交大教授钱嘉韵:PCR背后的诺奖遗珠 | 大学长系列
【编者】 在现代分子生物学中,PCR 技术的重要性无需多言,它几乎改变了整个生命科学研究的格局。1983 年,美国科学家卡里·穆利斯首次提出 PCR 的概念;1985 年,随着耐高温的 Taq DNA 聚合酶被引入,PCR 技术真正进入高效、自动化的实用阶段。仅仅短短几年之后,这一突破性成果于 1993 年获得诺贝尔化学奖! 鲜为人知的是,这项技术背后有交大人的身影,那就是钱嘉韵!她在博士阶段的研究中,从黄石国家公园的嗜热菌中分离出热稳定的 Taq DNA 聚合酶。正是这一成果,使 PCR 技术突破了操作瓶颈,成为简便易行、普及应用的分子生物学基础工具。 遗憾的是,钱博士并未因此获得诺贝尔奖的殊荣。问及此话题,她反而很高兴硕士时的研究能对 PCR 有所贡献,至于转换领域,她觉得「上帝引领我走另外一条路,其实也很精采啊!」佩服先生之大度与胸怀! 本期大学长系列带您走进这段“诺奖遗珠”的科学故事,也让我们再次为交大人的贡献而感到自豪。 1975年夏,在辛辛那提大学取得细胞生物学硕士学位的钱嘉韵面临抉择:她已获得奖学金可留校继续攻读博士,但未婚夫张南骥还在爱荷华州立大学读硕士,她应该待在辛辛那提还是转往爱荷华? 他们俩原是辅仁大学生物系的同班同学,但大学四年期间,张南骥对钱嘉韵的爱慕之心一直藏在心中。1972年毕业后,张南骥去服兵役,隔年听闻钱嘉韵到美国留学,便写信向她请教留学事宜,但实则借此逐步表达爱意。 钱嘉韵虽然在书信往返中对张南骥颇有好感,但等到他来美国相见时,她反而却步了,直到张南骥后来又从爱荷华过来找她,两人谈起圣经教义产生共鸣,才打开心房,互订终身。然而他们若不想分隔两地,势必要有一人转学,钱嘉韵没考虑太久,便主动表示愿意配合张南骥,前往爱荷华州立大学攻读神经生物学博士。 他们两人先后取得博士学位后,相偕于1982年返台,同在阳明医学院任教。钱嘉韵专心于神经科学的研究与教学,完全没有料到几年之后,她已抛在脑后的硕士论文竟成了改变世界的关键环节。 1983年4月的一个夜晚,在美国生技公司Cetus(注)任职的生物化学家穆利斯(Kary Mullis)开车载着女友前往度假小屋时,突然灵光一闪,想出可以在短时间内大量复制DNA特定片段的方法,也就是如今我们所熟知的“聚合酶链式反应”(Polymerase Chain Reaction,简称PCR)。不过当他回到公司进行实验后,却一直无法获得预期的扩增效果。第二年公司高层逼迫穆利斯让另一个小组加入研究,才终于用大肠杆菌中的DNA聚合酶作为酶,成功展现PCR的实际成效。 穆利斯获奖现场(图片来源:karymullis 官方网站) 不过PCR的第一步要将DNA加热到95℃,让缠绕的双螺旋分开,聚合酶才能以分开的两条DNA单链为模板,合成出互补的单链,使得DNA倍增。然而大肠杆菌的DNA聚合酶在高温下即失去活性,因此必须等温度降至37℃才能加进来,于是每倍增一次,就要再重复一次加热、降温、加入酶的过程。必须如此重复30到40次,才能获得足够数量的DNA,但每次都要靠人工操作,费时又费力,使得PCR的实用性大打折扣。 錢嘉韻於 1976 年發表的論文 如果有耐高温的DNA聚合酶就好了。这样一开始就可以全放进去,然后让机器自动调节温度的变化,三、四十次的倍增过程中完全不用人工作业,大幅提升PCR的效率。 于是穆利斯的团队开始发掘耐热的菌种,最后在一篇1976年发表于《细菌学期刊》(Journal of Bacteriology)的论文挖到了宝。论文中提到黄石公园的热泉里有种水生栖热菌在70℃的高温下仍能正常繁殖,他们已从中分离出耐高温的Taq DNA聚合酶(Taq是用该菌名称Thermus aquaticus的字首结合而成)。更棒的是,里面还详述分离纯化的步骤以及此酶的相关特性,例如复制DNA的最适温度、最适pH值、需用二价镁离子辅助等等。 穆利斯的团队按论文所述提炼出 Taq 聚合酶后,用来进行 PCR 实验,结果真的就不用每次都要再添加酵素,不但简化操作程序,整个连锁反应也更为稳定。他们于 1988 年发表 PCR 自动化的论文,Cetus 同时将相关技术申请专利(包括纯化 Taq 聚合酶的方法),并发明出全自动化的 PCR