祝冷凍電鏡之父Joachim Frank

82歲生日快樂！

約阿希姆·弗蘭克，德裔生物物理學(xué)家，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，現(xiàn)任美國(guó)哥倫比亞大學(xué)教授，研究領(lǐng)域包括生物化學(xué)、分子生物物理學(xué)等。

1975年到2008年間，弗蘭克教授完善了電子顯微鏡圖像處理的單顆粒算法，發(fā)明了SPIDER軟件，該軟件至今為全世界上百家實(shí)驗(yàn)室廣泛使用。弗蘭克教授應(yīng)用冷凍電鏡和單顆粒技術(shù)，在解析原核和真核細(xì)胞核糖體結(jié)構(gòu)和功能領(lǐng)域做出了非凡的貢獻(xiàn)。

2017年10月，弗蘭克教授與雅克·杜波謝、理查德·亨德森共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)凇袄鋬鲭婄R用于生物分子結(jié)構(gòu)的高分辨率解析領(lǐng)域”做出的巨大貢獻(xiàn)。

2022年9月4日，弗蘭克教授在國(guó)際研討會(huì)后發(fā)表了生日演講，慶祝他80，81和82歲的生日。

本期水木視界對(duì)約阿希姆·弗蘭克教授的生日演講進(jìn)行翻譯，期望更多冷凍電鏡領(lǐng)域的同僚們能夠從這位傳奇冷凍電鏡之父的言語(yǔ)間獲得一些啟迪。

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"I can tell you that, it all started with a kick."—Joachim Frank

致我的朋友、學(xué)生和同事們，

50年前，我不曾想象自己的夢(mèng)想會(huì)在有生之年得以實(shí)現(xiàn)：我的那些研究，和我在編譯計(jì)算機(jī)程序上花費(fèi)的大量時(shí)間，孕育出了一項(xiàng)強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)生物學(xué)新技術(shù)，這種技術(shù)正在橫掃世界，讓我們得以深入了解那些形成生命結(jié)構(gòu)分子的細(xì)微運(yùn)作，研究病毒與人類受體的互動(dòng)方式，并進(jìn)而找到病毒進(jìn)入細(xì)胞的途徑。

1964年的夏天，我第一次接觸到分子生物學(xué)領(lǐng)域（那時(shí)你們中的許多人還沒有出生）。當(dāng)時(shí)我23歲，在弗萊堡大學(xué)獲得了物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，并剛剛搬到慕尼黑，開始撰寫我的碩士論文。重要的是，除了高中學(xué)過的基礎(chǔ)課程外，我對(duì)生物學(xué)一無(wú)所知。

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猶記得在年幼時(shí)的暑假期間，我坐在我父母位于北萊茵威斯特法倫州魏德瑙的房子后院里，那里是我的故鄉(xiāng)。不遠(yuǎn)處是我們的陽(yáng)臺(tái)，八歲時(shí)，我在那里做了我的第一個(gè)“科學(xué)”實(shí)驗(yàn)。在1964年的夏天，我坐在同樣的地方，嘗試著拆開一個(gè)新寄到的包裹，并期待著即將由德國(guó)學(xué)術(shù)獎(jiǎng)學(xué)金基金會(huì)舉辦的一系列研討會(huì)。這些研討會(huì)旨在將不同學(xué)科的學(xué)生聚集在一起，藉由學(xué)科的交叉，激發(fā)出一些前沿的創(chuàng)新思想。我報(bào)名參加了關(guān)于分子生物學(xué)的研討會(huì)。

在當(dāng)時(shí)，分子生物學(xué)正在逐漸被定義為一個(gè)領(lǐng)域。事實(shí)上，這個(gè)詞在1954年左右才被創(chuàng)造出來，它將生物學(xué)的最終目標(biāo)概括為"對(duì)分子及其相互作用的研究"。在五年后，也就是1959年，《分子生物學(xué)》期刊得以成立。分子生物學(xué)的子領(lǐng)域"分子遺傳學(xué)"反映了這樣一個(gè)基本觀點(diǎn)：在遺傳學(xué)中，遺傳的基礎(chǔ)可以通過體內(nèi)特殊分子的作用來解釋。其中，最重要的便是DNA，遺傳的物理基質(zhì)。

至于那天我在后院打開的快遞包裹里有什么？是一些關(guān)于分子遺傳學(xué)的開創(chuàng)性文章的重印本。其中有詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克在1953年發(fā)表的關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的《自然》論文。這篇論文的結(jié)尾有一句著名的，卻輕描淡寫的話：“不出所料，我們此前所假設(shè)的特定配對(duì)立即表明了遺傳物質(zhì)具有潛在的復(fù)制機(jī)制。”

"It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material."

—James Watson & Francis Crick

我還記得當(dāng)時(shí)讀到的另一篇文章，關(guān)于“一個(gè)基因一個(gè)酶”假說，于更早的1945年提出：這個(gè)假說后來被證明是錯(cuò)誤的，因?yàn)樗J(rèn)為每個(gè)基因只負(fù)責(zé)編碼一種且只有一種蛋白質(zhì)。

在我終于領(lǐng)悟了分子遺傳學(xué)的基礎(chǔ)概念時(shí)，我感到興奮異常，這個(gè)概念現(xiàn)在被定義為分子生物學(xué)的“中心教條”：這是由弗朗西斯·克里克創(chuàng)造的術(shù)語(yǔ)。如同許多高度情緒化的時(shí)刻一樣，比如1969年的登月，1986年1月28日挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛船的爆炸，或2001年9月11日雙子塔大樓的倒塌，在理解一個(gè)開創(chuàng)性事件的那一刻，我所處的視覺場(chǎng)景就像照片一樣永遠(yuǎn)地刻在我的記憶中：我坐在涂有白色油漆痕跡的木椅上，地面灑滿了白色的石英砂礫（我父親有每周六下午耙地的習(xí)慣），陽(yáng)光照射在我祖父母于1905年建造的紅磚家宅的屋頂上。那是一個(gè)突然的、瞬間的覺醒時(shí)刻，我的腦海中浮現(xiàn)出許多概念，格雷戈里·孟德爾關(guān)于特征遺傳的定律、生殖、細(xì)胞分裂、蛋白質(zhì)的合成...所有的概念都匯集在一個(gè)宏偉的藍(lán)圖中，它們?nèi)慷悸?lián)系在了一起。

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回顧過去，我認(rèn)為我的科學(xué)生活可以或多或少地劃分為四個(gè)階段。

第一階段“想法的大雜燴”是對(duì)許多想法的漫無(wú)目的的探索，允許它們?cè)谖翌^腦中相互碰撞。我對(duì)我的研究不設(shè)限，研究的內(nèi)容也沒有邊界。初識(shí)電子顯微鏡時(shí)，它和生物樣本是水火不容的。當(dāng)純粹的物理學(xué)與混亂的生物學(xué)相遇，許多想法都因不夠成熟而消散了。我并不知道自己如何能在科學(xué)領(lǐng)域有所作為。

接下來是第二階段“尤里卡！（古希臘語(yǔ)：我明白了?。?strong>”，在這個(gè)階段，我有了一個(gè)固定的研究思路：依靠溶液中的單分子集合進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析，這在當(dāng)時(shí)是相當(dāng)反常的。我把大量的時(shí)間花在編寫程序上，這些程序令我日思夜想，寢食難安。我生活在了我的程序中，這就像一個(gè)建筑師，不斷地建造和改變他注定要居住的房子。幸運(yùn)的是，我在現(xiàn)實(shí)生活中找到了一些同事和合作者，包括今天在這里的馬丁·凱瑟，他們給予我支持，使單顆粒概念的首批證據(jù)得以誕生。

然后是第三階段“豚鼠的核糖體”。作為新晉的研究員，在許多優(yōu)秀學(xué)生的幫助下，我能夠非常詳細(xì)地開發(fā)單顆粒方法。但是，如果沒有偶然地使用豚鼠的核糖體分子，這一切都不可能實(shí)現(xiàn)。許多與我合作的核糖體生物化學(xué)家制作了樣品，并提出了一些希望我能回答的問題。在這一過程中，我成為了一名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家。

第四階段“登峰造極境”，也就是當(dāng)下，我看到蓬勃發(fā)展的單顆粒技術(shù)在許多團(tuán)隊(duì)的手中綻放，達(dá)到了意想不到的完美程度，并欣慰地知道我的想法最終助力于許多科學(xué)家們成功取得了向往的獎(jiǎng)項(xiàng)。但在我所有的幻想中，我沒有預(yù)料到會(huì)在82歲生日那天，被我的許多學(xué)生們和來自世界各地的杰出科學(xué)家們包圍，并收到如此多的贊美。

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請(qǐng)?jiān)试S我多描述一些關(guān)于“尤里卡”階段的細(xì)節(jié)：單顆粒重建，如果一個(gè)分子沒有被結(jié)晶，我們?cè)趺茨苡^察它的結(jié)構(gòu)？這個(gè)反常的想法是怎么來的？

這一切都始于物理意義上的一“踢”。

1969年，在我開始在慕尼黑跟隨沃爾特·霍普從事博士工作的一年后，我認(rèn)識(shí)了波蘭教授安東尼·費(fèi)爾蒂諾夫斯基。他是一位難民，卻在電子顯微鏡方面有一些經(jīng)驗(yàn)，霍普同意在實(shí)驗(yàn)室里給他一個(gè)臨時(shí)職位。費(fèi)爾蒂諾夫斯基博士是一個(gè)高大的人。他嗓門極大，很有主見，而且相當(dāng)煩躁。他的牛脾氣影響了他所拍攝的顯微照片的質(zhì)量，因?yàn)?strong>他在實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)常會(huì)習(xí)慣性地踢一下桌腿，這導(dǎo)致照片往往是模糊的。

碰巧的是，當(dāng)時(shí)一種新的分析方式正在流行：光學(xué)衍射。當(dāng)把記錄在膠片上的電子顯微照片放入平行的激光束中，通過透鏡進(jìn)行聚焦，就會(huì)看到一個(gè)衍射圖案。它通常會(huì)顯示出襯度傳遞函數(shù)的特征，即所謂的索恩（Thon）環(huán)的形狀。這些環(huán)是以弗里茨·索恩的名字命名的，他是在1964年首次描述這類圖案的科學(xué)家。當(dāng)我把費(fèi)爾蒂諾夫斯基博士的顯微照片放入激光束中時(shí)，一種奇怪的疊加圖案出現(xiàn)了：它看起來就像索恩環(huán)被放在鐵柵欄后面。在我的認(rèn)知里，這些柵欄被稱為楊氏條紋。

這個(gè)奇怪的圖案一下子揭示了實(shí)驗(yàn)的許多重要信息：第一，襯度轉(zhuǎn)移函數(shù)。第二，圖像在曝光過程中因費(fèi)爾蒂諾夫斯基博士的踢腿而。第三，電子顯微鏡的分辨率，這可以通過能看到多遠(yuǎn)的條紋來進(jìn)行判斷。但最重要的啟發(fā)是，我意識(shí)到有可能將兩幅有噪聲的圖像中顯示的分子對(duì)準(zhǔn)，在物體的尺度上，實(shí)現(xiàn)3?或更高的精確度。（為了非專業(yè)人士能夠理解，1?是0.0000001毫米）

我的第一篇論文得以完成，這篇論文發(fā)表于1969年。令我驚訝的是，我的導(dǎo)師，霍普博士并不希望他的名字出現(xiàn)在論文上，并拒絕簽名。他希望我作為單一作者得到所有的榮譽(yù)。

由此，其他的一切都隨之而來。有時(shí)我會(huì)突然想起費(fèi)爾蒂諾夫斯基博士，他還好嗎？還會(huì)在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候踢一下桌腿嗎？

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我知道，許多學(xué)生和年輕的研究人員都希望能得到一些提示，指引他們如何在科學(xué)領(lǐng)域取得成功。例如，在2018年訪問我的母校弗萊堡大學(xué)期間，我被要求給學(xué)生做一個(gè)題為“如何成為諾貝爾獎(jiǎng)獲得者”的演講。

回顧過去，我發(fā)現(xiàn)我的成功伴隨著許多偶然性，寥寥數(shù)語(yǔ)并不足以描述。例如，費(fèi)爾蒂諾夫斯基博士的踢腿效應(yīng)。如果一定要我給出一些建議的話，這可以用一個(gè)詞來表達(dá)：“周邊視野”。留意狹窄的視野之外出現(xiàn)的一些暗示。實(shí)驗(yàn)中的每一個(gè)意外結(jié)果都可能有一個(gè)獨(dú)特的解釋，涉及一個(gè)新的概念，或是一個(gè)新的機(jī)制。有時(shí)，通過思考完全不相關(guān)的東西來克服障礙，甚至可以讓思緒飛向科學(xué)之外。用理查德·費(fèi)曼的話說：“以最無(wú)紀(jì)律、最不敬業(yè)和最原始的方式，努力研究你最感興趣的東西”。

“Study hard what interests you the most in the most undisciplined, irreverent and original manner possible.”

—Richard P. Feynman

而且一定要有情感上的支持，以彌合大量的不成功、實(shí)驗(yàn)失誤和其他挫折。我非常幸運(yùn)地得到了我妻子卡羅爾的支持，在將近40年的時(shí)間里，她對(duì)我的支持風(fēng)雨無(wú)阻。

再次祝愿Joachim Frank教授82歲生日快樂！

水木未來丨視界 iss. 29Copyright ? Joachim Frank
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