編譯 希區(qū)客

美國(guó)化學(xué)家卡羅琳?貝爾托西表示，自己幾乎就是憑借“潛意識(shí)”走上科學(xué)之路的。2020年3月，貝爾托西憑借其首創(chuàng)的可在活體細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的生物正交化學(xué)反應(yīng)，獲得了索爾維未來化學(xué)獎(jiǎng)

卡羅琳?貝爾托西（Carolyn Bertozi）的父親是麻省理工學(xué)院的物理學(xué)教授，但她進(jìn)入哈佛大學(xué)后，一度想主修音樂。“我父母不希望我這么選擇。我的一個(gè)親戚從事音樂事業(yè)，最后卻通過在銀行上班來付房租。我不太敢違抗他們?！庇谑撬x擇了包括數(shù)學(xué)和科學(xué)課程在內(nèi)的醫(yī)學(xué)預(yù)科課程，并在大一結(jié)束時(shí)決定主修生物學(xué)。她表示：“我在大一并不喜歡普通的化學(xué)課。它只是我必須打勾的一個(gè)選項(xiàng)而已。”

使得貝爾托西意識(shí)到化學(xué)之趣是第二年的有機(jī)化學(xué)課。她打趣道：“同學(xué)們對(duì)這門課的評(píng)價(jià)是‘教授簡(jiǎn)直在故意為難我們，同學(xué)們抱怨要背的東西太多，但到目前為止，我最喜歡它，我絲毫不覺得有機(jī)化學(xué)繁瑣或怪異，它匹配上了我的大腦。”

一年后，貝爾托西從生物轉(zhuǎn)向化學(xué)。當(dāng)然，音樂事業(yè)并沒有半途而廢。當(dāng)許多同學(xué)在餐館做服務(wù)員以支付大學(xué)費(fèi)用時(shí)，她在重金屬搖滾樂隊(duì)里演奏電子琴并伴唱。那是20世紀(jì)80年代，她所在的樂隊(duì)經(jīng)常在大學(xué)派對(duì)等活動(dòng)中演奏自己的金屬搖滾或流行歌曲。

尋找實(shí)驗(yàn)室的本科生

哈佛大學(xué)鼓勵(lì)理科學(xué)生在暑假期間去實(shí)驗(yàn)室工作。貝爾托西回憶道：“大二結(jié)束后，我想去有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室做研究，但他們都說已經(jīng)滿人了?！彼罱K去了馬薩諸塞州眼耳醫(yī)院的實(shí)驗(yàn)室研究氧化膜損傷問題。其間，她每周都跟著艾琳?科切瓦爾（Irene Kochevar）教授學(xué)習(xí)，帶著一堆硬幣，去近5公里外的醫(yī)學(xué)院圖書館復(fù)印論文。

美國(guó)著名搖滾音樂人湯姆?莫雷羅（Tom Morero）曾與貝爾托西身處同一支樂隊(duì)

卡羅琳?貝爾托西從2015年開始進(jìn)入斯坦福大學(xué)工作

當(dāng)時(shí)，激光眼科手術(shù)還是一個(gè)新鮮事。貝爾托西表示，了解眼部組織會(huì)否被手術(shù)激光損傷很重要。她通過特殊的搖動(dòng)方式把膜取下，然后用激光照射它們，看看它們紅細(xì)胞中的“鬼影”會(huì)不會(huì)因此被去除。

不久后，貝爾托西的化學(xué)之路迎來轉(zhuǎn)折?！拔覍W(xué)習(xí)了物理有機(jī)化學(xué)研究生第一年的課程，也結(jié)識(shí)了一些畢業(yè)生，參觀了他們的實(shí)驗(yàn)室。我本以為他們可能會(huì)向我介紹他們的首席研究員（PI），這樣可以幫助我獲得暑期實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，但實(shí)際上并沒有。我開始覺得成為有機(jī)化學(xué)家似乎不是一個(gè)好主意?！?/p>

貝爾托西先是在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室找到了一份工作，然后又遇到了當(dāng)時(shí)正教授研究生課程的物理化學(xué)助理教授喬?格拉博夫斯基（Joe Grabowski）。格拉博夫斯基的實(shí)驗(yàn)室只有一名畢業(yè)生——因?yàn)樗慕淌陬愋蜎Q定了他獲得終身教職的可能性很低，鑒于這位教授長(zhǎng)期前景的不確定性，畢業(yè)生們往往不愿意拜其門下。

格拉博夫斯基的實(shí)驗(yàn)室是招收本科生的?！耙惶煜抡n后，他問我是否愿意去他實(shí)驗(yàn)室度過這個(gè)夏天。機(jī)會(huì)從天而降，讓我大吃一驚，所以放棄了生化實(shí)驗(yàn)室的B計(jì)劃?！?/p>

搭設(shè)備，找實(shí)習(xí)

格拉博夫斯基想開展一個(gè)光聲量熱計(jì)項(xiàng)目，旨在測(cè)量光激發(fā)的分子松弛并釋放熱量導(dǎo)致局部溶劑膨脹時(shí)形成的壓力波?！鞍邀溈孙L(fēng)放在試管的邊緣，你就可以聽到聲波?！毖芯空咄ㄟ^波的振幅了解以熱量形式損失的能量。

貝爾托西需要構(gòu)建和組裝組件以測(cè)量聲波，并將這些模擬信號(hào)數(shù)字化。到夏末，她又創(chuàng)建了一個(gè)將這些數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖形的程序。

最后，這個(gè)項(xiàng)目成為了貝爾托西的本科論文。當(dāng)她離開實(shí)驗(yàn)室時(shí)，儀器已經(jīng)搭建完成——盡管她從未進(jìn)行過任何實(shí)驗(yàn)?！斑@項(xiàng)工作不是有機(jī)合成，但它教會(huì)了我，你不必事先就很清楚通往大目標(biāo)的道路——每天你做一些事情，隨著時(shí)間的推移，雜草會(huì)慢慢被除盡，道路會(huì)變得更加清晰。你或許會(huì)被巨大的挑戰(zhàn)嚇到，但要知道問題的解決并非一蹴而就。接受超出我能力范圍的項(xiàng)目是很棒的經(jīng)歷，我需要盡全力解決所有問題?！?/p>

當(dāng)然，除了在物化實(shí)驗(yàn)室鉆研設(shè)備，貝爾托西也一點(diǎn)沒放下有機(jī)合成。她如此說道：“雖然擺弄電腦和激光很有趣，但我真的很喜歡思考有機(jī)分子的行為，也非常期待創(chuàng)造新分子。我對(duì)酶如何操縱分子非常著迷。”

在新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室的暑期實(shí)習(xí)給了她更多靈感。貝爾托西與年輕的科學(xué)家克里斯托弗?奇德西（Christopher Chidsey）合作，研究金表面上的烷基硫醇自組裝單層。“我還沒有做任何合成，但至少我溶解并制備了有機(jī)化合物！我想我已經(jīng)掌握了一項(xiàng)有用的技能！”那年夏天發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（The Journal of The American Chemical Society）的文章至今仍是她被引用次數(shù)最多的論文之一。也正是從那以后，貝爾托西發(fā)表了許多有影響力的成果。

獨(dú)立發(fā)論文的化學(xué)研究生

在來到加州大學(xué)伯克利分校（UCB）攻讀研究生后，貝爾托西的合成夢(mèng)想終于實(shí)現(xiàn)了。她開始跟隨馬克?貝德納爾斯基（Mark Bednarski）開展生物學(xué)研究，致力于分子設(shè)計(jì)。

貝德納斯基是貝爾托西在哈佛認(rèn)識(shí)的一位年輕學(xué)者，他當(dāng)時(shí)在喬治?懷特塞茲（George Whitesides）的實(shí)驗(yàn)室里做博士后研究員，對(duì)碳水化合物化學(xué)/糖科學(xué)非常感興趣。根據(jù)貝爾托西的介紹，那會(huì)兒他正研發(fā)神經(jīng)氨酸酶抑制劑米韋來扎（Zanamivir）和奧司他韋（Oseltamivir）以作流感藥物，這兩種藥物都與唾液酸相似。但到入學(xué)后的第三年，貝德納爾斯基被診斷出結(jié)腸癌。他請(qǐng)假接受治療，之后決定成為一名醫(yī)生，并在斯坦福大學(xué)攻讀醫(yī)學(xué)。貝爾托西并沒有轉(zhuǎn)去其他課題組，而是在沒老師監(jiān)督的情況下獨(dú)自完成博士學(xué)位。

她回憶道：“由于監(jiān)管和安全方面的問題，現(xiàn)在這種情況不會(huì)發(fā)生了。我回想起那段時(shí)光真的感覺有點(diǎn)瘋狂！我心存感激，因?yàn)槲业捻?xiàng)目終于重回正軌了，我可不想去別的實(shí)驗(yàn)室從頭再來?！?/p>

之后兩年，貝爾托西和兩名同組的研究生同學(xué)自主開展研究并投稿（甚至敦促編輯評(píng)論）。“當(dāng)時(shí)我們有點(diǎn)沮喪，不知道該怎么辦。但回想起來，在沒有PI的情況下，我們學(xué)會(huì)了更積極更高效地完成任務(wù)，解決問題。

拿到博士學(xué)位后，貝爾托西進(jìn)入加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）的免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)室做博士后研究，其間她再次遇到了在斯坦福大學(xué)任教的奇德西。后者鼓勵(lì)她申請(qǐng)化學(xué)生物學(xué)方面的學(xué)術(shù)工作——當(dāng)時(shí)斯坦福大學(xué)正尋找合適的化學(xué)生物學(xué)家。她回憶說：“我意識(shí)到自己想留在舊金山灣區(qū)，所以我也申請(qǐng)了UCB和UCSF?！边@三所高校都給了她工作機(jī)會(huì)，而她選擇回到伯克利。

貝德納爾斯基在與結(jié)腸癌抗?fàn)幜?4年后，于2006年去世，享年47歲

生物正交化學(xué)的誕生

成為博士后的貝爾托西發(fā)現(xiàn)研究生物系統(tǒng)中的糖科學(xué)多么令人沮喪——研究工具是如此原始，以至于無法測(cè)量細(xì)胞、組織或器官，“我認(rèn)為必須有更好的方法”。

這成為她在伯克利的第一項(xiàng)科研任務(wù)：開發(fā)合適的工具，幫助糖蛋白科學(xué)家更高效地取得進(jìn)展。當(dāng)時(shí)科學(xué)家可以借助成像技術(shù)觀察蛋白質(zhì)或核苷酸，但對(duì)于糖，他們還拿不出好的成像方法。鑒于此，貝爾托西開始研發(fā)成像工具，并嘗試在糖上放置了探針，以便對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。這帶來了一種代謝標(biāo)記方法——通過代謝前體將標(biāo)記物置入糖中，從而成為細(xì)胞的“食物”的一部分。她說：“探針本身不能以這種方式插入，因?yàn)樗鼈兲螅瑫?huì)被酶破壞，但你可以在糖上面貼好化學(xué)標(biāo)簽，然后再添加探針?！?/p>

貝爾托西奉上了一種新型反應(yīng)，所謂的“生物正交化學(xué)”。這種化學(xué)反應(yīng)發(fā)生于生物體內(nèi)，但不會(huì)與任何自然生物過程相互作用或彼此干擾。她實(shí)驗(yàn)室的工作包括開發(fā)生物正交反應(yīng)方法，以及對(duì)標(biāo)記好的糖進(jìn)行應(yīng)用和成像。

“然后，新的想法從正進(jìn)行著的項(xiàng)目中出現(xiàn)?！蹦菚r(shí)剛發(fā)布結(jié)核桿菌的基因組序列，研究生約瑟夫?穆戈斯（Joseph Mougos，現(xiàn)在已是一名成功的學(xué)者）對(duì)此充滿研究熱情。貝爾托西表示：“我們正研究各種人類酶，于是將它們的基因序列與結(jié)核桿菌的基因組進(jìn)行比較，看能否從微生物中找到酶的 ‘遠(yuǎn)親’。就在這個(gè)過程中，穆戈斯驚訝地發(fā)現(xiàn)了人類硫酸?；ɑ腔﹫F(tuán)，一種轉(zhuǎn)移酶的‘遠(yuǎn)親’，可以將硫酸酰基連接到糖上?！?/p>

下一步是制造突變體并尋找表型，但這項(xiàng)工作說起來容易做起來難，因?yàn)榕c結(jié)核桿菌打交道需要有3個(gè)生物安全控制設(shè)施的支持，而貝爾托西的實(shí)驗(yàn)室難以滿足條件?！拔沂侵斫淌?，資金緊張，但同時(shí)我又想，如果我作為一名本科生能搭建出量熱計(jì)設(shè)備，我為什么不去嘗試研究結(jié)核桿菌和磺基？”之后，穆戈斯找到了必要的滿足安全要求的設(shè)備，也想出了如何誘導(dǎo)突變?！拔覀冮_發(fā)了一個(gè)大型監(jiān)管平臺(tái)，使我們能夠使用富含硫酸鹽（其中的硫元素為硫-34）的標(biāo)記物來尋找代謝物。”

貝爾托西說道：“我們發(fā)明了一種熒光標(biāo)記試劑?，F(xiàn)在這個(gè)項(xiàng)目得到了比爾和梅琳達(dá)?蓋茨基金會(huì)的支持。我們希望創(chuàng)建出即時(shí)診斷系統(tǒng)。如果沒有學(xué)生去推動(dòng)結(jié)核病研究，我們就無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。我們花了10年時(shí)間才蹚出這條路?！?/p>

聚糖酶與轉(zhuǎn)錄因子

在伯克利待了近20年后，2015年，貝爾托西再度收到了斯坦福的邀約?！斑@一次眾星云集。他們?cè)诨瘜W(xué)生物學(xué)領(lǐng)域做了大量投入，新建了一座大樓，新增了20名教職員工，其中包括幾位資深教授。”斯坦福當(dāng)時(shí)正建立新研究所，對(duì)她來說，這似乎是開啟另一段學(xué)術(shù)征程的大好機(jī)會(huì)。

貝爾托西本沒有考慮離開伯克利，而且當(dāng)時(shí)的時(shí)機(jī)也不理想，因?yàn)樗蛺廴苏郎?zhǔn)備迎接第三個(gè)孩子，但她很快確定了自己的想法，那就是接受這份工作?！拔蚁Ｍ业膶W(xué)生能在醫(yī)療生態(tài)環(huán)境中獲得經(jīng)驗(yàn)，這在伯克利并不容易，而斯坦福有一所醫(yī)學(xué)院，所以我們搬到了舊金山?！?/p>

下一個(gè)意想不到的研究方向很快就出現(xiàn)了?！拔医拥剿固垢ＰＳ芽死锼雇?威爾西（Kristen Wilsey）的電話。她如今是個(gè)成功的科技企業(yè)家，其小女兒格蕾絲被診斷出患有一種極為罕見的遺傳病——她體內(nèi)的Ngly1基因發(fā)生突變，導(dǎo)致先天性去糖基化障礙。Ngly1基因編碼N-聚糖酶1——存于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)，負(fù)責(zé)切除錯(cuò)誤折疊的糖蛋白中天冬酰胺連接的寡糖鏈。威爾西成立了一個(gè)非營(yíng)利性研究基金會(huì)，旨在尋找治療方法。他此前招募了幾位知名的遺傳學(xué)家和生物學(xué)家?！拌b于我的實(shí)驗(yàn)室致力于糖科學(xué)研究，他想知道我們能否在其中做些工作?！?/p>

“在沒有很好地理解N-聚糖酶的喪失如何致病的情況下，我對(duì)于提出一項(xiàng)研究計(jì)劃感到猶豫不決?！必悹柾形鳟?dāng)時(shí)尚未就N-聚糖酶的功能理清頭緒，也給不出一個(gè)關(guān)于酶缺陷與患者癥狀間關(guān)聯(lián)的合理假設(shè)。

加州理工學(xué)院比格特?德賽斯教授

幾個(gè)月過后，巧合再次發(fā)生。在一次會(huì)議上，貝爾托西與加州理工學(xué)院的比格特?德賽斯（Biogart Ray Deshaies）聊起了N-聚糖酶。實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中的大多數(shù)經(jīng)過Ngly1突變改造的細(xì)胞并沒有如預(yù)期那般發(fā)生去糖基化障礙，充滿糖蛋白“垃圾”，反倒是在沒有N-聚糖酶1的情況下過得很好，可是缺了N-聚糖酶1的人類和實(shí)驗(yàn)室小鼠卻都病得很重。

他們開始懷疑生物體的某些細(xì)胞內(nèi)存在重要的底物（實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)出來的細(xì)胞則不一樣）。一個(gè)人要想保持健康，這些糖底物必須通過N-聚糖酶1去除——但尋找這些底物是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

德賽斯多年來一直致力于研究NRF1這一不同尋常的轉(zhuǎn)錄因子。它在調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)以及維持神經(jīng)元健康方面發(fā)揮著重要作用，也能限制蛋白酶抑制劑的有效性。但根據(jù)德賽斯的理論，NRF1必須在活化狀態(tài)下才有效，而其表面的一些糖分子會(huì)阻止它被激活，因此去糖基化——更準(zhǔn)確地說，去除它表面的N-聚糖——對(duì)于NRF1的激活至關(guān)重要。

貝爾托西團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，缺少N-聚糖酶1使得NRF1難以活化，也就無法維持神經(jīng)元和其他細(xì)胞的正常運(yùn)轉(zhuǎn)——這可以解釋Ngly1基因缺陷患者的一部分臨床表現(xiàn)。在利用N-聚糖酶1完成了NRF1表面的去糖基化后，他們看到突變小鼠不再出現(xiàn)相關(guān)癥狀。

貝爾托西表示：“我們將開展更接近斯坦福臨床科學(xué)目標(biāo)的研究。這是一個(gè)始于患者的項(xiàng)目，現(xiàn)在成為我們實(shí)驗(yàn)室努力的一大方向。”

另一方面，貝爾托西也將目光投向了免疫腫瘤學(xué)。這是一個(gè)熱門領(lǐng)域，也有糖科學(xué)研究者的用武之地——糖基化在腫瘤微環(huán)境的免疫調(diào)節(jié)方面起到重要作用?！斑@是糖科學(xué)家的好機(jī)會(huì)。生物學(xué)家正使用基于CRISPR的基因組篩查來尋找糖關(guān)聯(lián)基因的重要作用，非常希望與那些能找出相關(guān)生化途徑的專家交流合作。

“機(jī)遇引領(lǐng)你前進(jìn)。如果你足夠幸運(yùn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一些機(jī)會(huì)。更多人可能會(huì)錯(cuò)過很多機(jī)遇，因?yàn)槲覀兙蜁r(shí)間有限。你無法關(guān)注到每一件小事，但如果你看到了它，你一定要努力抓住它，跟著它前進(jìn)。”

資料來源 Chemistry World