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韓健:如果沒有PCR

來源:韓健科學網博客 閱讀數:562 時間:2019-08-21 08:48:49

因為發明了PCR(多聚酶鏈狀反應)技術而獲得諾貝爾獎的Kary Mullis博士最近去世了。PCR是當代分子診斷技術的基石,我們每個人都應該自問一下,如果沒有PCR我們今天會做什?我有機會發明PCR技術嗎?


知道Kary去世這個消息的時候剛好我陪同兩個美國科學家訪問南京:

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一位是我們哈森阿爾法生物技術研究院的院長,原斯坦福大學遺傳學主任,人類基因組中心主任(他領導的團隊完成了10%的基因組測序工作),Richard Myers教授;另一位是匹茲堡大學醫學中心著名的腫瘤免疫學家Michael Lotze教授。他們都是我們新建的江蘇省產業技術研究院免疫技術研究所的科學顧問。兩位都在最近一年內三四次訪問南京了。L教授更是輕裝上陣,兩個星期的旅途就背一個背包和一個他跑馬拉松裝衣服用的塑料袋。不過,包里放了十本一路上給同行朋友的書,我和Myers 教授也各得到了一本,”Making PCR” , 寫的就是PCR發明前后的故事:

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兩位教授都碰巧成了那個時期的歷史見證人。Myers教授博士在伯克利的時候就認識Mullis,講了幾個他和Mullis的親歷故事,一個比一個精彩,精彩到不能留下筆錄。而Lotze教授的經歷則和Cetus公司的盛衰息息相關,Cetus就是因為把賭注都押在了IL2(白介素2)上才斷了現金流不得不被兼并的。L教授被認為是白介素2先生,是最早把白介素2用于腫瘤免疫治療的。


“Making PCR”這本書客觀地記錄了PCR的發明過程:它的確是Mullis“狂想出來的,但是也是Cetus的幾個科學家把它動手做出來的。從Mullis設想到PCR到別人把實驗做出來中間隔了二十個月!


杜邦公司曾經挑戰過PCR專利,但是沒有勝訴。他們認為所有PCR技術的基本元素早在Mullis83年春天想構想出這個技術以前就已經存在了。的確,DNA多聚酶,寡核酸引物,dNTP等關鍵元素都已經被研究透了。可是,Cetus律師團的理由也很充分:既然所有這些元素都已經存在了十幾二十年了還沒有人想到PCR,恰巧說明這個技術不是那么顯而易見的。不然,張三早就研發出來了。


Mullis之所以能發明這個技術,除了LSD的功勞以外(他自己也多次提到興奮劑的獨特作用),更關鍵的是他腦子里面裝滿了讓他頭大的問題:他非常痛恨當時流行的分子診斷方法,Southern blot。我86年去美國留學,踏進實驗室的第一個實驗也是Southern Blot。整個實驗做下來要一兩個星期,包括基因組DNA提取,限制性內切酶處理,電泳,轉膜,烘干,制備放射性元素標記的探針,雜交,清洗,X光片曝光,洗印膠片等步驟。Mullis非常希望能逃避這些繁復的工作。


除了有令他頭大的問題之外,Mullis還有兩個別人沒有的優勢:(1)他是寡核酸合成實驗室的主任,手頭有別人沒有的資源和基礎知識;(2)他那段時間很著迷電腦編程,尤其是對Loop功能很欣賞。這就使他比別人更容易想到鏈狀反應。


L教授送書給我們的一個目的就是學習早年生物技術公司Cetus的創業經歷和經驗教訓。當初Cetus可算是生物技術領域的明星,上市后集資一億美金,是生物技術行業沒有先例的。拿到大筆錢后迅速擴張到幾百號人,科研創新全面開花,但是很難鎖定一個重點。最后找來一位有經驗的管理者,把寶都押在IL2上面,最后不得不把PCR技術廉價三億美金轉讓給了羅氏。公司經過風風雨雨最后不得不被鄰居小公司Chiron收購。如果當初把寶押在PCR上可能Cetus今天就是另一番天地了。


我第一次聽到PCR1987年,我在UAB讀醫學遺傳學博士的時候。在我們的Journal Club上研究生Theresa(她后來去Francis Collins 實驗室做博士后)講解了Saiki 為第一作者的那篇發表在科學雜志上的PCR用于分子診斷的應用文章(Kary拿諾獎的那篇PCR方法學的論文被科學和自然雜志拒稿發到二線雜志上)。

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我當時認為這個技術沒有多大用途,因為需要擴增靶點序列,既然已經知道了序列還有什么用呢?因為我們當初的頭大問題是要克隆未知序列。不過,我還是系里面最早學會實用PCR的人。我的第一篇論文(發表在PNAS上)也是發明了一個基于PCR的給未知基因做染色體定位的方法(CM-PCR, chromosome microdissection PCR. 就是通過顯微微切割從載玻片上拿到染色體片段作為模版進行擴增從而給基因定位的方法)。漸漸地,我體會到了PCR的強大威力,它的最大賣點在于他是提高分子診斷信噪比的最佳手段。如果沒有PCR,如果我們還是使用Southern blot類似的方法,我們為了提高信噪比,就只能設法去擴增雜交后的探針信號強度。PCR則是從源頭上增加了靶點上的信號強度,使得探針很多情況下都沒有必要了。


毫不夸張地說,沒有PCR技術就沒有我的今天。我創辦了六七家公司(Genaco, Diatherix, iCubate, iRepertoire, MyImmuneBank, 元倉,健譜)都是基于PCR技術的。我沒有用過LSD,還不知道它的好處。估計把我放到八十年代初在Cetus工作也可能發明不出PCR技術。不過,我在PCR的基礎上研發了三個多重PCR技術(temPCR, armPCR, damPCR) 算是把PCR技術發揚光大的一個好的案例吧。我之所以能研發出這些技術,根本原因還是有需求。和Kary當年一樣,我也有令我頭大的問題。創新的起點都是一個現實社會中的痛點,痛得越大,需求就越大。這樣的機會比比皆是,創新的機會也是如此。


許多講PCR發明人的文章都去翻出一些花邊新聞來講,那些娛樂性的文章不看也罷。人無完人,諾獎也不是按照道德標準來發的。Kary Mullis的一生活的很精彩,他的發明也讓許許多多我們這樣的人活的很精彩,更讓無數的病人直接收益,這還不夠嗎?

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