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
1988 化学奖：Deisenhofer, Huber, Michel1988年的诺贝尔化学奖由三位德国科学家分享。他们分别是美国德州达拉斯西南医学中心的Johann Deisenhofer (1943-)，西德马丁雷德马普生物化学所的Robert Huber (1937-)，以及西德莱茵河畔法兰克福马普生物物理所的Hartmut Michel (1948-)，为了表彰他们最先获得原子精度的光合作用中心的结构。The Nobel Prize in Chemistry 1988 was awarded jointly to Johann Deisenhofer, Robert Huber and Hartmut Michel "for the determination of the three-dimensional structure of a photosynthetic reaction centre." [1-3]
颁奖时，三位科学家所在的科研机构各不相同，而他们的工作却出自同一处——年龄最大的 Huber 所领导的实验室。1971年，慕尼黑工业大学的一个原本梦想学习天体物理的博士生在渐渐对固体物理产生兴趣后，听说马普蛋白与皮革研究所的所长Huber在招新，就转投Huber门下，开始研究牛胰蛋白酶抑制剂（bovine pancreatic trypsin inhibitor， BPTI）的晶体结构优化。从天体物理跳到固体物理，其实在做生物物理，跨度不小。BPTI 后来被商业化了，叫抑肽酶 (Aprotinin)，是FDA认证的用于减少复杂的心脏、肝脏手术中出血的注射药。这个学生在1974年拿到博士学位，并一直留在Huber组里做博后，一直到1988年。——做了14年博后，用现在的话说叫“千老”（千年老博后）。此千老名为Johann Deisenhofer，当时在马普生化所被人们昵称Hans。德文 Hans 是希伯来文Johannes（约翰内斯）的缩写，所以约翰的小名就是汉斯。1988年3月，在比较了众多学校发出的教职邀请后，Deisenhofer选择了德州大学达拉斯分校的西南医学中心。2个月后，Deisenhofer荣获诺奖。与此同时，他在达拉斯遇到了真爱——达拉斯分校免疫学系的教授Kirsten Fischer Lindahl。竖年，两人完婚。46岁才结婚，Hans的14年“千老”生活恐怕并非一帆风顺。但这么推测对Hans很不公平。What am I to postulate his life? 我算老几啊去臆测别人的人生。从Deisenhofer的诺奖自述上看，那些年他先后完成过很多项目，他很喜欢开发晶体学的建模和分析软件。以中有足乐者——这不就够了？1977年，另一个刚获得生物化学博士学位的小伙子，发现冰箱里的脱脂细菌视紫红质（bacteriorhodopsin, bR）生成了玻璃状的固体聚集物。他觉得这可能意味着bR这种膜蛋白可能被结晶出来。经过两年努力，他在1979年4月获得了bR的三维晶体，这是世界上第一个被结晶出的膜蛋白。注意啊，这时获得的是晶体，不是分子结构。这个小伙子就是Hartmut Michel。
因为bR项目上的成功，Michel 取消了原定的博后计划——去加州研究哺乳动物性分化（sexual differentiation）——这个跨界感觉比Hans的天体物理到生物物理还大啊！Michel 决定继续留在原组里做博后，拓展正在进行的课题。所以，在博后阶段尝试不同的领域和不同的课题，并不是拿教职的金科玉律。这取决于当下研究的领域和课题的重要性和可拓展空间。1981年，Michel瞄上了紫细菌的光合作用中心蛋白，成功地纯化、分离、结晶出了这种蛋白。注意啊，还是晶体。那么，下一步就该解析结构了。1982年春，Michel来到了蛋白与皮革研究所，对，这时候已经并入了生化所，找Huber寻求合作，并选择Deisenhofer作自己的研究搭档，共同攻关光合作用中心的结构。
Nature 318 (1985) 618-624.
第二作者Otto Epp是马普生化所的研究员；第三作者Kunio MIKI（三木邦夫）是自大阪大学来生化所的博后，现任京都大学教授。
这项工作如此重要，以至于1985年12月的关键论文发表后，区区两年半之后，1988年5月就获得诺奖。首先，光合作用（photosynthesis）是地球上最重要的生化反应，没有之一。植物与细菌作为生产者将太阳光能转化为化学能，供消费者食用，是生物圈能量与物质循环的基础，所有高等生物都仰赖于此。
植物进行光合作用时，天线复合物（antenna complex）的蛋白质团捕获光子，然后将光能转移到邻近的“反应中心”，转变为化学能。[6]解析光合作用反应中心（photosynthetic reaction centre）的膜蛋白复合体结构，对在分子层面理解光合作用的反应机理，至关重要。譬如，其揭示了电子如何在生物大分子内以极高速度传递（在约十亿分之一秒跨过超过10个原子的间距）。
（左）光系统I (Photosystem I, PDB entry 1jb0) [4]；（右）光合作用反应中心。细菌体内的光合作用比藻类和高等植物体内的简单许多，Huber 等人从紫细菌入手，解析了含有超过10000个原子的光合作用中心的膜蛋白复合体三维结构，并阐明了光合作用中的电子输运机理。其次，膜蛋白的结晶与结构解析非常困难，时至今日都如此。从方法学上说，Michel 等人率先开发出全新的分离以及结晶方法来研究膜蛋白，为后续的膜蛋白结构生物学研究铺平了大道。Michel 首先意识到可以用两性分子来将膜蛋白从生物膜中提取出来：一定浓度的两性分子可以在水溶液中形成微胞（micelles），其疏水部分包裹膜蛋白，保护其避免和水溶液接触，其亲水部分则可以令微胞较稳定地存在水溶液中。为了分离膜蛋白，Michel 把当时市面上能买到的所有一头亲水一头疏水的分子都买来试了一遍，最终发现了合适的化合物。
这是一项极好的结构生物学研究：阐明重要生化过程的机理 + 开发崭新的研究技术方法。以上。
2021.5.24 深圳
（未完待续）
[1] www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1988/huber/facts/
[2] www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1988/deisenhofer/facts/
[3] www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1988/michel/facts/
[4] pdb101.rcsb.org/motm/22
[5] Nobel Lecture by Deisenhofer & Michel
[6] Alberts Molecular Biology of the Cell [5th.ed]
“小王随笔” @xiaowang_essay 是小王的个人号，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。由于小王的专业背景，本号的内容主要是：科学、科学史、科幻文学、工业党等，特别地，劝退专业化学、生物方面的可能会多一点。鉴于小王的价值观：“天不生教员，万古长如夜”，viva la commune，也可能会随性地写一些激昂文字。因为小王出生成长于东部地区的一个世俗而传统的老回回家族，本号也会关注历史、社会学、民族史、民族学等。