今年是“蛋白质结构数据库” Protein Data Bank成立的第50年。按以往十年大庆的惯例，PDB 将在今年举办一系列研讨会：回顾 PDB 的发展历程，细数结构生物学的里程碑事件，讨论当前生物化学与分子生物学的前沿，展望交叉学科的发展等等。下面，我带大家回顾 PDB 50年的发展历程，说不上波澜壮阔，依然激动人心。本文是下篇：伴随PDB的50年发展历程，结构生物学领域的诺贝尔奖。1982 – 化学奖：晶体电子显微学&核酸蛋白复合体
1988 – 化学奖：膜蛋白结构&光合作用反应中心
1997 – 化学奖：ATP的生物合成机理 & 钠钾泵
2002 – 化学奖：生物大分子结构解析与分析
2003 – 化学奖：细胞膜通道
2006 – 化学奖：真核转录的分子生物学机理
2009 – 化学奖：核糖体结构
2012 – 化学奖：GPCR
2013 – 化学奖：复杂化学体系的分子建模
2017 – 化学奖：冷冻电镜
2018 – 化学奖：酶演化
2020 – 化学奖：基因编辑
2020 – 生理学医学奖：丙肝病毒
1982年，剑桥大学医学研究委员会 (Medical Research Council, MRC) 的分子生物学实验室 (Laboratory of Molecular Biology, LMB) 迎来了它的第六位诺贝尔奖得主和第七个诺贝尔奖章，其中 Frederick Sanger (1918 - 2013)一人分别在1958和1980年两次荣获化学奖，神……出生于立陶宛小村Želva，在南非德班(Durban) 接受教育的犹太裔英国生物物理学家 Aaron Klug (1926 - 2018)，因为其在晶体电子显微学和结构生物学方面的成就，特别是解析了核酸-蛋白复合体的结构，独享了1982年的诺贝尔化学奖。[1]The Nobel Prize in Chemistry 1982 was awarded to Aaron Klug "for his development of crystallographic electron microscopy and his structural elucidation of biologically important nucleic acid-protein complexes."（左）Aaron Klug授课图；（右）核小体(nucleosome)：染色质重复单元。
图片来自 MRC官网。
我们在《上篇》里已经多次提到了 Klug：他是宣告蛋白质晶体学时代到来的1971年冷泉港年度会议的顾问；他的研究组与MIT的Rich 研究组竞争，在1974年获得了第二个tRNA结构；等。
Klug在南非接受了完整的初等与高等教育，在开普敦大学取得硕士学位后才来到英国。那里，他发表了第一篇学术论文：Nature 160 (1947) 570。
特别幸运地，他的硕士导师Reginald James是小布拉格的学生。Klug在受业初期的教育使得他的学风终身受到布拉格学派影响。Klug 在第一篇论文的致谢辞中感谢导师 James。这篇论文不到一面，只有一位作者，只引用了3篇文献……
Klug的博士导师是数学物理学家Douglas Hartree (1897 - 1958) —— 每一个量子化学的学生都绕不开的名字。然而，Hartree并非Klug首选。Klug希望去剑桥大学的卡文迪许实验室 (Cavendish Laboratory)，师从卡文迪许教授(Cavendish Professor) 小布拉格。他回忆，从殖民地或自治领来到大英本土的求学者都向往剑桥大学，而剑桥的卡文迪许更是物理学者的求学圣地。除上文提到的Sanger外，Crick、Watson等桂冠科学家也都同属于卡文迪许。上世纪50到80年代的卡文迪许展现了日不落帝国在科研领域的日落前的辉煌 —— 1947年 ~ 1982年卡文迪许共揽获18枚诺贝尔物理、化学、生理学和医学奖章，在多数获奖年份都是两人甚至多人同时获奖。例如，1962年，卡文迪许有四人获奖：Crick与Watson同获生理学医学奖，Kendrew与Perutz同获化学奖。然而自1982年Klug之后30余年内卡文迪许再无缘诺奖，直到2019年瑞士天文学家Didier Queloz因为发现第一个太阳系外行星飞马座51b而获物理奖。Klug 想做“非正统的”(unorthodox) X射线晶体学研究，例如蛋白质晶体学。但当时 MRC 已经满员，而小布拉格又已经被下令结束了一个晶体学项目，无法接收新学生。投师Hartree，Klug接受建议去研究偏理论的课题——钢冷却过程中的奥氏体-珠光体转化(austenite-pearlite transition)。这个项目可和他后来的研究一点不搭噶。Klug自述从冶金学的研究没有收获多少对结晶学的深刻理解，反而学到了大量的偏微分方程求解、数值计算、固体物理、相变中的成核与生长的知识，为今后研究生物大分子结晶奠定了数学和物理基础。[1]1952年，Klug 从剑桥大学三一学院获得物理博士学位。之后，他想去美利坚。被拒签。因为通共。—— Klug 在南非时加入了一个学生社团，该社团被南非政府认定为共产党人团体；麦克锡主义正炽的美国当然拒绝了Klug的访学。[2]没办法，1953年，Klug去了伦敦大学Birkbeck学院，与病毒学家Rosalind Elsie Franklin (1920 – 1958) 一同在John Desmond Bernal (1901 - 1971) 的实验室研究烟草花叶病毒 (tobacco mosaic virus, TMV) 的结构。因为此段经历，Klug对病毒保持了终身的兴趣。Aaron Klug 与一个病毒模型(1970s)。图片来源: © MRC Laboratory of Molecular Biology
Rosalind E. Franklin是大名鼎鼎的 the dark lady of DNA，因为正是她的DNA双螺旋晶体结构的工作直接导致了沃森与克里克的突破。与吴健雄一样，Rosalind 没有获得诺贝尔奖，是诺贝尔奖委员会的遗憾。下图被称为 Photo 51，是DNA纤维的准结晶凝胶的X射线衍射图，由Raymond Gosling (1926 - 2015) 在Rosalind的指导下获得。我们的人教版的中学生物教科书在讲述沃森与克里克推理DNA双螺旋结构时也展示了这张照片。事实上这张图太经典了，以至于所有的基础生物教科书在讲解DNA双螺旋时都会展示它。这张照片也引出一桩科学界的公案——Gosling在未经导师Rosalind授权的情形下向沃森展示了这张照片，启发后者迅速地，在Rosalind之前，解决了DNA双螺旋结构。Klug 这样回忆Rosalind的工作：她美丽的X射线衍射图片令我着迷，我能够解读其中的一些图片。从那时，我的命运锁定了(From then on my fate was sealed)。[4]Klug的博后导师Bernal 是老布拉格的博士研究生，其本人则培养了Dorothy Mary Crowfoot Hodgkin (1910 - 1994) 与Max Ferdinand Perutz (1914 - 2002) 两位诺贝尔奖得主。上面短短文字中，我们已经提到了两位卓著的女科学家 (Rosalind & Dorothy)，今后的文章中我们将看到更多分子生物学界的不让须眉的女学者。1962年，Klug 加入了剑桥大学MRC的分子生物学实验室LMB，后来他在1986 – 1996间担任LMB的主任。Klug在获得诺奖后，于1985年发现了锌指模体 (zinc finger)，之后发现了tau蛋白在阿尔茨海默症中的重要作用。[2]或许体现在卡文迪许的诺奖数目上，英国在物理学领域的发展似乎稍显疲颓。在生物化学、分子生物学、结构生物学领域，英国依然有顶尖的科研实力。这表现在剑桥大学的LMB，接力似地做出高水平的开拓性工作，在Klug之后的1984、1997、2002、2009、2013、2017、2018年LMB 六度荣获诺贝尔奖[5]。LMB的成功很大程度上来自于卡文迪许等实验室培养的数学物理基础异常扎实的生物化学科学家。对基础科研的不懈倾注，永远能结出最丰硕的科研果实。[1] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1982/klug/biographical/[2] Kenneth Holmes, Obiturary: Aeron Klug, Nature 564 (2008) 346[3] https://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/aaron-klug-1926-2018/[4] https://www.chemistryworld.com/news/nobel-laureate-and-molecular-biology-pioneer-aaron-klug-dies/3009788.article[5] https://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/about-lmb/history-of-the-lmb/“小王随笔” @xiaowang_essay 是小王叨叨唠唠的个人号，内容不垂直，目标不明确。本号的宗旨截取自小王的本科和博士母校的校训：理实交融，益智厚生。大多时间，这是一个关于科学科普和读书的公众号。原因无他，小王，书生耳。