尹穎堯

北京時間10月7日，2020年諾貝爾化學獎授予了詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）和埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier），其獲獎原因：開發(fā)了一種基因組編輯方法。

詹妮弗·杜德納是美國加州大學伯克利分校的一名教授，也是美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory，簡稱“伯克利實驗室”）的一名生物化學科學家。這一天，她也成為伯克利實驗室歷史上第十四位獲得諾貝爾獎的科學家。

伯克利實驗室位于加州大學伯克利分校的山丘上，占地1226英畝，約75個標準足球場那么大，景色怡人，俯視壯麗的舊金山灣。伯克利實驗室是美國能源部主管的17個國家實驗室之一，由加州大學代管，圍繞能源、生命系統(tǒng)、宇宙中的物質(zhì)和能量等進行交叉學科的基礎研究，成績斐然。2012年，詹妮弗·杜德納教授和法國女科學家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶在《科學》雜志上發(fā)表論文指出，細菌用以對抗病毒的CRISPR-Cas9系統(tǒng)可以作為簡單、靈活的基因組編輯工具。通過它，科學家可以高效、精確地改變或替換植物、動物（包括人類）的基因?，F(xiàn)在，簡單、廉價和高效，CRISPR已成為全球最為流行的基因編輯技術，被稱為編輯基因的“魔剪”。

“科研團隊（team science）”

自1931年8月誕生以來，伯克利實驗室始終堅守著一個信念：科學研究需要團隊。

這一信念由實驗室創(chuàng)始人、物理學家歐內(nèi)斯特·奧蘭多·勞倫斯（Ernest Orlando Lawrence）提出。他是“科研團隊（team science）”概念公認的鼻祖。

1928年夏，27歲的勞倫斯離開耶魯大學，加入加州大學伯克利分校。任教期間，他發(fā)明了一種獨特的粒子加速器——回旋加速器，為科學界敲開了通往高能物理學的大門。勞倫斯于1939年獲得了諾貝爾物理學獎，打響了伯克利實驗室勇奪諾貝爾獎的第一槍。除了在物理系授課，勞倫斯還受聘于化學系，這讓他接觸到不同領域的科學家和學生。勞倫斯慢慢發(fā)現(xiàn)并堅信，科學研究最好由具有不同專業(yè)知識的人組成團隊，共同完成。

1931 年夏建造完成的第一臺回旋加速器的加速腔，直徑為4.5 英寸（約11.43厘米），可以將氫離子加速至80000 電子伏特的能量。為了建造直徑27 英寸（約68.58厘米）加速腔的加速器，勞倫斯需要更大的實驗室。同年8 月他從伯克利大學獲得了位于物理系附近一個閑置的建筑物。勞倫斯將其命名為“放射線實驗室（Radiation Laboratory）”，并招募了一支由物理學、化學、生物學、工程學和醫(yī)學科學家和學生組成的科研團隊。后來，為了建造更大直徑加速腔的加速器，勞倫斯將實驗室搬離了校園，搬到校園上方的山丘，即現(xiàn)在俯視舊金山灣的地方。1959年8月27日，剛過完57歲生日的勞倫斯去世了。之后，實驗室正式以他的名字命名。

發(fā)明回旋加速器、參與原子彈研發(fā)、發(fā)現(xiàn)化學元素周期表中第103號元素鐒……勞倫斯短暫的一生為科研作出了巨大貢獻，而“科研團隊”這一概念也成了勞倫斯留給伯克利實驗室最大的遺產(chǎn)，被一代代的科學家和學生傳承。詹妮弗·杜德納教授銘記這一概念，她與法國女科學家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶合作，成為第一支獲得諾貝爾獎的女性研究團隊。

35項大突破

“為世界提供科學方案（Bring Science Solutions to the world）”是伯克利實驗室的口號。1931年以來，他們提供了諸多改變世界的伯克利實驗室方案。從中，他們自評了35項大突破，現(xiàn)簡要列舉其中的10大突破。

確認大爆炸，發(fā)現(xiàn)暗能量。伯克利實驗室安裝在衛(wèi)星上的探測器，揭示了銀河系在大爆炸中誕生。實驗室的超新星宇宙學計劃發(fā)現(xiàn)了暗能量——構成宇宙四分之三并導致其加速擴展的神秘物質(zhì)。

鎖定恐龍殺手。1980年，由伯克利實驗室科學家沃爾特·阿爾瓦雷斯（Walter Alvarez）領銜的科研團隊發(fā)現(xiàn)：地球與一個小行星的碰撞，導致了恐龍的滅絕。

發(fā)現(xiàn)16個元素。如若沒有伯克利實驗室的貢獻，元素周期表會變得小些。伯克利實驗室在發(fā)現(xiàn)“锝”中功不可沒，這一發(fā)現(xiàn)徹底變革了醫(yī)學成像。實驗室發(fā)現(xiàn)了“镅”，如今它被廣泛運用于煙霧探測器。

好壞膽固醇。膽固醇既好又壞，實驗室的這一發(fā)現(xiàn)直接推動了1960年代心臟病的治療及突破。

重寫乳腺癌病因。一項革命性理論發(fā)現(xiàn)：乳腺癌的病因與乳腺細胞微環(huán)境的崩潰有關。

制造最小的機器。世界上最小的合成電動機在伯克利實驗室誕生，它比人的頭發(fā)還要細。

最小生命體成像。伯克利實驗室的科學家拍攝了超小型細菌的照片?？茖W界認為，這樣的細菌是最小的生命體，15萬個這樣的細菌才能填滿一根人類頭發(fā)的尖尖。

最強顯微鏡。2008年伯克利實驗室發(fā)明了電子顯微鏡TEAM，讓我們有機會窺視原子的世界。這臺顯微鏡產(chǎn)生的分辨率為半埃，比單個氫原子的直徑還要小。

解釋光合作用。有沒有想過植物如何將陽光轉化為能量？伯克利實驗室的梅爾文·卡爾文（Melvin Calvin）發(fā)現(xiàn)了答案。今天，這一發(fā)現(xiàn)讓科學家進一步思考：如何從陽光中獲取可持續(xù)能源。

從微生物中擠出燃料。與美國能源部聯(lián)合生物能源研究所共同開發(fā)出可直接從生物質(zhì)能（biomass）中產(chǎn)生燃料的微生物。

10大科研方向

伯克利實驗室擁有一支龐大的科研團隊，每年實驗室都碩果累累。

近年，他們展望未來，確定了伯克利實驗室未來十大科研方向。

重構地震建模。伯克利實驗室的研究人員正運用超強大的計算機，創(chuàng)建全球首個端到端（end to end）仿真框架，實時捕捉地震的地質(zhì)、物理參數(shù)。

生物原子成像。低溫電子顯微鏡正在變革結構生物學。目前，伯克利實驗室科學家正以接近原子的分辨率，獲得生物分子的成像。這將有助于藥物開發(fā)和醫(yī)學研究。

深入探索暗物質(zhì)。伯克利實驗室正引領美國最敏感的實驗，該實驗旨在發(fā)現(xiàn)理論上存在的暗物質(zhì)粒子WIMP。 這個實驗將在位于南達科他州地下4580英尺的斯坦福地下研究設施中開展。

制造更好的電池。伯克利實驗室運用同步加速器釋放出的X射線，開發(fā)了一項新技術，也能夠對鋰離子電池顆粒在充電和放電過程中的納米級變化進行成像，以新視角認識電池的工作原理。

提高農(nóng)作物產(chǎn)量。伯克利實驗室的科學家正在模擬植物利用陽光的方法，以提高光合作用的效率，進而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。他們與伊利諾伊大學的聯(lián)合研究表明，這項技術已現(xiàn)曙光。

清潔能源材料。科學家正在創(chuàng)造新型清潔能源納米材料，比如研發(fā)新催化劑，它可將二氧化碳轉化為液體燃料、溶劑和可再生原料的成分。

宇宙3D圖。伯克利實驗室發(fā)明的暗能量光譜儀（DESI）將更深入了解暗能量。通過接收數(shù)百萬個星系和其他天體的遠古光，揭示它們遠離地球的速度，并創(chuàng)建一個巨大的3D宇宙天體圖。

越來越小的電子。集成電路將繼續(xù)縮小尺寸，但終究受物理定律所限?？茖W家們毫無畏懼，他們使用能更好控制電子流動的材料，制造出的晶體管Gate端只有1納米長，突破了物理學上的尺寸障礙。

自動圖像識別。伯克利實驗室的研究人員正開發(fā)自動機器學習工具，以便從生物學和物理學等領域的圖像中分類、檢索科學數(shù)據(jù)。該技術未來可能的應用，包括從數(shù)以千計的健康細胞中快速識別癌細胞。

地下水銀行。能否將雨季的水儲存，以備干旱之需？

責任編輯：陳思