澎湃新聞首席記者 賀梨萍
2017年，諾貝爾化學獎花落冷凍電鏡（Cryo-EM）技術；2021年，諾貝爾生理學或醫學獎授予兩位美國科學家戴維·朱利葉斯（David Julius）和阿登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian），表彰他們在「發現溫度和觸覺感受器」方面作出的貢獻。
細細翻閱這兩份諾獎級成果背後的故事，我們會發現有一位華人學者都緊密聯繫其中。美國科學院院士、加利福尼亞大學舊金山分校程亦凡教授，是冷凍電鏡技術革命中的佼佼者，正是他和朱利葉斯研究組用冷凍電鏡首次得到了膜蛋白TRPV1的3.4埃接近原子級別高解析度三維結構，這一結果被視為具有里程碑意義。
「我和戴維差不多從2009年就開始合作，總是想他應該有一天能夠得獎，所以我非常高興。」程亦凡在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）採訪時仍難掩其對合作夥伴獲獎的激動和喜悅。
程亦凡1982年本科、1987年碩士畢業於武漢大學物理系。1987 年進入中國科學院物理研究所跟隨李方華院士攻讀博士學位，從事電子光學，成象理論和高分辨電鏡的理論和實驗技術的學習、研究和應用。博士畢業之後，程亦凡先後輾轉於挪威和德國做博士後，從事材料科學方面的電鏡研究。
1996年，程亦凡以34歲「高齡」從物理跨界轉行到生物學領域，在美國和日本繼續做博士後，開始對冷凍電鏡技術非常感興趣，利用冷凍電鏡研究二維晶體和膜蛋白結構。2006年，程亦凡成為加利福尼亞大學舊金山分校助理教授，建立了自己的實驗室，2012 年拿到終身教職。2019年當選美國藝術與科學學院院士，2020年當選美國科學院院士。
程亦凡曾自稱是加利福尼亞大學舊金山分校年齡最大的初級教授，博士畢業後用了15 年時間才任助理教授。這份坦然和純粹在採訪中也體現一二，「當然，這次戴維他們得獎不是因為解出結構，是因為他們長期的蛋白研究，但是我們做結構生物學的人同樣覺得非常興奮，因為結構生物學確實對這個領域的發展起了一定的推動作用。」
就在近日，程亦凡還在社交軟體上分享了自己以3小時17分50秒完賽第125屆波士頓馬拉松，而他也已經在期待來年。喜歡跑馬拉松的他對於科研的態度類似，樂在其中、享受過程。
這正如他對澎湃新聞記者提到，技術手段和科學問題實際上都在互相促進，技術的進步，就能夠讓你嘗試去問一些更深層的問題，「回答更深刻的問題以後，它同樣會引發你去思考更深刻一層的問題，這時候又需要更進一步的技術手段。」
2013年，程亦凡（右一）和朱利葉斯（左一）研究組用冷凍電鏡首次得到了膜蛋白TRPV1的3.4埃接近原子級別高解析度三維結構，論文另兩位作者Erhu Cao（左二）、Maofu Liao（右二）。受訪者供圖
諾獎成果需要有臨床應用？「這不是唯一的標準」
北京時間10月4日17時30分許，瑞典卡羅琳斯卡醫學院在斯德哥爾摩宣布，將2021年諾貝爾生理學或醫學獎授予戴維·朱利葉斯以及阿登·帕塔普蒂安，以表彰他們在「發現溫度和觸覺感受器」方面作出的貢獻。
「戴維·朱利葉斯是在1997年發現TRPV1，第一次找到了感覺溫度的一個分子受體，然後阿登·帕塔普蒂安是在2010年，實驗室接連發現了Piezo1和Piezo2，能介導機械力的刺激。」2007年至2012年期間曾在帕塔普蒂安實驗室進行博士後研究、現為清華大學藥學院長聘教授的肖百龍在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）專訪時曾表示，「這都是非常重要的生理功能，能夠揭示它的分子機制是非常重要的。」
程亦凡在第一時間對澎湃新聞記者表示，「兩位得獎者的工作都是基礎研究，也說明基礎研究，特別是開創性的基礎研究的重要性！」在加利福尼亞大學舊金山分校發布的新聞稿中，朱利葉斯本人也談到了基礎研究的重要性，這些研究一開始並沒有特定的治療目標，但最終可能助力治療。
「大多數在理解醫學機制方面取得的重大進展，實際上都始於科學家追隨自己的好奇心，而事先並不知道他們所從事的工作有朝一日可能在治療方面有用。」朱利葉斯說，「我很慶幸，我們有美國國立衛生研究院這樣的公共機構和學校向我和其他研究人員提供資金，我們在探尋一些基本問題，不知道是否『有用』或將在某一刻能夠轉化。」
對於此次朱利葉斯和帕塔普蒂安的獲獎，程亦凡評價道，「我個人認為並沒有得到的早了，很多時候基礎研究確實能夠增進我們的認知，而臨床能不能夠有應用，並不是做基礎研究的唯一目的。」他感觸頗深，「我覺得這是對基礎研究的一個非常大的肯定，包括所有做基礎研究的人。」
在程亦凡看來，近些年來，諾貝爾獎大多頒發給了有重大臨床應用的發現，但在歷史上也有很多次是頒發給完全是基礎科學的突破。他舉例提到，2011年的諾貝爾化學獎頒給了准晶領域，時年70歲的色列科學家丹尼爾·舍特曼(Daniel Shechtman)摘得獎項，其貢獻在於發現了准晶體(quasicrystals)。根據定義，准晶是不具有平移對稱性和周期性，卻具有普通晶體所沒有的旋轉對稱性的有序固體。
「我做博士的時候，論文就是做的准晶研究，准晶到現在為止沒有任何的應用，但它是認知上的一個突破。」程亦凡談到，當然很多研究最後可能都會產生一些臨床的應用，「但這不是一個唯一的標準。」
實際上，一些製藥公司已經瞄準靶向TRP受體的緩解疼痛的新療法。例如，對患者生活質量產生極大影響的慢性疼痛，目前臨床上廣泛應用的阿片類藥物具有成癮性。一種的新的思路是，直接靶向產生疼痛的受體，即TRP受體蛋白。
當然，就目前而言，此次諾獎中涉及的TRP受體或是Piezo通道，目前均還沒有可以用於臨床的藥物被發現。程亦凡談到，「TRPV1作為止痛的藥物靶標進行過藥物開發，但因為藥物對體溫調節造成影響而不成功。」肖百龍也提到，「我們實驗室也在致力於對它的藥物進行發現和開發，但這個可能還需要時間，針對這樣全新的靶點來進行全新的藥物的設計和開發是非常困難的。」
「黃金搭檔」：從結構上理解TRP通道的功能和調控機理
諾貝爾獎委員會對於此次獲獎的官方解讀中寫道，我們對熱、冷和觸覺的感知能力對生存至關重要，這也是我們與周圍世界互動的基礎。在日常生活中，我們認為這些感覺是理所當然的，但神經衝動是如何產生的，從而使溫度和壓力可以被感知？「人類面臨的最大謎團之一是我們如何感知環境。」
在歷史發展的進程中，科學家們接力探索上述謎團。然而，在朱利葉斯和帕塔普蒂安的發現之前，我們對神經系統如何感知環境，仍然存在著一個根本性的懸而未決的問題：在神經系統中，溫度和機械刺激是如何轉化為電脈衝的？
朱利葉斯的貢獻在於，自其1989年加入加利福尼亞大學舊金山分校以來，朱利葉斯和他實驗室的學生、博士後研究員和其他研究人員一直在探索神經遞質、藥物和天然產物是如何調節神經系統的。
他們利用動植物產生的各種有毒物質，包括狼蛛和珊瑚蛇的毒素、辣椒中產生「辣味」的分子辣椒素、辣根和芥末刺激性背後的化學物質，嘗試了解負責溫度和痛感的信號是如何通過神經迴路傳遞到大腦的。
紅辣椒是朱利葉斯離子通道研究的靈感來源，這也成為他諾獎慶祝會的背景圖片之一。他的工作最終揭示了TRPV1，一個位於感覺神經外端的特殊離子通道，對辣椒中的辣椒素和超過110華氏度的溫度都有反應，會被激活作為熱感傳遞給大腦。這種蛋白質在疼痛和熱的感知中起著核心作用。
程亦凡談及，朱利葉斯的貢獻不止於此。其團隊還鑑定研究了負責其他類型感覺的不同的TRP通道。2002年，朱利葉斯實驗室使用薄荷和相關化合物識別了TRPM8通道，它對低溫做出反應。他們還發現了TRPA1，也被稱為「芥末受體」（ wasabi receptor），能對芥末的刺激性化合物有反應，也參與了炎症性疼痛。
而程亦凡和朱利葉斯兩個實驗室的合作始於2009年左右，彼時他組建自己的實驗室才3年。「戴維實驗室以前一直做生理學研究，從他們1997年發現TRPV1蛋白以後，TRP通道領域在後面一段時間發展非常快，但是TRP通道的結構研究是受限制的。」程亦凡回憶起當時的研究需求，「大家覺得必須要從結構上對它的功能和調控的機理有很好的了解。
實際上，在二人合作之前，相關實驗室已經在嘗試解析TRP通道結構，而朱利葉斯也尤其注重。「他們在那段時間試圖用結晶的辦法做結構，但是結晶辦法實際上是比較困難的。我們實驗室也是做結構生物學，但是我們是用冷凍電鏡的辦法。」程亦凡提到，「我是在跟戴維合作之前，說實話我對TRP通道完全不了解。」
2009年，在系裡組織召開的一次會議上，程亦凡聽了朱利葉斯的演講報告，「我們兩個就一起聊了一下，討論用冷凍電鏡的辦法去做，當時的方法還根本達不到夠解出原子解析度結構的程度，但是我們是實驗室一直在做方法方面的研究。」隨後，兩個實驗室共同推動，一邊繼續改進方法，一邊不斷嘗試結構解析。
時至今日，將程亦凡和朱利葉斯稱作「黃金搭檔」也不為過。在朱利葉斯實驗室頁面的已發表成果中，其和程亦凡的合作論文多篇被羅列顯示。「我們實驗室加在一起合作的文章有十來篇了，而且現在也是一直有很多的合作，好幾個學生和博士後也都是聯合培養。」
在加利福尼亞大學舊金山分校發布的新聞稿中，程亦凡的名字也被著重提及：近年來，朱利葉斯將他的注意力轉向了更好地了解TRPV1和相關分子的結構，希望這些信息可以驅動新的止痛藥的設計。在2013年的一次科學突破中，他和同事程一凡博士使用冷凍電鏡技術，在接近原子的尺度上確定了TRPV1的結構。2015年，朱利葉斯和程程一凡使用冷凍電鏡確定了「芥末受體」TRPA1的結構。
值得一提的是，除了諾獎得主們的長期貢獻，冷凍電鏡時代的真正來臨，還得益於樣品製備技術、新一代電子探測器發明、軟體算法優化等多方面技術的進步。程亦凡等人對「直接探測相機」的開發最終掀起了冷凍電鏡在生物學領域的「解析度革命」。
「花了好幾年的時間，到2012年年底的時候有了一些很不錯的進展。」2013年底，頂級學術期刊《自然》發布了他們的研究成果，程亦凡和朱利葉斯兩個團隊合作，首次利用冷凍電鏡技術解析得到膜蛋白TRPV1 的3.4 埃接近原子級別的高解析度三維結構。
研究一經發表，就引起了科學界巨大的轟動，這一結果被視為具有里程碑意義。「當時是第一次用冷凍電鏡解析膜蛋白結構，也是第一次用冷凍電鏡解完全未知的結構，當然對TRP通道來說也是第一個結構，所以說當時的工作影響力很大。」
TRPV1。
程亦凡同時提及，對整個結構生物學來說，當時的成果也是影響深遠。在他們的結果發表之前，儘管有些實驗室已經把解析度提高到3埃左右，但大家覺得冷凍電鏡解析的都是X射線晶體學成像此前已經得到的結構。「到那個時候為止，還從來沒做過一個未知的結構，所以說對整個結構生物學影響很大，原來做晶體學的實驗室都是從那個時候開始轉行，完全轉到做冷凍電鏡。」
結構生物學提高解析度的風潮自此掀起，2017年冷凍電鏡技術摘得諾貝爾獎，也正是肯定了這一領域技術的發展。「當然這次的諾獎不是因為解出結構，是因為他們長期的蛋白研究，但是我們做結構生物學的人仍然覺得非常興奮，因為結構生物學確實對這個領域的發展起了一定的推動作用。」
他也同樣談及另一位諾獎得主帕塔普蒂安的Piezo研究。2015年，肖百龍團隊第一次報導了Piezo1的結構。此後，肖百龍和帕塔普蒂安等人又先後報導了更高解析度結構。2019年，肖百龍團隊又進一步獲得了Piezo2的結構。
總在追問更多問題，技術會帶來更深刻的影響
兩個實驗室的合作正在從結構解析探索至更深刻的問題。
「我們一直是對機理非常感興趣的，到現在為止，就TRP通道來說，比如熱是如何引起它的激活仍然還不是很清楚，當然也有很多人在研究這方面，所以我們也是希望進行更多的研究。」程亦凡談到，從蛋白結構來講，現在大部分對TRP通道的研究，還是注重在通道本身，「肯定是還有很多深入的問題或者更廣的問題。」
就在距離諾獎結果揭曉不到一個月的9月7日，頂級學術期刊《細胞》（Cell）在線發表了程亦凡團隊和朱利葉斯實驗室又一篇合作研究論文，研究團隊在施加不同天然刺激物和模擬不同生理環境的條件下，藉助單顆粒冷凍電鏡技術分別解析了TRPV1一系列的中間態構象和激活機制，觀察到多種關閉和開放狀態。
該研究揭示了與多重配體作用位點偶聯相關的結構元件，比較了不同大小陽離子通過時的蛋白行為，探討了激動劑與內源脂類分子競爭結合位點的計量關係，同時也描述了酸條件下的蛋白構象重排。
程亦凡表示，科學研究的難或是易，這取決於我們問的問題。「比如說，在過去我們覺得解出一個結構，就知道了蛋白是怎麼樣的。但是蛋白都是動態的，那麼我們現在不光是解決它的結構，想知道這個蛋白到底是怎麼發揮功能的，它在動態下是一種什麼樣的形式，它有什麼樣的轉變，從一個狀態到另一個狀態中間又是經過一些什麼樣的過程？」
正是諸如此類的遞進式探索，從2013年至今，兩個實驗室單單就TRPV1已合作發表了4篇文章，「我們在一步一步地想著把這更多的問題研究清楚，這個通道是怎樣去激活的。」
在程亦凡看來，技術手段和科學問題實際上都在互相促進，技術的進步，就能夠讓你嘗試去問一些更深層的問題，「回答更深刻的問題以後，它同樣會引發你去思考更深刻一層的問題，這時候又需要更進一步的技術手段。」
「過去除通道本身外有些東西都不是太重視，也是因為技術手段還沒到那裡，現在技術上有進一步的提高的話，我們能夠更多地去解析這種動態的過程，這對我們的認知是有非常大的幫助。」
類似的瓶頸不會徹底消失，「你問的問題更深了，那麼你的問題在現有的技術條件下恐怕會顯得更難，所以說需要更多地推進技術上的進步，才能夠去回答一些更深刻的問題。」程亦凡談到，技術手段和科學問題的交替深入，都是互相融合在一起，很難將之分開。
程亦凡甚至提到，就現階段而言，至少他自己的實驗室還沒有把精力放在藥物發現這一部分。「如果說我們對它的機制能夠有很好的理解的話，也許我們可以想出一種辦法，能夠抑制某種因素產生的疼痛，同時不影響其他功能。但是是不是能夠做得到，現在還都是未知數。」
不過，他也相信一點，這種基礎研究的發展，也許最終會為藥物發現的研發提供一些新的思路和線索。
值得一提的是，冷凍電鏡技術從2013年的震驚科學界，到現在不過短短8年時間，身處其中的一部分人卻已開始「軍心動搖」。谷歌旗下人工智慧公司DeepMind在去年12月投下重磅，他們開發的基於神經網絡的新模型AlphaFold2擊敗對手，在蛋白質結構預測準確性方面達到接近人類實驗結果，讓整個結構生物學界震驚。今年以來，人工智慧在預測蛋白質結構方面的繼續進步，讓外界不禁發問：結構生物學家們真的要「失業」了？
作為結構生物學界的領軍人物，程亦凡主動提及了這一最新風向。「在過去的這一年裡面，冷凍電鏡或者說結構生物學，實際上受到了很大的影響，很多從事實驗結構生物學的一些人，特別是學生，會覺得以後這個領域可能沒有很大的前途，但是實際上情況往往並不是這樣的。」
在他看來，如果目的僅僅是要解結構，那恐怕上述的擔憂是成立。「因為以後幾乎所有的蛋白質結構都可以被預測，哪怕預測得不對，無非就是說它的預測不對，或者說它不會很精確，僅此而已。」
但是如果目的是我們關於生物的問題，那麼結構只是中間的一個手段，結構生物學一定還會有它長期的存在意義。程亦凡補充強調，「過去也許很多人就滿足於解一個結構、發一篇好的文章，現在和將來應該是更加注重以問題為主，你到底是要想研究什麼樣的問題？」
程亦凡堅信，從結構生物學的角度而言，技術仍然會帶來很多更深刻的影響。
責任編輯：李躍群
校對：劉威