美国正逐步放缓投入总额高达10亿美元的蛋白质结构解析工作的步伐，这对整个蛋白质结构研究领域意味着什么呢？

三年前，ANDRZEJ JOACHIMIAK决定将超级细菌作为他的主攻目标，开始啃这块硬骨头。因为这种超级耐药细菌对全球的危害越来越大，仅仅在美国每年就有200万病例，而且每年的死亡人数竟高达2.3万人。在这些超级细菌中，**恐怖的就是表达NDM-1蛋白的变异株，该细菌几乎对目前所有的β-内酰胺类（β-lactams）抗生素耐药，包括青霉素在内。

蛋白质结构项目（Protein Structure Initiative, PSI）是一个已经开展了很长时间的项目，正是因为这个项目在前期打下的基础，Joachimiak才能够对NDM-1蛋白的结构开展解析工作，才有可能找到NDM-1蛋白的破绽，寻求消灭这种超级细菌的方法。Joachimiak是美国Argonne国家实验室（Argonne National Laboratory in Illinois）的一名结构生物学家，他和他的同事们用机械手合成了98个NDM-1蛋白编码基因，这些基因彼此之间都有一点微小的差异。Joachimiak等人*终成功表达（原核表达）了其中的59个基因，从中一共得到了53个纯化的NDM-1蛋白，*终有21个蛋白形成了蛋白质结晶。这些蛋白质在结晶过程中都结合了很多药物抑制剂，或者正在开发中的抗生素等分子。Joachimiak等人将*漂亮的结晶样品放进“光子源（Advanced Photon Source）”里分析。光子源是一个有体育场大小的同步加速器（synchrotron）设备，它能够发射极强的X线束（事实上是本半球亮度的储存环产生的X射线束流），激发蛋白质结晶，获得原子级三维立体结构信息。

Joachimiak等人一共得到了11幅这样的结构图谱，其它几个蛋白质的结构也正在解析当中。根据目前得到的信息显示，NDM-1蛋白有一个扩展的、富有弹性的活性位点，所以该蛋白的适应性很强，能够破坏各种β-内酰胺类抗生素。目前全世界的制药公司都在无偿地使用Joachimiak等人获得的这些结构学结果，设计新的抗生素产品，也许在未来的某一天，我们就能够得到一种的抗生素，挽救数百万人的生命。Joachimiak认为这就是PSI项目的贡献。

美国国家综合医学研究院（U.S. National Institute of General Medical Sciences, NIGMS）从2000年开始一共为PSI项目提供了9.07亿美元的经费支持，希望能够加快蛋白质三维结构解析工作的进展，解决一大批NDM-1蛋白这样的难题，美国国立卫生研究院（NIH）等机构也为这个项目陆续投入了2300万美元的经费。这笔巨额科研经费给一大批科研团队提供了支持，其中包括生物学家、物理学家、化学家及工程师等来自各个专业的团队，他们彼此合作，不仅仅是为了解决蛋白质结构这一个问题，同时也还在摸索一条新型的科研合作模式。到目前为止，PSI项目一共得到了6507种蛋白质的立体结构，其中6.6%的蛋白质结构信息数据已经上传到知名的蛋白质数据银行（Protein Data Bank, PDB）数据库里。

不过在去年秋天，NIGMS的咨询委员会突然向对PSI持批评态度的意见“屈服”，决定停掉这个项目，一批资助也将于2015年6月到期。NIGMS的新任院长Jon Lorsch去年9月在他的博客里这样写到：“在目前的科研预算大环境下，为了开展新的科研项目，以及对更有需要的项目继续提供支持，其他的一些项目必须做出调整，乃至关闭。”

消息一出，顿时惹得几家欢喜几家愁，支持PSI项目的人个个垂头丧气，反方则一片兴高采烈。但是*关键的是，该决定引出了这样一些问题，我们从这个花了将近10亿美元的大项目里得到了什么？这种以大规模科研机构为主的生物研究模式将来该如何发展？我们花大力气建起来的这些设备该怎么办？PSI项目终止之后，美国的结构生物学研究该何去何从？美国加利福尼亚州Scripps研究院（Scripps Research Institute in San Diego, California）的结构生物学家、PSI项目细胞膜蛋白结构解析中心的负责人Raymond Stevens表示，结构生物学研究已经走到了一个十字路口。PSI项目结束了，他觉得这也是一个机会，可以让他们好好想想下一步该怎么走。

工作在继续

在PSI项目开展之前，结构生物学研究的进展一直都非常缓慢。通常一个实验室需要花几个月，甚至是好几年的时间来克隆一个基因，进行原核（细菌）或真核（酵母）表达，直至*终获得纯化的蛋白。然后在结晶试验过程中还会尝试各种盐、缓冲液，以及各种各样的添加剂，帮助纯化的蛋白质形成晶体结晶。质量较高的晶体结晶就可以拿来进行X线衍射分析，看看是否能够得到蛋白质的结构图谱。这还不算完，下一步可能又需要好几个月乃至好几年的时间，才能得到原子结构图。到了20世纪90年代末，PDB数据库里一共只收录了大约1万个蛋白质的结构图。可是同时期的人类基因组计划（Human Genome Project）却已经获得了人体内数百万个蛋白质的编码基因序列。解析蛋白质三维立体结构是了解蛋白质功能的关键，因此结构生物学家们一下子意识到，如果他们不加快脚步跟上人类基因组计划的步伐，就要被永远地抛弃了。

于是PSI项目就启动了。NIGMS的官员在2000年时正式对外宣布了PSI项目的研究目的。首先需要在10年内开发出能够解析5000个蛋白质结构的技术。然后根据这些结构信息开发计算机结构预测模型，再直接根据基因序列推算出蛋白质的三维立体结构，并且了解其功能，绕过*让人头疼的蛋白质结晶步骤。

从2000年9月至2005年6月，NIGMS在个五年里总共为这个的项目投入了2.65亿美元，这一阶段主要是为蛋白质结构解析工作的每一个步骤开发自动化技术，这些步骤包括蛋白质表达、蛋白质纯化、蛋白质结晶、收集X线衍射数据，以及利用软件自动解析蛋白质结构等。在获得了1100多个结构信息之后，NIGMS的官员们认为前期工作已经胜利完成，决定开展第二阶段的工作，该项目被命名为PSI-2。从2005年7月至2010年6月，NIGMS总计又投入了3.46亿美元，这些经费主要拨给了四个大规模、高通量的研究中心，六个专门开发蛋白质结构解析技术的研究中心，以及其他几个计算机建模中心。第二阶段总共又得到了3700多个蛋白质的结构图谱。

虽然PSI项目取得了这么多成果，但是它也引起了很多的争议。在这些解析的蛋白质当中，有很大一部分都是来自细菌的蛋白质，科学家们对这些蛋白质的功能几乎是一无所知的。参与PSI项目的科研人员认为，即便如此，根据这些蛋白质的结构也可以让他们更好地了解蛋白质的折叠机制。可是其他那些没有参加PSI工作的科学家们却认为这是在瞎耽误功夫，不应该花大量的科研资源去研究这些与人体健康毫无关系的蛋白质。在2007年对PSI-2项目进行中期考核时，由美国密歇根大学安娜堡分校（University of Michigan, Ann Arbor）的结构生物学家Janet Smith任组长的评审小组一致认为，对于整个生物医学研究工作来说，这个大规模的PSI研究中心的确非常的不经济。评审小组建议PSI项目集中力量先解决*受大家关注的那几个蛋白质的结构问题。

NIGMS接着又启动了3期项目，即PSI:Biology项目。旨在寻找蛋白质折叠的特有方式，获得每一个蛋白质家族代表成员的结构信息。有4个高通量中心和其他9个中心开始转向生物学意义的蛋白质的结构解析工作。

可是这并没有让批评者的声音平息多少。在去年对PSI:Biology项目进行了中期考核，一个由外部专家组成的评审小组对高通量中心提出了批评。在评审报告里这样写到：很多项目都是由技术推动的，决定开展这些项目也是因为能够很好地利用现有的高通量结构解析平台，而不应该是因为某些生物学热点问题，或者具有多么重要的生物学意义。

有争议的传奇

对于这些建议，Lorsch和NIGMS的咨询委员会都非常赞成。他们决定放弃继续开展第4阶段工作的打算，开始为转型做准备。他们成立了一个专门工作委员会，来处理PSI各中心目前的工作，以及相关的各项设备和技术，同时也在研究将来应该如何继续为结构生物学研究工作提供资助的问题。

对于NIGMS的这个决定，各方做出了不同的反应。美国哈佛大学（Harvard University）的结构生物学家Stephen Harrison一直对PSI项目都持批评态度，他认为PSI项目从一开始就是个坏主意。这个项目的确加快了技术开发的速度，但是这些成绩中绝大部分也不都是因为PSI项目的功劳，其实在哪里都能取得这些成果。现在这个项目终于要进入收尾阶段了。“结构生物学研究总算可以回到正常的发展轨道上了，像其他学科一样，通过同行评议来决定对哪些项目给予基金支持。” Harrison这样评价道。

Joachimiak认为有很多批评意见都是为了批评而批评，没有实际价值。根据某项评估的调查结果，自2003年以来，获得一个可溶性细菌蛋白（这是比较容易解析的蛋白）的结构的成本已经下降了56%，目前大约只需要5万美元就可以完成这样一种蛋白质的结构解析工作。由PSI项目开发的，包括蛋白质表达、纯化、结晶，以及X线结构分析等工作在内的高速自动化系统已经成为了全世界结构生物学实验室的标配设备。美国新泽西州罗格斯大学（Rutgers University in Piscataway, New Jersey）的X线结晶学家Helen Berman同时负责PDB数据库和PSI的SBKB结构生物学数据库，据他介绍，PSI已经开发了421种不同的技术，这些技术有的已经商业化了，有的也已经通过SBKB的网站进行传播。

除了技术开发之外，Joachimiak等人认为PSI项目还为整个蛋白质科学做出了基础性的贡献。比如Scripps研究所的结构生物学家Ian Wilson等人就曾经在他们的高通量中心里使用一系列开发的技术，对大量HIV及流感病毒的蛋白质进行过结构解析工作。他们的目的就是要发现每一种病毒所编码蛋白质的共性，期望借此开发出一种广谱抗病毒疫苗。美国华盛顿大学（University of Washington, Seattle）的计算生物学家David Baker也使用PSI下属的东北结构基因组学项目（Northeast Structural Genomics Consortium）解析了几十个“蛋白质的结构数据，列出了几条设计新型蛋白质（自然界中不存在的蛋白质）的准则。Baker等人现在正根据这些准则在设计新的蛋白质，这些蛋白质有的可以用来进行基因治疗，有的可以将二氧化碳转化成燃料，还有一些蛋白质具有其它一些用处。

不过密歇根大学的Smith却认为Wilson的HIV蛋白质结构解析工作以及Baker的蛋白质人工设计工作并不能算是PSI项目的功劳，其他的科研人员，利用R01这样的其它基金也都能够开发出这样的科研成果。Smith还认为，就是因为PSI项目，所以有很多非常有意义、能够解决具体问题的结构生物学项目都得不到足够的基金支持。如果NIGMS能够调整资助方向，让更多的钱流向各个课题组，那将会起到非常积极的作用。

批评者们还指责PSI项目没有足够清楚地揭示蛋白质的折叠原理，以至于我们现在还不能够通过基因编码序列推测出蛋白质的结构，还得一个个、一步步地经过表达、纯化、结晶等步骤，费时费力地进行结构解析工作。美国斯坦福大学（Stanford University in California）的计算生物学家Michael Levitt认为，毫无疑问，如果你有一个序列非常相似的蛋白质的结构，那么就应该能够推测出这个新蛋白质的结构。可惜的是，他们现在还不知道蛋白质的折叠原理。PSI的科研人员也这一点，Stevens表示，他们的计算方法的确是还不够强大。Levitt也补充道，即便PSI项目解析了数千个蛋白质的结构，也跟不上蛋白编码基因新序列的发现速度，现在的已知序列的基因数量已经超过了3000万条。所以Levitt认为，未来将会花很长的一段时间，以及大量的金钱从事蛋白质结构解析工作，至少要从每一个蛋白质家族中挑选一个代表出来，获得其立体结构图谱。

现在已经不再继续开展这种费时费力的工作了，PSI的各个研究中心也将在几年内陆续被解散。PSI外部专家咨询委员会（该委员会为如何处置PSI的资产提供意见）的成员Smith认为，问题是如何能够顺利地做到转型，尽可能地避免对结构生物学研究工作带来不利的影响。方案就是由NIGMS继续用他们的高通量技术进行蛋白质的表达、纯化、结晶等工作，为全世界的结构生物学家们服务。另外一种方案就是将PSI的设备和技术分散到各个实验室里。Smith 表示，不能够让这些高通量设备被闲置起来。NIGMS希望在各个咨询委员会的意见全都汇总之后，在今年5月至12月间做出的决定。

参与PSI项目的科研人员担心PSI被解散之后会影响到美国在结构生物学界的领导地位。据Stevens介绍，有很多工作都会因此被迫终止。我们会看到由美国提交的蛋白质结构数量将大幅度下降。此时此刻，中国等其他国家也都在快速发展结构生物学技术。Joachimiak 表示，他对此感到很忧虑。Wilson 也赞同道：“我们的PSI项目曾经取得过这么好的成绩，可现在就只能眼睁睁的看着它被关闭。我们需要一种平衡，在R01这样的项目和PSI这样的项目之间的平衡。”

NIGMS的项目经理Douglas Sheeley曾经负责过两个PSI项目的转换工作，他认为PSI项目结束并不意味着NIGMS不再为结构生物学研究提供支持。NIGMS在2012年就为结构生物学研究拨付了1.64亿美元的科研经费，在整个NIH的经费中占比接近70%。

不过将来的资助总额会有所下降，因为其中有7500万美元是给PSI项目的。不过Harrison坚持认为，即便没有PSI这样的专项经费，美国的结构生物学研究工作也一定会再创辉煌。NIGMS的官员们正在计划用PSI的科研预算来支持R01这样占比越来越大的基金。Harrison 相信：“即便这笔钱不再用于结构生物学研究工作，我认为也没有问题。我们结构生物学家还是可以和其他的科学家一起去申请科研基金，我们都站在同一条起跑线上。”

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