如何創造偉大的實驗室

專題報導 11/01/2012


創立滿五十年的英國劍橋分子生物實驗室,被譽為世界上科學實驗室的成功典範。回顧科學實驗在歐洲的發展歷史,實驗室主持人的個性、眼界以及樹立的風格,是創造一個偉大實驗室的關鍵要素。

什麼因素會造就一個突出的實驗室?在過去幾個世紀中,已經有幾個這樣特殊的地方,但沒有哪個比得過英國劍橋的分子生物學實驗室。十月初該實驗室慶祝它得到自己的建築的五十週年,也是四位該實驗室科學家獲頒諾貝爾獎的五十週年。他們是肯德魯(John Kendrew)、佩魯茨(Max Perutz)、華生(James Watson)和克里克(Francis Crick)。

總體而言,劍橋分子生物學實驗室在其輝煌的歷史中,共擁有九次諾貝爾獎的十三名得主,加上另外八位曾在此暫時培訓或工作的得主。身為劍橋大學卡文迪西實驗室的一個單位,分子生物學實驗室誕生前就有卓越的歷史。很少有人敢預測,其獨立的存在會如此成功且成果豐碩。然而,從歷史看來,它與其他優秀實驗室有共同的特點。這包括生產科學知識的新方法、訓練研究者的新方法、環繞一個新興科學領域的創新和興奮;也許最核心的,是有一個有天賦的人,並具備讓事情做成的個性和遠見,。

因此,劍橋分子生物學實驗室可以視為是一個可以追溯到十九世紀初物種的現代化典範。以前的卓越中心有不同的氛圍,反映了他們的時代的科學文化。但是,所有卓越中心都共享一些重要的明星特質。為了尋找這些特質,在這裡我簡要的檢視劍橋分子生物學實驗室的三個先例以及其母實驗室。

實驗室生活

在十九世紀以前,大多數實驗室是單人的工作場所,有時會有一兩個助理。化學家拉瓦錫(Antoine Lavoisier,一七四三~一七九四),與陪伴在他身邊的妻子,是典型的這種模式。妻子和僕人經常襄助工作。李比希(Justus von Liebig,一八○三~一八七三)明確地改變了這種格局。

李比希在德國吉森大學的化學實驗室成立於一八二六年,並獲得了國際聲譽。它吸引來自歐洲各地的學生,並使李比希獲得「化學家培育者」的聲譽。他的實驗室是使德國大學令許多人羨慕的研究和教學機構的一個早期例子。它從一個房間起家,實驗桌環繞著房中的一個火堆。李比希對化學物質組成和他們反應的研究非常出色;他對於農業、工業和生物學問題的專注,為他的研究帶來高度主題化的風格。

他訓練他的門徒小心謹慎,尤其在定性分析更是如此。學生蜂擁向他求教,結果隨著他的學生轉移到其他地方的要職,十九世紀中期的歐洲化學也產生了明顯的李比希風格。識別尖端問題的能力,以及培養學生解決這些問題,標記了他的成就。整個德國大學系統的生物醫學與自然科學學門,廣泛地採用了李比希的創舉。

培訓也是生理學家巴甫洛夫(一八四九~一九三六)重點的一部分,但他將他自己的組織天賦,帶入他在俄羅斯聖彼得堡一手策劃的「生理工廠」,那裡以對狗的研究聞名。他將一些製造業的作法,應用在科學知識生產之上。巴甫洛夫手下的研究人員是最早開始專業分工不同的研究冷領域(如外科手術、化學、狗處理)的之一。就連狗也有專業的區分。許多狗分別有永久胃瘺、食管、胰腺或其他外科問題,讓巴甫洛夫可以即時檢查其生理機轉。

巴甫洛夫的「實驗室」最終佔領了一整個建築;這已經接近「實驗室」這個詞的現代用法,與和更早時候大多數研究者的單一房間,已不可同日而語。隨著科學變得更加複雜和相互合作,實驗室的實際結構比起我們用來形容的語言,進化得更快。

下面的例子強調了這一點:摩根(Thomas Hunt Morgan,一八六六~一九四五)和他在紐約哥倫比亞大學的「果蠅房」。這不僅僅是一個房間。現代實驗遺傳學出生在那裡,果蠅(Drosophila melanogaster)是他們理想的實驗對象。蒼蠅的快速繁殖週期,以及四個大的染色體,使它成為研究染色體減數分裂和有絲分裂事件過程中,與成年個體的結構特徵相關性的理想選擇。在一個偶然的機會中,摩根發現了一隻有白色眼睛的蒼蠅(而不是通常的紅色),這引導他研究性染色體的重要性。

摩根是一個很有才華的科學家,他周圍也圍繞著同樣有天賦的學生和博士後研究人員,其中包括斯特提文特(Alfred Sturtevant),布里吉斯(Calvin Bridges)和穆勒(Hermann J. Muller)。雖然摩根是來自美國南部的一個貴族,卻是以平等原則運作他的實驗室,因而造成歷史學家仍在爭論不同成員的相對貢獻。摩根本人在一九三三年獲得了諾貝爾生理醫學獎,但他把獎金分給斯特提文特和布里吉斯,以幫助教育他們的孩子。只有穆勒(他自己以輻射對突變率的影響的研究,贏得了一九四六年的諾貝爾生理醫學獎)暗示,摩根有時會剝削他的學生。多數人認為,自由交換和相互奉獻,是發現果蠅遺傳學的成功方程式。

李比希、巴甫洛夫和摩根各自創造了一些特別的東西。他們的實驗室達到了國際的頂尖成績,吸引有才華的科學家,並孕育出進一步的成功。每個實驗室都帶著創始人雄心和個性的印記,這種領導者和機構成功之間的關係都相當突出。摩根的平等主義文化,為許多現代的實驗室提供了成功的模式,劍橋分子生物學實驗室更是如此。

實驗室形態

有一種形態會出現在某些實驗室。現今的劍橋分子生物學實驗室是,是以隱身在劍橋大學物理學中心的卡文迪西實驗室起家;從任何方面來說,後者也可以說是現代實驗室中最成功的佼佼者。

卡文迪西實驗室始於一八七四年。它的第一個主任馬克士威(James Clerk Maxwell,一八三一~一八七九),被認為是牛頓和愛因斯坦之間最重要的物理學家。馬克士威是個和善的人,擁有豐富的創意頭腦和非凡的聰明才智,對物理中的許多問題作出貢獻,並完成了歐斯德(Hans Christian Ørsted)、法拉第(Michael Faraday)和其他人開啟的電磁學研究。他指出太陽光以電磁波型式向我們放射,並同時預測了已成為現代科學和現代生活核心的輻射射程。

許多這些進步來自卡文迪西實驗室,始於湯姆森(J. J. Thomson,一八五六~一九四○)以及他在一八九七年發現的電子。他是卡文迪西實驗室的許多諾貝爾獎得主之一;而且,就像所有成功實驗室的領導者,他是一個很好的識才者。而成功的實驗室會吸引志向遠大且優秀的人。拉瑟福(Ernest Rutherford,一八九一~一九三七)來自紐西蘭,就是因為湯姆森和他的研究小組而加入卡文迪西實驗室。他在紐西蘭茁壯成長,並在加拿大蒙特婁和英國曼徹斯特的任期後,在一九一九年繼湯姆森接下主任一職。他帶來了來自曼徹斯特的查德威克(James Chadwick),奠定卡文迪西在二十世紀最初幾十年的核物理和原子物理基礎。

在一九六二年得到了它自己的建築前,劍橋分子生物學實驗室只是卡文迪西實驗室的一個研究單位在。其早期的任職者中,最重要的是佩魯茨(一九一四~二○○二),他的風格和個性塑造了劍橋分子生物學實驗室。佩魯茨是一九三六年來到了英格蘭,希望能與劍橋的生物化學先驅霍普金斯(Frederick Gowland Hopkins)共事。一場與X射線晶體學家貝爾納(J. D. Bernal,當時仍在卡文迪西)的會談,使年輕的佩魯茨相信,X射線可以提供解決蛋白質的分子結構的工具。

佩魯茨又花了一年,以取得品質適於用X射線衍射技術分析的馬血紅蛋白晶體。由於第二次世界大戰,在七年過後,他才能回到這個他投入一生研究的這個分子。即使在戰爭爆發前的幾年,他已經住在英格蘭,卻被視為外國敵人,一九四○年在英國和加拿大被關押了九個月。其餘的戰爭時間,他都在英國設計航空母艦。

在當時卡文迪西主任布列格(Lawrence Bragg)的鼓勵下,佩魯茨回到血紅蛋白的研究,和肯德魯(John Kendrew,一九一七~一九九七)一同工作。劍橋分子生物學實驗室創始的日期可追溯至一九四七年,英國醫學研究理事會開始支持佩魯茨和肯德魯的研究。他們團隊原始的名字是「MRC生物系統分子結構研究單位」。佩魯茨形容當時的自己是「一個化學家在物理實驗室研究生物學問題」:這種說法相當準確概括了稱為「分子生物學」之領域的投入,此領域名稱於一九三八年由洛克菲勒基金會領導人韋弗(Warren Weaver)提出。

佩魯茨和肯德魯追尋分子生物學研究的一個充滿希望途徑;但血紅蛋白實在是個複雜的模型,他們很快就將較簡單的肌紅蛋白加入了他們的範疇。赫胥黎(Hugh Huxley)於一九四八年加入該團隊,但轉而研究肌肉收縮的生物物理動力學:這是隨著該單位的傳承,生物問題範圍也隨之擴大的一個早期例子。該團隊的研究的國際聲譽日益增長,將有天賦的年輕科學家帶到劍橋,包括當時是研究生的物理學家克里克和博士後研究員、生物學家華生。

一個成功的實驗室一般會孕育更多成功的後起者,影響他們的大小和風氣。布列格對團隊的卓越十分讚賞,但在經歷戰後緊縮英國,卡文迪西實驗室長期缺乏空間。佩魯茨知道,生物化學系的桑格(Frederick Sanger)也需要更多的空間;因此,他在一九五七年寫信給英國醫學研究理事會,希望能把分子生物學家安排在一個新的實驗室。在既得利益者繁多下,協商的進展緩慢並非意外之事,但終究找到了經費。目前,在劍橋市山丘路的現有建築物,一九六二年五月由英國女王伊麗莎白二世主持開幕,曾經過多次擴建,並且還在不斷增長。當時有大約二十五人任職此處,來客座的研究者也約為此數。在十月份,此地有場慶祝宴會,因為佩魯茨和肯德魯獲得諾貝爾化學獎,而華生和克里克(和威爾金斯(Maurice Wilkins)合得)生理醫學獎。

光明的開始

一九六二年的盛宴僅僅是個開始。在過去半個世紀,劍橋分子生物學實驗室一直是分子生物學的發展中樞,分子生物學又是生命科學領域的核心。新的發育生物學、免疫學、細胞生物學和神經生物學團隊,證明了此領域的擴張。這種增長常常圍繞著個人因勢利導,如布雷納(Sydney Brenner)、米爾斯坦(César Milstein)、克魯格(Aaron Klug)和哥德特(Michel Goedert)等人。僅僅在前一代還適用的簡單規則(例如,生產單株抗體的原程序沒有申請專利)已經讓位給現代競爭激烈的生物技術世界。

「行政靠單兵,奧黛麗瑪汀;穿著她的狗拖鞋,管理行政事宜。」

隨著實驗室的不斷壯大,其行政結構不可避免變得更加複雜。佩魯茨在一九七九年退休之前,實驗室沒有主任。佩魯茨沒有想成為主任,而這意味著他退休後他就可以保留自己實驗室的空間。相反,卡文迪西實驗室有一個鬆散的管理委員會,偶爾才開會,視其主要任務是吸引優秀人才到實驗室。佩魯茨讓實驗室的官僚結構保持在最低限度,直到一九七三年,都只由瑪汀(Audrey Martin)一個行政人員(穿著她的狗拖鞋),管理行政事宜。摩根在哥倫比亞大學孕育的平等主義,被有效地在劍橋複製,實驗室的連續幾任主任都鼓勵這種精神,包括布雷納、克魯格、亨德森(Richard Henderson)和佩勒姆(Hugh Pelham)等人,他們先後主持這個越來越大的機構。劍橋分子生物學實驗室目前擁有大約四百名員工,大約一半的長聘人員,其餘是學生和訪問科學家。

描述這個成功,比起解釋它來得容易;但早期幾個代表性典範的特點,也是劍橋分子生物學實驗室核心思想的一部分。新技術、新學科、解決老問題的新方法,以及合議的特質,都仍然是這個實驗室的特色。甚至在他去世後,佩魯茨的個性依舊閃耀並發揮影響力。該實驗室的頭一個五十年所取得的成就,獲得了更多的新建築當獎勵,它們將在二○一三年開放。

祝劍橋分子生物學實驗室興旺長久。
(此為英國倫敦大學學院醫學歷史榮譽教授拜楞(William Bynum)在二○一二年十月四日《自然》雜誌的專文)
【知識通訊評論月刊一二一期】2012.11.01

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