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田中耕一：對(duì)生物大分子進(jìn)行質(zhì)譜分析
本文來源：科技世界網(wǎng)
田中耕一（Koichi Tanaka），畢業(yè)于東北大學(xué)，日本科學(xué)家。1959年出生于日本富山縣富山市，1983年獲日本東北大學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)任職于京都市島津制作所，為該公司研發(fā)工程師，分析測量事業(yè)部生命科學(xué)商務(wù)中心、生命科學(xué)研究所主任。與美國科學(xué)家約翰·芬恩一同發(fā)明了“對(duì)生物大分子的質(zhì)譜分析法”，因此獲得了2002年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。田中耕一的得獎(jiǎng)是一個(gè)傳奇。因?yàn)閺牟缓蛯W(xué)術(shù)界沾邊的他，手頭上既沒有博士學(xué)位，也沒有碩士學(xué)位。
他的成果是和美國科學(xué)家約翰·芬恩一起發(fā)明了對(duì)生物大分子的質(zhì)譜分析法，他們兩人將共享2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金；質(zhì)譜分析法是化學(xué)領(lǐng)域中非常重要的一種分析方法。它通過測定分子質(zhì)量和相應(yīng)的離子電荷實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品中分子的分析。19世紀(jì)末科學(xué)家已經(jīng)奠定了這種方法的基礎(chǔ)，1912年科學(xué)家*次利用它獲得對(duì)分子的分析結(jié)果。在質(zhì)譜分析領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)了幾項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)成果，其中包括氫同位素氘的發(fā)現(xiàn)（1934年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)成果）和碳60的發(fā)現(xiàn)（1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)成果）。不過，zui初科學(xué)家只能將它用于分析小分子和中型分子，由于生物大分子比水這樣的小分子大成千上萬倍，因而將這種方法應(yīng)用于生物大分子難度很大。
盡管相對(duì)而言生物大分子很大，但它們?cè)谖覀兛磥硎欠浅Ｐ〉模热缛梭w內(nèi)運(yùn)送氧氣的血紅蛋白僅有千億億分之一克，怎么測定單個(gè)生物大分子的質(zhì)量呢？科學(xué)家在傳統(tǒng)的質(zhì)譜分析法基礎(chǔ)上發(fā)明了一種新方法：首先將成團(tuán)的生物大分子拆成單個(gè)的生物大分子，并將其電離，使之懸浮在真空中，然后讓它們?cè)陔妶龅淖饔孟逻\(yùn)動(dòng)。不同質(zhì)量的分子通過距離的時(shí)間不同，質(zhì)量小的分子速度快些，質(zhì)量大的分子速度慢些，通過測量不同分子通過距離的時(shí)間，就可計(jì)算出分子的質(zhì)量。
這種方法的難點(diǎn)在于生物大分子比較脆弱，在拆分和電離成團(tuán)的生物大分子過程中它們的結(jié)構(gòu)和成分很容易被破壞。為了打掉這只“攔路虎”，美國科學(xué)家約翰·芬恩與日本科學(xué)家田中耕一發(fā)明了殊途同歸的兩種方法。約翰·芬恩對(duì)成團(tuán)的生物大分子施加強(qiáng)電場，田中耕一則用激光轟擊成團(tuán)的生物大分子。這兩種方法都成功地使生物大分子相互完整地分離，同時(shí)也被電離。他們的發(fā)明奠定了科學(xué)家對(duì)生物大分子進(jìn)行進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)。
如果說*項(xiàng)成果解決了“看清”生物大分子“是誰”的問題，那么第二項(xiàng)成果則解決了“看清”生物大分子“是什么樣子”的問題。
第二項(xiàng)成果涉及核磁共振技術(shù)?？茖W(xué)家在1945年發(fā)現(xiàn)磁場中的原子核會(huì)吸收一定頻率的電磁波，這就是核磁共振現(xiàn)象。由于不同的原子核吸收不同的電磁波，因而通過測定和分析受測物質(zhì)對(duì)電磁波的吸收情況就可以判定它含有哪種原子，原子之間的距離多大，并據(jù)此分析出它的三維結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域。
不過，zui初科學(xué)家只能將這種方法用于分析小分子的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樯锎蠓肿臃浅?fù)雜，分析起來難度很大。瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼?middot;維特里希發(fā)明了一種新方法，這種方法的原理可以用測繪房屋的結(jié)構(gòu)來比喻：我們首先選定一座房屋的所有拐角作為測量對(duì)象，然后測量所有相鄰拐角間的距離和方位，氫原子核作為測量對(duì)象，連續(xù)測定所有相鄰的兩個(gè)質(zhì)子之間的距離和方位，這些數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后就可形成生物大分子的三維結(jié)構(gòu)圖。
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)溶液中的蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，進(jìn)而可對(duì)活細(xì)胞中的蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，能獲得“活”蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其意義非常重大。1985年，科學(xué)家利用這種方法*次繪制出蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。到2002年，科學(xué)家已經(jīng)利用這一方法繪制出15-20%的已知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
21世紀(jì)初，人類基因組圖譜、水稻基因組草圖以及其他一些生物基因組圖譜破譯成功后，生命科學(xué)和生物技術(shù)進(jìn)入后基因組時(shí)代。這一時(shí)代的重點(diǎn)課題是破譯基因的功能，破譯蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，破譯基因怎樣控制合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)又是怎樣發(fā)揮生理作用等。在這些課題中，判定生物大分子的身份，“看清”它們的結(jié)構(gòu)非常重要。專家認(rèn)為，在未來20年內(nèi)，生物技術(shù)將蓬勃發(fā)展，很可能成為繼信息技術(shù)之后推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的主要?jiǎng)恿?，由這3位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主發(fā)明的“對(duì)生物大分子進(jìn)行確認(rèn)和結(jié)構(gòu)分析的方法”將在今后繼續(xù)發(fā)揮重要作用。