美国国家卫生研究院药物基因组研究的负责人Rochelle. Long直言不讳。面对如此令人咋舌的高昂成本,我们就会明白为什么科学家对能大为缩减研发成本的“生物信息学”技术如此期待了。
2011年8月,美国斯坦福大学Atul Butte博士就这一技术的应用中获得令人欣喜的突破,他的研究团队通过分析一个公开的美国国家基因数据库,为已经获得批准并在市面上销售的药物找到诸多新的“用武之地”,Rochelle .Long对此难掩兴奋之情:“这是大为缩短一种新药从实验室到临床应用的时间、降低相关成本并改进治疗效果的好方法。”
Butte团队使用的数据库中包含了成千上万项与染色体组有关的疾病与药物,由世界各地的科学家提交。Butte从中提取了100种疾病和164种药物,并编写出一套计算机程序,对药物—疾病之间可能存在的成千上万种关联逐一检查,结果非常使人着迷:药物和疾病之间常有意外关联,有些匹配还让人大跌眼镜。比如,他们发现,用于治疗溃疡和癫痫发作的药物分别可用来治疗看似风马牛不相及的肺癌和炎性肠病!
其实这种情况并不鲜见,只不过以前,药物的新用途常常是在意外情况下被科学家发现并加以利用的。其中最有趣的例子当属大名鼎鼎的“伟哥”,它本来只是一种用于改善冠心病的新药,结果种瓜得豆,反而以它的“副作用”而扬名世界。Butte团队的工作就是通过计算机分析,让药物潜在的治疗作用尽量无一疏漏地从“暗处”浮现出来。
有意思的是,这项研究本身也产生了重要的“副作用”价值。Butte注意到,具有同样分子过程的疾病会“扎堆”;具有同样效果的药物也会“扎推”。而通过研究这些“扎堆疾病”和“扎堆药物”,能够更透彻地了解某些特定的疾病如何恶化以及药物在分子层面如何工作。
尽管这项研究刚刚起步,这些被赋予新用途的药物在人体内的功效还需要进行临床试验来证实,但Rochelle .Long认为,这种以“生物信息学”为基础的快速高效、成本低廉的创新性方法必然会让诸多的新药研发者趋之若鹜。
另一项时间“竞走”的比赛来自于“柔性显示器”领域,使用新的预测方法,一种适用于它的有机新材料或许正呼之欲出。
种种迹象表明,可弯曲折叠、轻薄不易碎的“柔性显示器”将是未来显示器的主流,其中,有机材料当仁不让地在唱着主角。但是,在提高有机材料性能的研制中,研究人员通常需要合成出大量备选材料并对其进行测试,这不仅耗费时间而且经常会失败,其效率之低常常让人挠头不已。
来自美国哈佛大学的Allen Aspenpluto和斯坦福大学的鲍哲南有了创新之举。他们开发出一种新的计算预测方法,可将新有机材料的研发过程节省几个月甚至几年,并对这种方法的可行性进行了初步实验。
实验中,他们选用一种已被验证为性能良好的有机半导体材料(名为DNTT)作为初始材料,接着研究了其他一些与DNTT结合在一起有可能加强其性能的化合物,最终选出了7个备选物质。
利用新方法,科学家预测了这7种备选物质的性能,认为其中的一种性能最优,在随后的一年半时间中,他们合成了这种新物质,其性能果然比原来的DNTT提高了一倍。鲍哲南为此深受鼓舞:“合成并厘清这7种备选化合物的性质通常要几年时间,而使用新方法,我们能从理论上预测出性能最好最有潜力的备选对象,因此设计出高性能材料的时间将大为提前。”
而在激光领域,科学研究与时间的“竞走”是直接表现出来的。一个由澳大利亚、美国、欧洲的国际科研团队研制出一种新的阿秒级(1阿秒=10-18秒)激光器,能拍下单个电子参与化学反应的图像,可称是迄今为止最高清、最快速的数据收集活动,激光器也创下了 “前无古人”的速度。
电子运行非常快,在1.51阿秒内就能环绕一个氢原子核旋转一周,而完整记录这些微小粒子的快速变化是所有物理学家的梦想,随着此次新激光器的使用,这一梦想终于成为现实。而且在理论上,我们还可以尝试让激光脉冲频率提高1000倍,如此就可以看清原子核内部的运动了。想想看,这将会是多么激动人心的一刻!
有时候,科学家还会和“时间”开开玩笑。据英国《每日邮报》2011年8月18日的报道,哈佛大学的生物学家Al Hart通过改变家鸡基因,成功使家鸡的喙部“逆向进化”为数百万年前的鳄鱼吻部的模样!
家鸡和其他鸟类被认为是从恐龙遗传演化而来。Al Hart在胚胎鸡蛋上开个小口将胶质蛋白珠滴入,抑制了家鸡“生物信号分子”的进化过程,使小鸡面部的分子撤销了其进化所取得的进展,退化成数百万年前白垩纪时期的状态。虽然受伦理规范和法律的束缚,“鳄鱼鸡”没有完全孵化出来,但生物专家尝试唤醒鸡胚胎中沉睡的恐龙基因,希望创造出长着恐龙尾巴和利爪的“恐龙鸡”的想象,可能已经离现实不远了。
缩短研发时间,所带来的成本与资源的降低,常常会达到一个让人惊叹的数字。而且,如果开发早期即去除掉那些没有发展前途的候选品种,无疑可以使人们将有限的资源集中投入到最有希望获得成功的项目上。在与时间的竞走中,科学家创新性思维和坚持不懈的毅力显示出了举足轻重的力量。
9 “不一样”的秘密与价值
“我们发现了一种名为Grb10的基因,与通常的基因表达规则不符的是,如果来自父母双方的不同,可以有完全不同的功能。”英国巴斯大学再生医学研究中心Andrew Ward所在的研究小组,首次发现并证明了一种基因的异常之处,这一重要的研究成果刊登在2011年2月出版的英国《自然》杂志中。
所有动物的细胞中,每个基因组都是成对出现:一条来自父亲,另一条来自母亲。同源染色体基因表达活性不同的现象,称为基因印记。多数情况下这两条基因都是活跃的,但对某些基因而言,其中一条被关闭时,基因仅能表达来自一方的同源基因,而另一方不表达。Ward的研究小组正是根据这一状况设计小鼠行为实验研究,揭示出了基因背后这条令人吃惊的“幕后花絮”。
在这项强制遭遇测试中,研究人员发现,缺乏父方Grb10基因表达的小鼠更喜欢控制其他小鼠,与脑中父方Grb10基因活跃的小鼠相比,更有可能获得同伴的“尊重”,这在哺乳动物中可是一种处于统治地位的标志。此外,这些小鼠还更有攻击性,可能扯断同笼的正常小鼠的胡须。而缺乏母方Grb10基因表达的小鼠通常会变得又大又重。
“好像是父母双方以不同的策略来帮助后代,一方致力于身体,而另一方致力于精神:即母亲的基因表达涉及胎儿成长、新陈代谢、脂肪储存,而父亲的基因表达调控着成人的社会行为。”Ward对这一现象也充满迷惑,从而激发出他下一步的探索计划:“一种基因居然能影响大脑和肌肉两个方面,这太让人惊讶了。Grb10与胚胎发育有关,对人类健康非常重要,今后我们将主要研究Grb10基因如何进化出这种双重功能。”
生命体中成千上万的基因,储存着生命孕育生长、凋亡过程的全部信息,这一“生命的密码”在记录和传递着遗传信息,其复杂设计很多时候远远超出了我们的想象!那么,生命体中,还有哪些我们不知道的“不一样”的秘密呢?
美国德州大学西南医学中心的研究人员在2011年2月25日出版的《科学》杂志上报告说,老鼠实验表明,新生哺乳动物的心脏在受损后完全能够自我愈合。现今,心脏病已成为发达国家威胁人们健康的头号杀手,这一发现为治疗人类心脏病提供了“不一样”的思路。
实验中,研究人员将刚出生一周的小鼠15%的心脏切除,结果发现,在3周内,受损的心脏重新完好地长出来,其外观和功能与正常心脏无异,而心脏中的心肌细胞是新生细胞的主要来源。
此前的研究已经证明,一些能够重新长出鳍和尾巴的鱼类和两栖类动物等低等生物可以部分再生其受损的心脏。该研究报告作者之一、内科医学助理教授Hesham Sadek说:“此次发现,新生哺乳动物的心脏也能够自我修复,只不过,它在发育老化的过程中‘忘记’了这一技能。”Sadek也对下一步的计划信心满满:“我们认识到,哺乳动物的心肌再生是有可能的,这使得未来将可以通过药物、基因或者其他方法以唤醒成年老鼠乃至成人的心肌再生能力。现在,我们将趁心脏仍具备再生能力时对这个短暂的‘窗口期’加以研究,并找出心脏是如何以及为什么会在生长发育的过程中‘关闭’这一非凡能力的答案。”
几十年来,材料科学家试图造出一种“不一样”的金属,既能比钢坚硬,又能像塑料一样轻易被模压成各种复杂形状。现在,由Jane Schloer带领的美国耶鲁大学材料科学小组就研制出“刚柔相济”的块体金属,使这一梦想初步实现。
这种合金材料与普通金属的晶体结构不一样的是,它的原子排列没有规则,在低温低压条件下,不会像普通金属那样晶化。这样它就能像塑料一样随意塑形。该小组已造出一些具有复杂形状的物品,这些物品不到一分钟就能成形,而且比普通钢材坚硬一倍。由于实际应用的深度需求,材料科学的发展令人瞩目,许多看似“不可能完成”的任务都取得了完美的成功。
不过,中国科技大学地球和空间科学学院教授沈延安的关于地球历史上最大一次生命灭绝事件的原因“不一样”的研究,带给人类的则是更多的警示作用。
古生物化石记录表明,在过去5.4亿年,地球上共发生了5次生物大灭绝事件。其中发生在距今2.5亿年前的二叠纪末生命灭绝事件最为惨烈,造成了超过90%的海洋生物物种消失和大量陆地生物灭亡。长期以来,世界各国地球科学家对此次大灭绝事件的现象和原因莫衷一是。沈延安通过对阶段性异常的多种硫同位素研究发现,提出了新的理论模式。硫同位素异常是厌氧海水(海水中缺少氧气)的间歇性上涌造成的,而二叠纪末富集二氧化碳的大气、厌氧海水的间歇性上涌等造成了当时地球表层环境的不断恶化,从而导致生命大灭绝。这一结论对研究现代全球气候变化具有重要启示意义:大气中二氧化碳的不断升高有可能导致海洋缺氧,如果此类海洋环境进一步恶化,将对人类的生态环境造成灾难性的破坏。
越来越多地知晓自然界“不一样”的秘密,就是了解自然潜藏的价值,它可能会带给人们巨大的惊喜。但在另一方面,也表明有更多的自然现象,其复杂性人类还无法把握。从某种意义上说,我们知道的越多,我们不知道的也就越多,因此,当人类在探索自然规律,呈现出杰出的创造性的同时,也必须对大自然保持必要的敬畏之情,这也是人类作为自然界最高智慧应有的理智态度。