(qiáng)。弗朗西斯繼續(xù)發(fā)揮自己那“不紳士”的思維風(fēng)格，卻意外找到了新路徑。

發(fā)揮“演化”的威力

演化是物種對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)過(guò)程，這一過(guò)程創(chuàng)造了巨大的生物多樣性。生物的演化是由數(shù)千萬(wàn)年間無(wú)數(shù)代微小的基因突變促成的。弗朗西斯的做法正是人為的加速這一突變過(guò)程。她是通過(guò)在蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)序列中引入突變來(lái)達(dá)到目的的，且?guī)滋斓綆字艿臅r(shí)間就能演化出一種新的蛋白質(zhì)，然后再檢驗(yàn)這些突變的效果。如若突變有所改善蛋白質(zhì)的功能，那還可以再次重復(fù)來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化。這就叫酶的定向演化。

定向演化的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這種突變不是完全隨機(jī)的，它們既保持了適當(dāng)?shù)臐摿?，又保持了一定的效率。弗朗西斯用這種方法改變了枯草桿菌蛋白酶E（Subtilisin E）—它可以分解酪蛋白。她將許多隨機(jī)突變引入產(chǎn)生枯草桿菌蛋白酶E的細(xì)菌的遺傳密碼里，并將突變的酶引入含有二甲基甲酰胺（DMF）和酪蛋白的環(huán)境中。她從中選擇了在DMF環(huán)境中最擅長(zhǎng)分解酪蛋白的新酶，并繼續(xù)在該酶中引入隨機(jī)突變。經(jīng)過(guò)三代之后，她最終得到了強(qiáng)化型突變的Subtilisin E，其分解酪蛋白的能力可達(dá)到原來(lái)的256倍。

?定向演化示意圖

美國(guó)加州理工學(xué)院的化學(xué)教授兼化學(xué)與化工學(xué)院院長(zhǎng)杰奎琳·巴頓（Jacqueline K. Barton）評(píng)價(jià)說(shuō)：“定向演化改變了我們制造蛋白質(zhì)的方式，改變了我們對(duì)新型蛋白質(zhì)催化劑的看法，通過(guò)這項(xiàng)工作，弗朗西斯拓寬了自然界催化劑的種類(lèi)。”

科技強(qiáng)人也是生活斗士

小時(shí)候弗朗西斯的愿望是成為CEO，沒(méi)想到后來(lái)她真以自己的工作為基礎(chǔ)，創(chuàng)辦了兩家公司：Gevo成立于2005年，專(zhuān)攻綠色燃料;Provivi公司成立于2013年，致力于通過(guò)改變昆蟲(chóng)信息素來(lái)保護(hù)農(nóng)作物不受害蟲(chóng)侵害。除了諾貝爾獎(jiǎng)，弗朗西斯還在2011年獲得了美國(guó)工程學(xué)界的三大獎(jiǎng)項(xiàng)之一—查爾斯·斯塔克·德拉普爾獎(jiǎng)和2013年的國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)。

盡管事業(yè)碩果累累，但弗朗西斯的生活卻不是一帆風(fēng)順，甚至可說(shuō)是坎坷多艱。2005年，她被診斷出乳腺癌。但她無(wú)懼病魔，積極治療，如今已痊愈?？煽嚯y不止于此，她的兩任丈夫都已離世（第一任丈夫死于癌癥，第二任丈夫自殺），與第一任丈夫的兒子也在一場(chǎng)事故中喪生。她的學(xué)生回憶道，即使如此，剛遭遇打擊的弗朗西斯仍能強(qiáng)忍悲痛參加學(xué)術(shù)會(huì)議，盡力完成自己的工作。

獲得諾貝爾獎(jiǎng)之后，弗朗西斯曾對(duì)記者說(shuō)：“很多年輕人都想找一個(gè)能規(guī)劃自己生活的秘訣，他們希望我告訴他們?nèi)绾纬晒?。其?shí)我從未遵循什么，只是跟著直覺(jué)走。我很幸運(yùn)，對(duì)一個(gè)充滿(mǎn)機(jī)遇的領(lǐng)域充滿(mǎn)激情。而這需要一種能逆水行舟的意志……大多數(shù)創(chuàng)新事物在當(dāng)時(shí)對(duì)其他人來(lái)說(shuō)并不明顯，你必須相信你自己。如果你有一個(gè)好主意，即使別人告訴你它不是，你也要追隨它?！?p>

?美國(guó)加州理工學(xué)院化學(xué)教授兼化學(xué)與化工學(xué)院院長(zhǎng)杰奎琳·巴頓

?2013年，英國(guó)伊麗莎白女王在白金漢宮歡迎弗朗西斯出席首屆伊麗莎白女王工程獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮

?2018年，弗朗西斯被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

弗朗西斯挑戰(zhàn)了主流權(quán)威，用與前人不同的思維方式和方法深刻地改變了蛋白質(zhì)化學(xué)、催化和生物技術(shù)領(lǐng)域。正如弗朗西斯自己所說(shuō)：“如果你喜歡挑戰(zhàn)，就試著去做?！?/p>