熟鸡蛋变生?只是个比喻

西瓜网
2015-09-21
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还记得今年一月底那项号称“将熟鸡蛋变生”的研究吗?这个让人们的评价徘徊在“三观尽毁”和“闲得蛋疼”的研究,今天得了2015年搞笑诺贝尔奖的化学奖。

最近,一条科技新闻在社交媒体上广为传播,“科学家将被熟鸡蛋变生”的传闻甚嚣尘上。一些人大呼被这种逆天技术“刷三观”,另一边则有人觉得这是研 究人员“闲得蛋疼”在做无意义的事。然而实际上,研究者并没有真的“将熟鸡蛋变回生的”,这其实只是一种概括性的比喻。显然,这种比喻最终被一些媒体夸 大、误读了。

新浪微博上的一个相关新闻文案。图片来源:新浪微博

其实,相关研究结果发表在了学术期刊《ChemBioChem》上。通过阅读原文[1],我们可以发现这一技术的真实意义——让变性失活、结构乱掉的蛋白质恢复活性,重新折叠成正常的结构。论文的文末,用一小段用于通俗传播的总结,使用了让熟鸡蛋变生的比喻,仅此而已。

论文原文的末尾有一小段文字,以让熟蛋返生(uncooking an egg)的比喻为开头概括了技术原理。图片来源:研究论文[1]

蛋白质,重组蛋白的再折叠,和鸡蛋的“蛋白”

蛋白质是生命活动的主要承担者。多样的氨基酸排列组合,灵活的肽链折叠方式,使不同的蛋白质得以行使各种各样的功能。在生产蛋白质时,细胞内的“工匠”们会将遗传密码翻译成肽链——这些肽链像色彩斑斓的毛线,会通过一系列折叠和加工过程被“织”成能发挥作用的蛋白质。

蛋白质折叠的过程就好比用“毛线”织“毛衣”。图片来源:维基百科

织毛衣需要按照特定的方法缠绕毛线才能成形,要得到具有功能的蛋白质,也需要适当的折叠过程。当蛋白质周围的物理、化学环境不理想时,蛋白质便会“变性”,失去原有的功能——就好像织物的编法被打乱,毛线成了杂乱无章的线团。

在科研和技术实践中,人们通常将各种“纺毛线”的活交给大肠杆菌或者酵母代劳:通过基因重组“布置任务”之后,它们会大量表达目标蛋白质——这些产 品被称为“重组蛋白”,利用大肠杆菌生产的胰岛素就是其中的典型代表。由于重组蛋白的生产流程简单可控,产量大,且在正确构象下和“原生”蛋白几乎没有差 异,这种技术大大减少了相关研究和应用里的时间和物力投入。事实上,重组蛋白表达技术每年在工农业、医药和环境领域占据的市场份儿已经达到了160亿余美 元[2]。

然而,由于这样的“毛衣”并不是在它们习惯的细胞环境中生产出来的,所以一些肽链在折叠组装的过程中难免会出错,成为没有功能的“乱线团”,进而聚 集为沉淀或者包含体(inclusion body)。这个过程和蛋白质在不理想的环境下变性类似,例如蛋清受热凝固,失去生物活性。可想而知,“毛衣”变成“乱线团”的现象会造成人力物力的损 失。改善重组蛋白的折叠,也因此成为了研究热点。

在这个被称为“熟鸡蛋变生”的研究中,加州大学尔湾分校(University of California, Irvine)和西澳大学(University of Western Australia)的研究者们,实际上是研发出了一套能更快更好地促进聚沉重组蛋白在体外发生再折叠的技术——换句话说,他们要将沦为“乱线团”的蛋白 质重新变回成品“毛衣”。

蛋白质从变性(Denaturation)到复性(Renaturation)的示意图。图片来源:2012books.lardbucket.org

研究者以三种不同的蛋白为示例对技术进行了说明,这些蛋白分别是小窝蛋白-1(caveolin-1)、蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)和鸡蛋清溶菌酶(hen egg-white lysozyme,HEWL)——咦,鸡蛋清溶菌酶,似乎真的跟“鸡蛋”搭上边了。

熟蛋变生蛋?并没有

设法让变性蛋白质重新折叠的技术并不是没有,但它们大多费时费力。比如,用高浓度尿素将蛋白质完全变性溶解(解开“线团”)后,再用数升溶液进行数 天的透析来慢慢除去尿素,等这些蛋白质一点点折回正确的样子。而这项研究里,研究者们利用涡流装置(vortex fluid device,VFD)对蛋白质包含体悬浊液进行旋转处理,从而产生剪切力,将“乱线团”快速拆开,辅助蛋白质进行再折叠。

涡流装置(vortex fluid device,VFD)示意图。转速足够高时,液体会均匀贴壁。根据不同蛋白的性质,通过调整转速来调节液体内的剪切力大小,便能实现包含体的解构和蛋白再折叠。图片来源:研究论文[1]

为了测试这套技术的本领,研究小组确实用了蛋清——不过可不是你想的那样。他们将蛋清用磷酸缓冲液稀释后,在90℃下煮了20分钟,得到了所谓的 “熟鸡蛋清”。随后,他们用高浓度的尿素将这份“乱线团”给溶了,再利用VFD技术处理使其中的蛋白再折叠。对其中鸡蛋清溶菌酶(hen egg-white lysozyme,HEWL)活性的测定表明,哪怕只旋转2.5分钟,这些溶菌酶也能正确地折叠回来,恢复大部分活性。对于这些溶菌酶而言,它们的确可以 说是从熟鸡蛋中的状态回到了生鸡蛋中的状态——不过,这显然不是把熟鸡蛋整个变回生鸡蛋。

并不是所有“乱线团”都能这样变回“毛衣”。后续实验中,研究团队还测试了小窝蛋白-1(caveolin-1)的膜外结构域(这个蛋白在细菌表达 时中特别容易叠错,形成沉淀)以及分子量相对较大的蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)。他们的结果表明,不同的蛋白质确实需要不同的处理参数(转速、处理时间等),相比之下,分子量大的蛋白质也更难恢复活性。不过,尽管应用面 仍有限制,但相比于耗费数天的透析,这项技术的“重织毛衣”速度显然快得多,而且反应在室温下就能进行。这对科研圈和生物技术产业而言都是个好消息。

经过涡流装置(vortex fluid device,VFD)处理的鸡蛋清溶菌酶(HEWL)恢复了活性。纵轴为溶菌酶活性,不同组别从左至右依次为变性的重组HEWL蛋白,经固定体积 (confined)和连续(continuous)的VFD处理后的HEWL蛋白,以及未经处理和经固定体积的VFD处理后的天然HEWL蛋白。图片来 源:研究论文[1]

技术虽抢眼,解读需谨慎

读到这里,这项进展的原貌和现实意义就比较清楚了:实验本身并不涉及直接把熟鸡蛋变生,“返生熟鸡蛋”也只是一种对实验原理的通俗概括。这项技术可 没办法让你餐桌上的熟鸡蛋回到烹饪前,但它确实有潜力让生物公司和实验室以省时省力省钱的方式,将重组蛋白更快更好地变成正确的样子。因此,大家大可不必 为“三观被刷”而惶恐,也别急于斥之“无厘头”。鸡蛋还在那,真相也是。

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