翁经科 美国麻省理工 (MIT) 的白头生物研究所 研究员、助理教授

西医很好,为什么我们还要研究中医药?

造就 TALK · 2016-12-30 · 16:20:39

我是一个土生土长的杭州人,我的父亲是浙江大学地质系的教授,他早上有一个习惯,就是到杭州植物园去晨练,美丽的杭州植物园是我童年的一个小天堂,我常常在那边抓虫子,玩花花草草,捡石头。

很多年以后回想起来,童年的经历实际上对我后来成长为一名科学家是非常有帮助的。

是什么让植物千姿百态药性各异? 

植物是非常有意思的一个王国。

这是一些会动的植物,比如含羞草,我们碰一下,它会折起来。

还有一些会捕小动物的,比如捕蝇草、茅膏菜;还有一些植物,一直在以非常缓慢的速度做运动,比如豌豆苗,如果我们用一个慢速的摄像机拍摄几小时,就会看到动态。

这个是巨花魔芋,是所有植物里面花最大的一种植物,这个植物非常珍稀,每十年才能看到它开一次花。

这个照片是两年前美国华盛顿植物园的巨花魔芋开花,因为这个花非常臭,所以你看到这些小朋友把自己的鼻子捏起来。

大家可以从这些例子看到,我们生物界的多样性是非常复杂的,而从一个植物生物化学学家的角度,我们看到的层面会更多。

通过非常有效的质谱分析方法,我们发现植物中有非常非常多的“小分子”,每一种植物中有上万种,甚至上百万种不同的小分子。

每一种都在行使着不同的生物功能,我们现在对它们的认识还只是冰山的一角。

是什么让我们流泪,让我们觉得辣、觉得痛?

每次走到自己的家的后花园,我们都会看到百花争艳,每个花和草都有自己的颜色和味道。实际上,当我们用眼睛和鼻子去感知这个世界的时候,就是人体和这的小分子的一种互动。

还有一个事情,大家一定很熟悉。如果我拿一个洋葱把它切开的时候,我会流眼泪,这是为什么?那是因为有洋葱的小分子跟我的眼睛发生了互相作用,让我流眼泪。

我们拿10厘米的洋葱来对半切,我们可以来猜一猜,我们对半切几次以后可以找到小分子?

当我们把洋葱切到8次的时候,我们会到达一个细胞的水平,只要在光学显微镜下看,就可以看到这些洋葱细胞。

继续切,我们在核里面可以看到染色质,所有的遗传密码都包裹在这个染色质里面。

我们切到20次的时候,就能达到这个叫核糖体的东西,我们身体中所产生的所有蛋白质,都是这个生物工厂合成的。

我们切到第22次,就到了蛋白质。我们吃的鸡蛋就是由蛋白质组成的,每一个细胞有上千上万这样的蛋白质,行使不同的生物功能。

当我们切到第24次的时候,就找到了这个让我们流泪的罪魁祸首,这是洋葱中一个比较简单的小分子,它是一个含有硫的化合物,我们仔细看,就会发现它其实是由氢、碳、硫和氧这些简单的原子,用特异性的方式构架在一起的。

那么我们怎样从这个事情推导到整体的化学多样性呢?

其实每个植物都是由这样简单的原子构成的,只是用不同的方式组合起来,成为不同的空间结构,实现不同的化学以及生物的功能,比如味道和颜色,如果把它们做成药的话,就是他们不同的药用活性。

现在我就再用一些大家所熟知的例子来说明,这些小分子是怎么样通过一些非常特异性的互动和我们的身体互作的。

TRPV1离子通道

这个叫“TRPV1离子通道”,它是一个跨膜蛋白,我们人体中的神经元都富集着这个离子通道,特别是在我们的皮肤上和口腔里有非常多的这样的小分子。

当我们的手碰到一杯很烫的水时,我们手马上就会弹开,因为我们感知到疼痛;当我们如果吃辣椒的时候,也会觉得嘴巴里面非常的疼痛,这是因为辣椒里面有这个叫“辣椒素”的小分子,和这个离子通道进行了特异性的互作,激活了这个离子通道,让钙离子从细胞外流入了细胞内,造成了这样的感觉。

在植物界还有比辣椒素更厉害的东西,这种仙人掌也叫树脂大戟,里面有一种比辣椒素辣500倍的树脂毒素,只要用五百分之一的小分子,就可以达到跟辣椒一样辣的程度。

在动物界,比如说毒蜘蛛,它也有一种自己的天然产物,以其他方式去和这个我们的痛觉受体互作,也会使我们产生疼痛的感觉,像这样的机理其实可以用于治疗。

紫杉醇是一个非常重要的具有抗癌功效的天然产物,它来自于紫杉,是一种非常名贵的药材。这个化合物能跟微管蛋白特异性结合,破坏微管蛋白的重组能力,在癌细胞复制的时候,需要非常多的微管蛋白,由于有这种机制,紫杉醇就具有抗癌的能力。

长春花是另外一种植物,它也有一种非常复杂的小分子(长春碱),它可以用另外一种方式跟微管蛋白结合,也同样可以达到抗癌的功效。

这么复杂的小分子在生物体中是怎么合成的呢?这是我们在实验中要花很大的精力去理解的一个事情。

比如说一辆汽车也是一个很复杂的整体,它有上万种零件,在现代的汽车工业中需要用不同的机械手,把每一个零件组装起来。

在每个生物体里面,不管是植物、动物或者人体,都有很多这样的组装“机械”,我们称之为“酶”,它可以催化各种各样的化学反应,令生物体的代谢通路以相对简单的代谢前提,一步一步把小分子安装成一个比较复杂的、最后变得非常有活性的化合物。

我用微生物合成了与草药一样的化合物 

为什么要研究这些呢?

像我刚才提到的紫杉醇,或长春碱,它们都是在珍稀的、高价值的药用植物中存在,如果我们人类有非常大的需求,这些植物就不能提供足够多的化合物来源。

当我们理解这些植物是怎么样合成这些小分子后,我们就可以把整个通路转嫁到可以再生的一些物种里面,比如说酵母,或者大肠杆菌,用生物工程的方式来获取这些高价值的天然产物。

我们实验室做过的一个研究,就是针对一种非常珍稀的药用植物。

这个植物来自于南太平洋群岛,这个群岛上的土著人把这个被称为“卡瓦胡椒”的植物奉为神灵,他们所有的文化传承都跟用这个植物的根部所做出的茶有关系。

当他们的部族之间有冲突的时候,所有的部族首领会坐在一起泡一杯卡瓦胡椒茶,喝一个晚上,就把这些问题解决了。

这个卡瓦胡椒的茶具有安神、抗抑郁,可以让大家平静下来的一种功效。就连教皇、查尔斯王子到这个斐济群岛去访问的时候,当地人也会给他们泡卡瓦胡椒的茶作为礼待。

我在文献中发现这个卡瓦胡椒里面,有一种特异性的分子叫“卡瓦内酯”,并且这个植物里面有三十多种非常类似的卡瓦内酯。

它们为什么会有抗失眠抗抑郁的功效呢?在实验室里我们用了斑马鱼作为遗传模型来研究。

左边的斑马鱼在正常游动,右边的斑马鱼我们加上了一个特异性的卡瓦内酯,10分钟之内就能发现它变得平静了很多,而它整个游动状态的变化跟人类因为卡瓦内酯而减轻焦虑症状的变化是一样的。

发现这个结构以后,通过系统生物学的手段,比如基因测序、蛋白质表达以及活性分析,我们就可以把合成这个卡瓦内酯所需要的蛋白找出来。

当我们把这些蛋白质重组到微生物中的时候,就可以用人工合成的方法来合成卡瓦胡椒中的化合物,现在我们有8种不同的卡瓦内酯可以用这种合成生物学的方式,在实验室里大规模地生产。

通过这样的思路,我们再也不用去自然界破坏那些珍奇的、有药用价值的植物,而是可以利用自然界教我们的这些知识,用合成生物学的方法去生成一样的化合物,创造出一种新药。就像合成的卡瓦内酯能够治疗人的焦虑症、失眠症一样,这就是我们想做的。

我们想研究的不仅是一种作物,而是中华文明几千年所积累的几千种的草药,用系统生物学和合成生物学的方式让它们现代化。

西医很好,为什么我们还要研究中草药?

第一,我们想知道,为什么草药能治病?

我们想要用西方科学的语言来描述这个事情,我们会在动物模型上用这个药用植物所提出的成分或单个的天然产物去进行处理,然后用大规模测序的方式去知道这些药物在人体各个器官中会造成样哪些基因表达的变化,用分子生物学的语言来描述这些的变化。

第二,当我们鉴定出特异性天然产物具有一定的药用价值的时候,我们再用生物合成的方法,把整个合成通路转嫁到绿色可持续发展的微生物系统中,这样我们就可以人工合成出一种灵感来源于草药的新药。

这个工作将会持续非常长的时间,因为全世界的传统草药是一个非常重要的,而且非常博大的宝库。

除了我们的传统中草药以外,亚马逊丛林、印度还有我们中国的西藏,都有各自不同的草药系统,所以在未来的几十年中,我们实验室以及世界上其它的实验室都会非常积极的去做这个事情。

最后,我想和大家分享一个悲伤的故事。

上周,我在白头研究所一个非常要好的同事因为癌症去世了,享年67岁。

他一辈子都在研究癌症和阿兹海默症,包括我们研究所的其他教授也都在研究这些疾病,但他从去年发现到最近过世只有一年的时间,我们和他,都没能用这些知识来拯救他自己。

我想说的是,其实西方医学崛起只有短短一百多年的时间,它对很多疾病,一些相对简单的疾病,像细菌感染,炎症或者疼痛,有非常好的疗效,但是对很多系统性疾病,比如说糖尿病、癌症、神经性退行疾病,以及心血管病,却未能有满意的疗愈。

有一些人会觉得,西医很好,为什么还要中医呢?

实际上,中医是基于几千年的人类经验所积累的可以治疗疾病的一套方法,而且我们中华民族五千年来就是靠这样的医学存活到今天的。

为什么不能以西方的科技加上系统生物学的知识,去完成中医的现代化? 

这就是我今天要跟大家分享的故事,谢谢!

(本文根据翁经科在造就第15期《新物种起源》上的演讲内容整理而成)

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