美籍华裔科学家、诺贝尔化学奖得主钱永健
瑞典皇家科学院 2008年10月8日公布诺贝尔化学奖获奖名单之时,钱永健居住的美国加利福尼亚州天还未亮,祝贺获奖的电话将他吵醒。而第一个与钱永健分享获奖喜悦的,正是他身边的妻子温迪。
包括下村修、马丁·沙尔菲和钱永健,三名科学家获奖的内容是绿色荧光蛋白(Green fluorescent protein,GFP)。这种蛋白为生物与医学实验带来革命,它发出的荧光,像一盏明灯,帮助研究人员照亮生命体在分子层面和细胞层面的诸多反应……
钱永健是美国科学院院士、医学院院士,现任美国加州大学圣迭戈分校化学及药理学系教授。让我们从他的成长之路说起吧。
〖钱永健近照(Roger YTsien)〗
天才少年出名门
1952年,钱永健(Roger YTsien)出生在美国纽约新泽西州利文斯顿的一个工程师家里,祖籍杭州,是五代十国吴越国国王——钱鏐的第三十四世孙。
美丽的西子湖畔有一座钱王祠,毗邻的临安也有一座钱王祠,那都是为纪念钱鏐而建的。据《十国春秋》记载,武肃王钱鏐统一了吴越两浙以后,保境安民,重视农桑,兴修水利,修筑海塘,开拓海运,发展贸易,其功绩显著,彪炳千秋。
钱王钱鏐的后裔名人,更是数不胜数。
宋末明初画家钱选,明代学者钱德洪、画家钱谷,明末清初学者钱谦益,清代学者钱文选、钱塘,文字训诂学家钱大昕,篆刻家钱松,清朝著名大臣钱陈群,近代植物学家钱崇,现代科学家钱学森、钱伟长、钱光照、钱三强、钱正英,学者钱玄同、钱钟书……
也许有人会问:钱氏后裔为何会出了那么多名人?
据史书记载,钱鏐曾立有家训,在临终前,还给子孙留下“心存忠孝,爱兵恤民,勤俭为本,忠厚传家”等十条遗嘱,这些家训和遗嘱世代相传,激励着钱氏后人。
钱永健的家族可谓是“科学家之家”。
父亲钱学榘是美国波音公司和壳牌石油公司的高级顾问,拥有十多个世界级专利,舅舅李耀滋是麻省理工大学工程系教授,堂叔更是著名的中国导弹之父钱学森。大哥钱永佑则为著名的神经生物学家,曾任斯坦福大学生理系主任。二哥钱永乐是电脑科学家。他和大哥不仅分别获得过美国大学生竞争性最强的两个奖学金,而且在上世纪九十年代双双成为美国科学院院士。
因家中“工程师成堆”,钱永健也自称为“分子工程师”。对于自己的科学生涯,他说他“似乎生来就要做这样的工作,走这样的道路。”
钱永健从小就对化学感兴趣。
由于儿时患有哮喘,钱永健不得不尽量避免户外运动。当两个哥哥在野外作剧烈活动或游戏时,他却独自躲在家中地下室做化学实验,一做就是几个小时,甚至废寝忘食。他说,化学“实验所产生的鲜艳色彩让我着迷”。
看小永健如此专心致志地学化学,父母心里甚为高兴,还专门为他买了一套化学实验用具。不过,钱永健很快对这套化学装置感到厌倦,说“我在学校图书馆里发现了一本旧时的化学书,里面有许多更吸引人的化学实验。”
于是,他开始“玩命”于化学书上的各种危险实验,甚至接触火药。
有一次,他和两个哥哥用火药制作了一个手榴弹,当然手榴弹最后没有爆炸成功,只是把家里的乒乓球台炸环了一角,弄得满屋“乌烟瘴气”。
出于对化学的热爱,加上天资聪颖,钱永健在众人眼中就是“天才少年”。十六岁那年,他研究金属与硫氰化合物,并以出色的论文荣获美国“西屋科学人才选拔赛”一等奖。这项比赛,现称“英特尔科学人才选拔赛”,是美国历史最久、最负盛名的科学竞赛,参赛者以高中生为主,又称“少年诺贝尔奖”。
钱永健以获得美国国家优等生奖学金的骄人成绩进入哈佛大学,主修化学和物理。但这位化学天才少年对传统的化学感到忍无可忍,十分失望。
有记者质疑钱永健为什么不喜欢学校的课程却能成为诺贝尔奖得主,对此钱永健回答:“学校里有很多课程,我不喜欢高中的化学课,但幸运的是,我知道科学比课本上所教的更有趣,尤其是对上世纪六十年代的教学方式而言。”
后来,他终于发现,神经生物学十分有趣并引人入胜。
钱永健二十岁就获得化学物理学士学位并从哈佛毕业,接着前往剑桥大学深造,1977年获得生理学博士学位。
绿色荧光照亮一个新世界
绿色荧光照亮一个新世界。目前,世界上使用的荧光蛋白大多是钱永健实验室改造后的变种。如同诺贝尔奖委员会在公报中说,在GFP的革命中,钱永健伟大的贡献是他延伸并丰富了研究人员手中的调色板,他创造了一个五彩缤纷的调色板,里面的发光蛋白拥有彩虹的各种颜色。
科学发现有如一场有趣的接力赛。
早在1955年,27岁的下村修成为名古屋大学教授平田义正的研究助理。平田给了他一个似乎不可能完成的题目:寻找一种磨碎的软体动物(海荧)的残骸遇水发光的原因。可幸的是,一年后下村修得到了这种发光物,这是一种蛋白质,它的亮度比磨碎的海荧残骸高出37000倍。
研究论文发表后,美国普林斯顿大学的弗兰克·约翰逊教授聘请他到实验室工作。于是,下村修开始寻找另一种自然发光体水母的发光原因。
1961年,他们从北美西海岸近海的一种水母中分离出GFP,第二年发表论文,详细描述了提取发光蛋白质的过程。这种蛋白质在日光下呈淡绿色、灯光下呈黄色、紫外光下呈绿色。将这种蛋白称为“绿色蛋白”,也就是今天的GFP。
这是人类第一次对GFP的描述。
20世纪70年代,下村修更加专注地研究GFP的荧光性质,终于弄清了水母会发光的原因。这是物理化学中已知的荧光共振能量转移在生物中发现。但他却完全不知道也不在乎GFP有多少用途。
也许后来的三位诺贝尔化学奖获得者都应该感谢一个人,他就是道格拉斯·普瑞金。他在佐治亚大学做研究生时就对水母发光蛋白质产生浓厚的兴趣,并克隆了水母的其他发光蛋白质。
1987年,他天才般地想到,可以把GFP作为其他蛋白质的信号指示。1992年克隆并测序了野生型的GFP。但具有讽刺意味的是,当他申请美国国家科学基金继续作研究时,基金评审者认为没有蛋白质发光的先例,就算他找到了,也没什么价值。普瑞金一气之下便离开了科学界,将GFP的基因(准确地说是cDNA)送给了几个实验室。
之后,很多人尝试用GFP的基因来表达蛋白,但都失败了。
1992年9月,沙尔菲在查阅荧光蛋白质的资料时,发现了这位曾想合作却因一系列误会导致两人失去联系的普瑞金。普瑞金毫不吝啬地将GFP的cDNA送给了他。一个月后,沙菲尔的实验成功了!在显微镜下,他看到线虫在红外线的照射下发出绿光。
这一发现奠定了今天的GFP革命性应用的基础:GFP可以作为多种生物学现象的发光遗传标记,实时观察蛋白质在细胞内的运动和变化。
普瑞金却没有那么幸运,以致最后也失去了科研工作,在一家汽车公司当公共汽车司机。然而他不后悔,不仅将GFP的cDNA给了沙尔菲,还给了钱永健。
在获得化学奖的三人中,钱永健走出的这一步可以说是绿色荧光蛋白开发历程的“最后一步”。他的主要贡献是在下村修和沙尔菲研究的基础上让人们理解了GFP发出荧光的机制。同时,他拓展出绿色之外的可用于标记的其他颜色,从而使科学家能够对各种蛋白和细胞施以不同的色彩。这一切,令在同一时间跟踪多个不同的生物学过程成为现实。
“我的所有DNA来自中国”
钱永健获奖的当天,就收到了200多封贺信,其中40%是来自中国。面对中国人的关心,从小在纽约长大的钱永健坦承自己不算是中国的科学家,曾多次强调自己对于获得诺贝尔奖并没有预期,他最希望的是,这个奖项承担的是国际科学精神,而非国籍之争。
当有记者问他与中国有什么联系时,钱永健显示了他的幽默: “我当然和中国有很多联系,我的所有DNA来自那里。我们家是一个中国文化和美国文化的混合体。在中国我还有很多亲戚,包括我们钱氏家族的一些科学家。每个人都有自己的家庭和血缘背景,我也不例外,所以我不会忘记中国。”
他还说,他父亲是得癌症死的,他今后会对癌的起因和治疗进行研究,因此他也不排除同中国的科学家研究与合作。
据从航天通信股份有限公司退休的高工陈天山介绍:舅舅(永健的父亲)钱学榘生于1915年,中学是在浙江安定学堂(杭七中前身)读的,喜欢踢小皮球。1930年他考上海国立交通大学(今上海交大),读机械系航空发动机专业。
毕业后在清华大学当助教,1935年考取了清华“庚子赔款”官费留美生的资格,去了美国。此前1934年他堂兄钱学森已同样为官费留学生的资格在美国留学。所以,有人对当时任浙江省教育厅督导的钱均夫(钱学森的父亲)开玩笑说:“留美官费都被你们钱家包了”,钱均夫听了哈哈大笑起来。
1941年前后,钱学榘满怀热血毅然回国,积极抗日,在贵阳大定发动机制造厂当总工程师,负责造飞机。由于造飞机的钱被官员贪污了,他只好停止了工作。1945年,心灰意冷的他在原国民党空军司令周某的帮助下去了纽约,后又把夫人李懿颖和长子钱永佑接到美国,1950年在美国生下二儿子钱永乐,1952年小儿子钱永健出世。
成为科学家后,钱永健曾陪同母亲来中国旅行。他“有很多美好的回忆”,但也对中国的环境污染忧心忡忡:“我知道政府做了很多努力,在改善。”
2004年,钱永健应邀将要到香港讲学。赴港前,他打算携母亲来杭州玩一番,实际上这也是他多年的愿望……
原来,1979年他父亲曾带着母亲、大哥和大嫂回国给爷爷奶奶上坟。1984年父母再次回国,这是父亲受联合国的项目委托和资助来京、沪作航空新材料专题讲学的。在沪期间,钱学榘把在杭州工作的外甥陈天山全家叫了过去,他们一起在上海住了三天,还说了不少钱家往事和他出身贫寒及与命运作抗争的童年。
从那以后,钱学榘再也没回国了,但他很怀念祖国和亲人,1997年在美国加州病故。
父亲去世后,母亲李懿颖和大哥、大嫂及其儿女,于2000年8月19日又来过杭州,住在中北大酒店。那一次行程也是陈天山安排的。
据陈天山回忆,当时他们玩了很多地方,从六公园坐船到三潭印月,在平湖秋月上岸,然后漫步孤山、西泠桥,在香格里拉饭店用中餐,然后到灵隐。第二天,他们坐车去了临安钱王祠。永健的大嫂向文仁,还激动地敲了钱王祠门前的大鼓,意思是说“你的第三十四世孙从美国回来看你来了”!一家人在钱王陵碑前拍照留念。
那一次,他们在杭州逗留了四天,临行前李懿颖买了三套有关钱王的书,说要带回美国让三个儿子看看。所以,钱永健这次赴港讲学说什么也要回国转转。
2004年10月的一天,陈天山夫妇收到舅妈李懿颖从美国寄来的信。信上说他们回国是参加美国的一个旅游团来的,日程安排得很紧。
10月29日他们飞北京,先后游览了黄山、苏州、桂林,然后从桂林直飞香港,11月11日回美国。到杭州他们是从黄山绕道来的。舅母说,这次回来是永健夫妇请她一同来的,永健是刚得了一个“沃尔夫奖”[1]。他平时工作很忙,这次能挤出时间来祖国观光不容易。
改革开放后的中国发展日新月异,舅母深有感触地说,中国肯定将成为世界上第一流的国家,中国人过去苦了这么多年,现在该是享福的时候了。
11月5日晚上,陈天山夫妇在香格里拉饭店与钱永健见了面,这是他们第一次见到这个表弟。陈天山说,钱永健当时穿格子短袖衬衫、蓝色牛仔裤,个子不高,面目清癯,很像他年轻时的舅舅(钱永健是舅舅最喜欢的一个孩子,如果舅舅和舅母在天有灵,他这次获奖会令他们欣慰的),尽管头上有些白发,看上去比他实际年龄要小。
钱永健的中文说得不是很流利,一般用英语,他说了些在美国工作的事,说他在美国教书,平时空余的时间都是自己的,喜欢搞点研究……
看得出来,陈天山说,钱永健是个博学多才、充满智慧而勤奋的人。
〖钱永健及家人在杭州〗
(感谢陈天山先生为本文采写提供钱永健及家人在杭州活动的宝贵的素材和照片)
