【前沿科普】有趣的糖科学史#2 魔豆蛋白
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有趣的糖科学史#2
魔豆蛋白
引言-杰克，豆茎与登攀
图1 《杰克和豆茎》插图睡前故事《杰克和豆茎》想必各位读者都不陌生：杰克是个与单亲母亲同住的少年，家中唯一的经济来源是一头乳牛。直到有一天，乳牛已经老到无法生产牛奶赚钱，母亲便叫杰克把牛牵到市场上去卖钱。在去市场的途中，杰克遇到了一位欲以“魔豆”交换乳牛的男人，而杰克也答应了。回到家后，母亲发现杰克一毛钱也没赚到，只换来的几颗不明所以的豆子，盛怒之下把魔豆通通丢到外面，并命令杰克立刻上床睡觉。一夜之间，魔豆长得飞快，杰克攀著延伸到天上的豆茎，进入了一个天上的世界，并闯入了巨人居住的房子和城堡。巨人回家后，他发现了家里有“人味”，不过并没有发现杰克。直到巨人沉沉睡去之后，杰克偷了一袋金币，并原路逃离这个地方。之后，杰克曾经回到巨人的住所两次，并如法炮制在巨人睡着时偷了其他的财宝：一只会下金蛋的鹅、以及一个会自动弹奏的竖琴。但是，在杰克想要带著竖琴离开时，把巨人吵醒了，于是，巨人紧紧追赶杰克，杰克便叫母亲拿斧头把豆茎砍断，让巨人跌落至死。而杰克和母亲便靠著从巨人那里得到的财宝，过着幸福的日子。
《杰克和豆茎》的寓意是利用生活给你的机会，把握机会，创造机会，挑战机会，享受机会。乳牛是杰克一家唯一的收入，用乳牛换豆子时需要承担巨大的风险。当杰克攀登豆茎时，也并不知道前路会去向何方，尽管如此，他还是抓住了机会，相信了魔豆的力量，凭借着机会，好奇心和勇气，终于获得了意想不到的财富。
仰观宇宙之大，俯察品类之盛。对杰克来说，豆茎尽头是有待登攀的美好生活；对科研工作者而言，无数的高峰里也隐藏着许多未知的科学奥秘。如果说，杰克克服的是身体的极限和内心的恐惧，科研工作者则在不断拓展人类认知的边界。事实上，人类每一次攀上科学高峰，都是在探索自然、发现自然的过程中不断前进的结果。正如数学家华罗庚所说：“面对悬崖峭壁，一百年也看不出一条缝来，但用斧凿，能进一寸进一寸，得进一尺进一尺，不断积累，飞跃必来，突破随之”。今天故事的主人公詹姆斯·萨姆纳（James Sumner）凭借着惊人的意志力和不屈的决心，找到了“魔豆”中的科学秘密，再一次带领人类走向星辰大海。我们的伟大必将是，也永远是属于我们探索未知的道路。
葡萄酒，蛋白酶与”化学生物学”？
蛋白酶（enzyme）是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质。蛋白酶被称为生命功能的执行者，生物工程界的魔术师，生命在它的指挥下，协调地奏响一首首如诗如画的生命交响曲，世界也因此而生机勃勃、色彩斑斓。早在几千年前，人类已经开始利用微生物酶来制造食品和饮料。1779年，法国科学研究会发表声明：若是有人能够解开葡萄汁变为葡萄酒的奥秘，学会愿提供1公斤黄金作为奖赏。遗憾的是，这份奖金一直无人有幸领取。真正认识酶的存在和作用肇始于19世纪。在法国葡萄酒厂工作的生物学家路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）认为，糖类转化为酒精的过程必须依赖活的生物，而非单纯的化学反应，而化学家尤斯图斯·冯·李比希（Justus von Liebig）则认为酒精发酵过程和试管中的有机反应没有什么本质不同。这场化学家和生物学家的争论，最终于1896年由爱德华·比希纳（Edward Buchner）盖棺定论。比希纳本人既是教授化学的[化学家]，亦是在其兄长汉斯·恩斯特·奥古斯特·比希纳（Hans Ernst August Buchner）研究室工作的[生物学家]（笔者愿意相信他其实是第一位化学生物学家）。比希纳兄弟无意中发现酵母无细胞提取液也能将糖发酵为酒精，这表明酵母中存在的“使葡萄糖转化为酒精的物质“不仅存在于细胞内，而且在细胞外也可以在一定条件下进行催化反应，阐明了发酵是酶作用的化学本质，揭开了20世纪酶学和酶工程学的发展序幕，爱德华·比希纳也获得了1907年诺贝尔化学奖。
20世纪初，在对酶的化学本质的认识方面，展开了另一场延续20年之久的论战。研究植物色素的德国化学家理查德·威尔施泰特（Richard Willstätter）利用吸附层析法（adsorption chromatography）成功分离出碳水化合物酶（carbohydrase）等多种酶，提出了蛋白酶是一类吸附在蛋白质载体上的催化剂的假说，并因此获得了1915年诺贝尔化学奖。然而，当年的实验技术无法分析酶的成份，威尔施泰特也无法证明其组成就是蛋白质。我们的故事主人公詹姆斯·萨姆纳（James Sumner）花了9年时间，于1926年从刀豆(在英文语境下被称为杰克豆（Jack bean），即《杰克与豆茎》中的“魔豆“)中提取了不负载任何其他催化剂的尿素酶（urease）蛋白质结晶，从而确立了酶的化学本质就是蛋白质的观点，并因此获得了1947年诺贝尔奖。此后，美国学者约翰·霍华德·诺斯洛普（John Howard Northrop）对一系列酶的研究都一再证明了酶是具有生物催化活性的特殊蛋白质这一概念。从此，人们才逐步认清"庐山真面目"，真正意识到酶的重要作用，现代微生物酶技术和酶化学才真正起步。到现在为止，人类已经完全能确定其成分和功能的酶有3000多种。
图2 故事的主人公詹姆斯·萨姆纳，请注意他空荡的左袖管独臂，转行与好老师
如今，酶领域的发展日新月异，合成生物学，定向进化，抗体偶联药物疗法这些新鲜词汇层出不穷。这些发展的奠基人和先驱是詹姆斯·萨姆纳，他在1926年首次分离和结晶了蛋白酶。在他宣布这一发现时，首先受到的是该领域其他几位科学家的困惑、怀疑甚至嘲笑，但萨姆纳努力捍卫了他的发现，建立了进一步的证据，并最终为他的发现赢得了充分的认可。在这一过程中，萨姆纳又一次展示了他生命中的毅力、勤奋，不屈和创造力。
萨姆纳于1887年11月19 日出生在波士顿以南14英里的坎顿。萨姆纳小时候对枪械很感兴趣，经常外出打猎。结果发生了非常悲惨的不幸。他的同伴不小心射中了他的左臂，不得不在肘部以上进行截肢。因为萨姆纳是左撇子，事故变得愈加不幸。然而萨姆纳并没有选择向命运低头，他以惊人的勇气和决心开始训练自己用一只手生活，
他一直非常喜欢几项运动，这次意外激发了他尽一切努力在各种比赛中脱颖而出。他成为了网球专家，直到六十多岁还继续打网球，并且赢得过康奈尔大学网球俱乐部的冠军。当他在斯德哥尔摩接受诺贝尔奖时，他被授予与古斯塔夫国王进行私人会见，尽管他的年龄很大，但他仍然是一位出色的网球运动员，他们的谈话中提到了网球比赛。当国王问萨姆纳在发球时如何同时处理球和球拍时，他给国王亲自做了示范。萨姆纳还非常精通滑冰、滑雪、游泳、划独木舟、台球和飞碟射击。他喜欢在山上远足，也喜欢独木舟旅行。他攀登了纽约州阿迪朗达克山脉的最高峰，并多次划独木舟前往加拿大的极北地区。
1906年萨姆纳进入哈佛大学开始学习电气工程。几周后，他意识到自己在这个领域缺乏数学训练，而且他更喜欢化学，于是决定改变了自己的领域。几个月后，萨姆纳通过哈佛大学获得了在新不伦瑞克省萨克维尔的艾利森山学院教授一学期化学的机会，并被任命为代理教授，这项工作在几个月后终止。尽管他没有教学经验，但他欣然接受。这段经历使萨姆纳对自己的教学能力和对这项任务的喜爱产生了信心，但这也表明他需要进一步的培训，并将他的想法转向研究生工作。
在结束了加拿大西部的暑期旅行后回到家中，萨姆纳接受了马萨诸塞州伍斯特市伍斯特理工学院的化学助教。第一学期结束时，他辞职去哈佛攻读化学博士学位。由于他还希望获得进一步的生理学培训，他的朋友建议他在医学院工作，与奥托·福林（Otto Folin）教授一起主修生物化学。当独臂萨姆纳出现在福林面前时，福林特别惊讶。眼前这位年轻人尽管有理想有学识，但少了一条胳膊，想在化学方面有所成就困难太大。因此，他婉转地表示：“我想，你还是改学法律吧，因为......”但萨姆纳毫无退意，他身体力行地证明了身体的残缺并不是一个太严重的障碍，并且他可以有效而熟练地执行他的课程工作和研究所需的实验室技术。他的成就赢得了福林教授的钦佩和赞扬，在后来的岁月里，萨姆纳经常赞扬他从这位杰出的老师那里得到的建议和鼓励。
1914 年秋天，萨姆纳在康奈尔大学（University of Cornell）开始了他的教学和研究生涯，直到他去世前几个月，他一直活跃在这一职业生涯中。他在医学院伊萨卡分校的生理学和生物化学系担任了15年的助理教授和9年的教授。可以说，萨姆纳是康奈尔大学生物化学领域的先驱，四十多年来一直是其发展的杰出领导者。在康奈尔大学任职后，尽管教学负担很重，但随着学生注册的增加，他从来没有超过两个兼职讲师或研究生助理。萨姆纳喜欢教书，是一位出色的老师。他的演讲喜欢用简短而有意义的句子清晰地呈现。他不相信课程知识能够满足学生的好奇，但希望他们以他的讲座为基础，通过阅读去扩展对该学科的知识。无论是在教室里还是在实验室中，他都对马虎的工作感到不耐烦。这种不耐烦有时会激怒他的学生，但他们对他作为老师非常尊重。他用一只手操纵仪器和设备的精巧使他们感到惊讶。在他的演讲中，萨姆纳经常讲一些幽默的轶事，他曾用这样的话来表达他作为老师的哲学：“最重要的是我试图给我的学生的东西是探索他们世界的好奇心和只寻找真相的正直心。学生必须了解过去发生的事情，并获得广泛而不是过于专业的背景，如果他们真的要知道他们要去哪里以及他们在做什么。”
1914 年进入康奈尔大学时，萨姆纳发现用于进行科学研究的机会非常少，因为他的教学工作需要时间，可用的设备很少，而且没有任何实验室助手。尽管如此，他渴望在研究领域做出一些真正的贡献，以及他愿意在白天和晚上为此付出很多额外的时间。他的第一篇论文涉及测定肌肉和尿液中的氨和尿素。这条研究路线对他来说并不是很满意，但他对酶的性质这一神秘问题一直很感兴趣，并决定尝试分离一种纯酶。
结晶，凝集素与业余生活
于是，萨姆纳开始了一项持续九年的探索，直到最终达成了目标。而距离这些发现被普遍接受还需要更多的时光。萨姆纳从他以前的研究中开始对脲酶产生兴趣，他发现刀豆（杰克豆）（Canavalia ensiformis）是一种丰富的、现成的来源。因此选择这种蛋白酶进行研究。在这些研究的早期过程中，他从豆类中分离出了各种化合物，包括两种以结晶形式获得的球蛋白。萨姆纳是标准的“一根筋“，因为他认为酶在自然界中一定就是蛋白质。为此多年来他使用了大量的方法和试剂来尝试纯化脲酶。有时他变得灰心，决定暂时放弃这个任务，但总是会再一次重新出发。最后，通过一个相对简单的过程，萨姆纳获得了含有微小晶体的浓缩物，当进行离心分离后，浓缩物在水溶液中具有非常高的脲酶活性。如果对浓缩物进行蛋白质变性处理，则浓缩物失去脲酶活性。作为这些发现和进一步证实研究的结果，萨姆纳于 1926 年 8 月在《Journal of Biological Chemistry》上发表了一篇论文，其中他宣布从刀豆中分离出一种新的结晶球蛋白并提供了证据，认为该球蛋白就是脲酶。
一石激起千层浪，生物化学家对这一结果持质疑态度，而许多人则坦率地表示这是无稽之谈。在当时这并不奇怪，因为酶的分离和结晶被认为是“不可能完成的任务“。萨姆纳博士的发现尤其受到理查德·威尔施泰特（Richard Willstätter）和他在德国的学生的攻击，他们多年来一直试图生产纯酶，并得出结论认为它们不含蛋白质。一场大而广泛的争论随之而来。在接下来的五年里，萨姆纳在他的原始报告之后又补充了大约10篇论文，其中他提供了更多的数据来支持他的立场，并对他的批评者做出了积极的回应。1930年，在新泽西州普林斯顿洛克菲勒研究所工作的美国学者约翰·霍华德·诺斯洛普（John Howard Northrop）报道了胃蛋白酶的结晶，后来他又与同事共同报道了胰蛋白酶和糜蛋白酶的结晶，对萨姆纳的工作和观点提供了重要而普遍的支持。几年后，萨姆纳和诺斯洛普的工作，特别是酶是蛋白质这一事实才被普遍接受。1946年的诺贝尔化学奖。一半 “因为他发现酶可以结晶。” 而授予了萨姆纳，另一半因“用于制备纯酶和病毒蛋白”由诺斯洛普和斯坦利共享。
萨姆纳对酶研究绝不仅限于脲酶。他的研究还涉及十几种其他酶，并发表了几篇论文。其实在他分离脲酶之前，从刀豆中分离出了两种蛋白质，其中一种就是大名鼎鼎的“刀豆球蛋白A“ ( Concanavalin A，简称 ConA)。该蛋白由James Sumner于1919年首次分离，并于1936年结晶，是第一个商品化的凝集素（lectin）。因为它们能够与细胞表面的聚糖结合，ConA还被发现具有血凝特性(这也是凝集素一词的由来)。其本质是一类多价的、非免疫来源的、对糖及其缀合物高度专一识别的蛋白质。它在植物体内的作用是促进种子的成熟和发芽，储存蛋白质，转移糖，防御病原微生物，促进细胞生成等。它通过各种机制对动物产生抗营养作用，为刀豆种子中的抗营养因子。研究者随后又在一系列豆科植物中发现了类似的蛋白，这些蛋白质在豆科植物种子的可溶性提取物中含量丰富(高达总蛋白的5%~10%)，这使得许多凝集素能够被分离和表征。这些种子凝集素具有相当大的氨基酸序列同源性，并且在这些凝集素中发现的多种碳水化合物结合特异性，使它们成为各种分析和生物医学方法中的有用工具。1937年他又得到了过氧化氢酶的结晶，还提纯了几种其他的酶。
图3 刀豆，刀豆球蛋白A的晶体结构。ConA是L-型凝集素家族中的一员。四聚体球蛋白，分子量102000，每个亚基含237个氨基酸残基，分子量25500，结合一个钙离子和一个锰离子，含一个聚糖结合位点。在萨姆纳当年的论文中可见的晶体，这应该是人类第一次观察到的蛋白质结晶。萨姆纳亲自完成了他的研究论文所呈现出的大部分实验室实验。在他的整个职业生涯中，他一直在实验室积极工作，用一只手进行复杂的操作，令同事和学生惊叹不已。他相信个人研究的重要性，而不关心实际结果，并认为与对追求即时实际结果的研究人员群体的支持相比，当今的科学研究支持者太少强调帮助个人。
萨姆纳的著作包括书籍以及他的许多科学论文。他的著作有《生物化学教本》、《酶的化学和方法》（与G.F.萨默斯合著）、《酶—化学及其作用机制》（与K.迈尔巴克共同主编）。1937 年，在瑞典担任古根海姆研究员期间，萨姆纳因其在酶领域的贡献而获得了瑞典化学学会的舍勒金奖，并于1948年获评美国科学院院士。他还是美国生物化学家协会、美国科学促进会、实验生物学和医学协会的成员。他经常出席美国生物化学家协会和其他科学协会的会议。然而，他并不喜欢由数百篇论文组成的大会讨论，并提倡一种新型会议，让有共同兴趣的科学家在特定时间围坐在一张大桌子旁，只讨论他们感兴趣的问题。
除了各种运动，萨姆纳在实验室之外还有很多兴趣爱好。他是一位专业摄影师，自己进行冲印和印刷。他还是一位非常出色的厨师和出色的语言学家，会阅读和说德语、法语和瑞典语。多年来，萨姆纳认为他不应该开车，因为他只有一条胳膊。后来他获得了驾驶执照，并被公认为是一名熟练的老司机。
近年来在中国、香港和台湾地区兴起了“魔豆“热，在种子上刻有幸福之类的字眼，用的是红刀豆和白刀豆的种子。刀豆种子外层坚硬，发芽时生长奇特，因此有商人将其种子表面用镭射刻上祝福语句，置入特制易开罐内或藏于人造蛋壳中上市贩售。不知道在看到”魔豆“会心一笑的同时，你是否能想起今天的故事？
图4 “魔豆“，祝读者们笑口常开最后，我们以萨姆纳当年的诺贝尔奖朴素的致辞结束本文。演讲前，英国皇家科学院院长Sigurd Curman发表了这样的评论：“今年的三位化学奖获得者都因对两组物质的划时代研究而获奖，这两组物质在生物体的存在中起着重要的（即使是不可见的）作用，由于它们的不同作用，我们可称它们为“生物的推动者”或“生命的敌人”。这些物质的影响是以前已知的—酶和病毒。直到现在，通过诺贝尔奖获得者的努力，它们才被分离和纯化，从而可以以结晶形式生产。因此，可以对这些神秘物质进行更深入的研究，可以说，它们位于生命的门槛上，介于生物质和死物质之间整个人体的生命过程，病毒是许多对人类最危险的疾病的传播者，如天花、黄热病、小儿麻痹、流感等。这种关于病毒性质的新知识很可能会导致发现对抗这些人类祸害的有效方法。先生们，当我们现在向你们表示祝贺时，我们认为我们有充分的理由称你们三位都是‘生命的推动者’。”
致辞原文：
各位殿下、各位阁下、女士们、先生们：
我是一个普通人，刚走出实验室，把试管留在身后。对于今天给予我们的崇高荣誉，我无法表达我们的感激之情。我们也不能充分感谢您对我们的盛情款待。
我很自豪也很高兴能与诺斯罗普博士和斯坦利博士一起获得今年的诺贝尔化学奖，因为长期以来我一直很欣赏这两个人的工作。通过前两次长期访问的好运气，我学会了了解和热爱你们美丽的国家，我很高兴能够再次来到这里，即使是很短的时间。
我们美国科学家很欣赏诺贝尔奖的独特性，不受国界、时间、种族、性别的限制。我们赞赏阿尔弗雷德·诺贝尔 (Alfred Nobel) 建立以他的名字命名的机构的智慧。我们充分认识到这个基金会对全世界科学研究的推动作用。
谢谢你们。
参考文献
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https://en.wikipedia.org/wiki/Concanavalin_A
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Teixeira, Edson Holanda, et al. Biological applications of plants and algae lectins: An overview. IntechOpen, 2012.
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Sumner, James Batcheller. "The chemical nature of enzymes." Journal of the Washington Academy of Sciences 38.4 (1948): 113-117.
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原标题：《【前沿科普】有趣的糖科学史#2 魔豆蛋白》