第11章
果断投身

布雷克·威登海夫特

班菲尔德请杜德纳合作研究CRISPR时，杜德纳起初并未同意，因为她的实验室没人从事相关研究。

随后，一位非同一般的候选人走入杜德纳的办公室，接受博士后职位面试。布雷克·威登海夫特来自美国蒙大拿州，魅力非凡，身体健硕，惹人喜爱，对户外运动充满热情。除了抽出时间进行野外冒险，威登海夫特和班菲尔德与莫伊卡一样，大部分时间都在收集极端环境中的微生物，地点既包括俄罗斯堪察加半岛，也包括自家附近的黄石国家公园。威登海夫特的推荐信非常普通，但是他态度真诚，热情满满，要将自己的研究重点从小型生物体生物学转到分子生物学。当杜德纳问他想要研究什么时，他说了一句充满魔力的话：“你听说过CRISPR吗？” ¹

威登海夫特生于美国蒙大拿州佩克堡。佩克堡仅有233人，是距离加拿大边境约130千米的前哨，人迹罕至。威登海夫特的父亲是蒙大拿州野生动植物局的渔业生物学家。高中时期，威登海夫特参加过田径比赛，酷爱滑雪、摔跤和橄榄球。

威登海夫特本科就读于蒙大拿州立大学，学习生物学。但是他几乎不去实验室，而是喜欢前往附近的黄石公园，收集能在酸性热泉中生存的微生物。威登海夫特说：“我从酸性热泉中取得生物样本，将它们放入保温瓶带回实验室，在实验室人工热泉中培养，随后将样本置于显微镜下。通过显微镜，我看到了前所未见的东西，令我终生难忘。我对生命的想象由此发生改变。”

对威登海夫特而言，蒙大拿州立大学最为合适。因为这所大学能让他沉浸在对冒险的热爱之中。他说：“我总是在寻找下一座山峰上的东西。” ² 大学毕业时，他无意成为一名科研人员。相反，他与自己的父亲一样，对鱼类生物学颇感兴趣。他找了一份工作，工作在捕蟹船上开展，地点位于阿拉斯加附近的白令海峡。工作内容是为政府机构收集数据。随后，威登海夫特用一个夏天，在加纳向年轻学生教授科学课程。之后他在蒙大拿州做了一段时间的滑雪巡逻员。他说：“我对冒险无法自拔。”

但是，在其旅行过程中，他会在晚上重读自己的旧生物课本。马克·杨（Mark Young）是威登海夫特的大学导师，当时正在研究攻击黄石公园酸性热泉内细菌的病毒。威登海夫特说：“马克对理解这些生物体作用原理的热情的确具有感染力。” ³ 经历漂泊不定的三年，威登海夫特发现，他不仅可以在户外，也可以在实验室里冒险。于是他以一名博士生的身份回到蒙大拿州立大学，由杨担任他的导师。两人共同研究此类病毒侵入细菌的原理。 ⁴

虽然威登海夫特能够为病毒的DNA测序，但是他自己并不满足于此。他说：“我一看见DNA序列，就发现它们无法提供信息。我们必须确定其结构。因为与核酸序列相比，结构、折叠和形态是经过更为长期的进化过程而保留下来的。”换言之，DNA序列无法表明其作用原理。序列弯折排列的方式至关重要，将揭示其如何与其他分子相互作用。 ⁵

威登海夫特决定学习结构生物学。为实现这一目标，没有比在伯克利的杜德纳实验室更好的去处了。

威登海夫特坦诚待人，从不缺乏安全感。在接受杜德纳面试时，他的这一特点助他取得了成功。威登海夫特回忆道：“我来自蒙大拿州的一间小实验室。我信心十足，不会胆怯，但是我本应该胆怯。”虽然威登海夫特计划就几个领域进行研究，但是当杜德纳展现出对CRISPR的兴趣时，他来了精神。CRISPR是威登海夫特第一个酷爱的生物技术领域。他说：“我开始滔滔不绝，竭尽所能地推销自己。”他走向白板，列出其他研究人员正在进行的CRISPR项目。这些研究人员包括约翰·范德乌斯特（John van der Oost）和斯坦·布龙斯（Stan Brouns）。威登海夫特曾与这支荷兰团队共事。他们曾共同前往黄石公园，收集热泉中的微生物。

威登海夫特和杜德纳进行了头脑风暴，探讨他在杜德纳实验室可能获取的机会。最值得注意的是，他们可能会弄清CRISPR相关酶的功能。威登海夫特活力十足，热情洋溢，颇具感染力，令杜德纳印象深刻。对威登海夫特而言，杜德纳对CRISPR怀有与自己一样的热情，这使他颇为动容。威登海夫特说：“杜德纳拥有全面看待问题的特殊本领，能够预料到下一件大事。” ⁶

作为一名门外汉，威登海夫特怀着愉悦的心情，展现出满满的热情。他带着这股劲头投入杜德纳实验室的工作。他愿意竭尽全力，研究他从未使用过的技术。在午餐时间，他会坚持骑行，然后整个下午投入工作，晚上仍然穿戴着骑行装备，戴着头盔，在实验室闲逛。一次，威登海夫特连续48小时不间断进行实验，连睡觉都在实验室。

马丁·吉尼克

威登海夫特对学习结构生物学充满渴望，因而在学术研究和社交方面，他与杜德纳实验室的一位博士后结晶学专家形影不离。马丁·吉尼克生于当时捷克斯洛伐克的特日内茨（Třinec）西里西亚镇（Silesian）。马丁·吉尼克在剑桥大学研究有机化学，在意大利生物化学家埃琳娜·康蒂（Elena Conti）的指导下，于德国海德堡取得博士学位。除了培养出敏锐的科学视野，这段学习经历还让吉尼克拥有了混合口音，在句子中反复以准确的发音，穿插着使用“基本上说”（basically）一词。 ⁷

在康蒂的实验室，吉尼克培养出了对本书明星分子RNA的热情。后来，吉尼克告诉《CRISPR杂志》（CRISPR Journal）的凯文·戴维斯（Kevin Davies）：“RNA是一种功能多样的分子，既能发挥催化作用，也可以折叠成立体结构。与此同时，RNA也是信息载体，是生物分子世界中的多面手！” ⁸ 吉尼克的目标是在一个实验室工作，使自己能够弄清将RNA和酶结合的复合体结构。 ⁹

吉尼克善于制定自己的路线。杜德纳说：“他能够独立工作。在我的实验室，这一能力至关重要，因为我不是那种会手把手指导学生的导师。受我青睐的人应拥有自己的创新想法，愿意接受我的指导，成为我团队的一员，而不用我每天告诉他该做什么。”杜德纳在前往海德堡参加一场会议期间做了安排，与吉尼克见面，然后怂恿他来到伯克利，和自己的实验室人员进行深入交流。杜德纳认为，自己团队的成员能与每一名新加入的成员和睦相处，这一点十分重要。

在杜德纳的实验室，吉尼克最初的研究重点是RNA干扰的原理。研究人员虽然已描述了其在细胞内的变化，但是吉尼克知道，要充分揭示这一点，就需要在体外对该过程进行重建。体外实验能够帮助吉尼克分离出干扰基因表达必不可少的酶。吉尼克也能借此确定一种特殊酶的晶体结构，进而证明，该种酶如何切割信使RNA。 ¹⁰

吉尼克和威登海夫特的背景与个性均有差异，因此他们成了杜德纳团队中能彼此互补的成员。吉尼克是一位结晶学家，希望进行更多实验，研究细胞。威登海夫特是一位微生物学家，想要学习晶体学。两人一见如故，相互欣赏。与吉尼克相比，威登海夫特更喜欢开玩笑，富有幽默感。但是这种幽默感颇具感染力，吉尼克没过多久也变得幽默风趣。一次，两人与实验室其他成员前往芝加哥附近的阿贡国家实验室（ANL），在一座巨型环状建筑内开展研究。建筑内存放着一台强大的X射线机——先进光子源（APS）。该机器太大，以至于现场为研究人员提供了三轮车，方便他们前往特定的设备位置。凌晨4:00，威登海夫特结束了通宵工作，组织了一场环实验室大楼的三轮车赛。当然，他赢得了比赛。 ¹¹

杜德纳认为自己实验室的目标是分解CRISPR系统，将该系统分割成具体的化学成分，并研究各个成分的功用。她与威登海夫特决定，首先专注于研究Cas酶。

专注于Cas1的研究

让我们暂停一下，快速上一堂复习课。

酶是一种蛋白质。其主要功能是发挥催化剂作用，在从细菌到人类等生物体的细胞内，促进化学反应。酶能对5 000余种生物化学反应产生催化作用。此类反应包括在消化系统中分解淀粉和蛋白质、引发肌肉收缩、在细胞间发送信号、调节新陈代谢，以及（本节讨论中最为重要的）剪切和拼接DNA及RNA。

到2008年，科学家们已经发现由基因产生的许多种酶。此类基因与细菌DNA的CRISPR序列相邻。当细菌遭到病毒攻击时，这些Cas酶使系统能够剪切和拼接与该病毒相关的新记忆。此类酶也会创建小段RNA序列，即CRISPR RNA（crRNA）。该短序列能够将剪刀一般的酶引向危险病毒，剪切病毒的基因组。转瞬之间，大功告成！足智多谋的细菌就是以如此方式，创建了一个能够自我适应的免疫系统。

2009年，关于这一系统的解释仍然众说纷纭。很大一部分原因在于，不同的实验室均发现了该种酶。最终，研究人员以标准化方式为其命名，如Cas1、Cas9、Cas12和Cas13。

杜德纳和威登海夫特决定，专注于Cas1的研究。在所有拥有CRISPR系统的细菌中，都能发现该种Cas酶的存在。具有这一特性的酶独此一种。这表明，该种酶具有最基本的作用。对于使用X射线晶体学解析分子结构如何决定其功能的实验室而言，Cas1具有另一个优势：轻易便能形成结晶。 ¹²

威登海夫特成功将Cas1基因从细菌中分离，并于随后完成了基因克隆。通过使用蒸汽扩散法，威登海夫特随后成功获得了Cas1的结晶。但是在设法弄清晶体的具体结构时，他遇到了障碍。因为他在使用X射线结晶方面经验不足。

吉尼克刚刚与杜德纳发表了一篇关于RNA干扰的论文 ¹³ ，便加入杜德纳麾下，帮助威登海夫特开展结晶工作。两人共同前往劳伦斯伯克利国家实验室附近，以使用那里的粒子加速器进行工作。吉尼克帮助了威登海夫特分析数据，搭建Cas1蛋白的原子模型。吉尼克回忆道：“在这一过程中，我深受布雷克巨大热情的感染。随后，我决定留在杜德纳实验室，参与CRISPR研究。” ¹⁴

两人发现，Cas1拥有一个独特的折叠。这表明，细菌使用该机制，在入侵病毒的DNA上切下一个片段，将其并入CRISPR阵列，进而成为免疫系统记忆形成的关键。2009年6月，两人将自己的发现撰写为论文并发表。该篇论文是杜德纳实验室对CRISPR领域的首个贡献。论文基于CRISPR的一个组成部分的结构分析，首次解释了CRISPR的作用机制。 ¹⁵ DPvQwYkZ7HIeZ7rCFP9Cc7YYl2opz3l5EN6HWnpX4oamJNYpcu9lB/MUQTkYv12v