一位传奇科学家的双面人生：患癌，丧夫，丧子，得诺奖

 

文 ｜ 刘佳佳 王兆昱

她是诺贝尔化学奖史上第5位女性得主，凭借在“酶定向进化”研究中的杰出贡献，于2018年摘得诺奖。她在20世纪90年代开创的“定向进化”方法，为生物领域带来了革命性变化。

而她人生的另一面，几经坎坷与挑战。她曾患乳腺癌并接受18个月的治疗；在两次婚姻中，她曾两度经历丧夫、丧子之痛。

这是一位传奇女性的双面人生——她的名字，是弗朗西斯·阿诺德（Frances H. Arnold）。

弗朗西斯·阿诺德 图源：American Academy of Achievement

在接受《中国科学报》采访时，67岁的阿诺德刚从健身房回来，面色红润地坐在电脑前，看起来还不到40岁。

她兴致勃勃地谈起自己的日常：现任美国加州理工学院教授，还是科技公司董事会成员；在采访当天，她与白宫进行了6个不同的zoom会议，每天被会议和实验室工作填满，还要挤时间去健身和参加晚宴。

在短短25分钟的访谈里，我们从侧面窥见这位传奇女性的人生一角。而她本人表示，仍然以开放的心态面对一切挑战。

她的人生，从来都是旷野。

成为蛋白质世界的工程师

“定向进化”是一种模拟自然选择的过程，用于在实验室环境中改良酶、蛋白质、微生物等生物分子和生物体的性能。“定向进化”的核心思想是通过随机突变生成大量变异体，然后从中筛选出具有期望性能的变异体，以此来模拟自然进化过程中的“变异-自然选择”机制。

近日，弗朗西斯·阿诺德团队与陶氏有机硅公司合作，在Science上发表成果，使用“定向进化”技术扩大了酶的活性，可以引起碳硅键的破裂，从而为甲基硅氧烷这种人造化合物的降解提供了可能性。

《中国科学报》：能否介绍一下你们最近发布的成果？

弗朗西斯·阿诺德：

在过去10年中，我一直想证明，大自然可以学会做化学家能做的任何事情，甚至做得更好，包括用化学方法制造和断开生物界所没有的化学键。

在这项成果中，我们创造了第一种能断开碳硅键的酶，这在自然界是从未有过的，非常令人兴奋。你所在的房间里有50种含有环氧化酶的产品，它是人造化学品，不能被自然生物降解。但我们在酶中进化了这种功能，并表明这在化学上是可能的，酶可以将硅分解。

弗朗西斯·阿诺德团队近日成果 图源：Science网站

《中国科学报》：你们是用“定向进化”方法做到的吗？

弗朗西斯·阿诺德：

是的。“定向进化”向我们展示了许多东西。进化是一个非常强大的工程过程，它适用于从分子到生态系统的所有尺度。我们可以引导进化创造出新的酶，它们是出色的化学家、催化剂。

“定向进化”的真正诀窍是在巨大的可能性空间中找到更好的东西，并在规定的时间范围内完成它。

《中国科学报》：你开创“定向进化”的灵感来源于哪里？

弗朗西斯·阿诺德：

我接受过工程师训练（注：阿诺德本科在美国普林斯顿大学修习机械与航空航天工程专业），一直想制造新的事物。

我在第一次剪切和粘贴DNA时就爱上了蛋白质，当时就想成为蛋白质世界的工程师。只是没人知道怎么做，没人知道蛋白质如何工作及最小化序列如何决定其功能，更没人知道如何设计细微的差别。我只能自己想办法。好的工程师必须借助已被证明有效的理论，于是我把目光投向了进化论。进化，是让人类变好的方法。

2018年诺贝尔化学奖获得者弗朗西斯·H·阿诺德、乔治·P·史密斯和格雷戈里·P·温特爵士。图源：诺奖官网

《中国科学报》：普通人能用到“定向进化”吗？

弗朗西斯·阿诺德：

举个例子——所有的洗衣粉都含有酶，但有哪个“自尊心”强的天然酶愿意在洗衣机里工作呢？洗衣粉中使用的所有酶都是通过“定向进化”优化的，以便在漂白剂和表面活性剂存在的情况下发挥作用。

还有成千上万的例子。所有的试剂和DNA测序都是通过“定向进化”优化的，那些用于制造药品、香料、纺织品染色和食品的酶，都是通过“定向进化”设计出来的。

《中国科学报》：你认为，自己在科学上最主要的贡献是什么？

弗朗西斯·阿诺德：

我是第一个用进化创造新酶的人——我在20世纪90年代展示了一个进化过程，现在全世界数以千计的实验室和产品都在使用这个方法。

从那时起，我继续使用“定向进化”制造各种有趣的酶和蛋白质，制造那些人们认为不可能的东西，比如碳神经元或碳硅键，以及非常有用的东西。

“不要把科学都留给男人”

《中国科学报》：你认为性别会影响科研工作吗？

弗朗西斯·阿诺德：

对女性来说，从事科研一直是一个挑战，因为我们还有很多其他兴趣。女性会对人、孩子、家庭、同事、教学以及关心他人感兴趣，但这对我来说是一件好事。

20世纪70年代很少有女性工程师，所以我受到了很多关注。我告诉自己，在站起来谈论一些事情时，要言之有物，我要讲真正能获得关注的事。如果你想做科学，就要让你的研究受到关注，不是吗？我们希望大家阅读我们的论文、听我们的演讲，认同我们的想法。因此，我利用自己作为稀有女性的独特地位，确保当我有机会发言时，能告诉大家一些他们不会忘记的事情。

阿诺德在加州大学伯克利分校化学学院，摄于1984年。图源：诺奖官网

《中国科学报》：你对女性科学家有什么建议？

弗朗西斯·阿诺德：

不要把科学都留给男人，因为科学太有趣了。我已经做科研40年，从未感到厌倦，从未想法枯竭。我还想尝试新的东西，我的工作总在变化。我的建议是——坚持下去，享受其中。

《中国科学报》：获得诺贝尔奖对你的工作和生活有什么影响？

弗朗西斯·阿诺德：

此前，我也获得过一些重要奖项，但世界上还没有一个奖项能达到诺贝尔奖的规模。因此，“影响力”将一个人推向了另一个高度。

酶是最好的化学家。在我获奖后，更多人注意到酶，尝试用酶进行新的化学。一些杰出的年轻化学家决定尝试用酶“烹饪”，他们加入我的实验室，共同进行化学研究。

《中国科学报》：听说你小时候很调皮，可以讲讲你的成长经历吗？

弗朗西斯·阿诺德：

我成长于20世纪70年代，那是一个非常有趣的时代，在世界各地包括美国都是如此。当时年轻人正在抗议越战。年轻人对父母不满、对政府不满。所以我从小就是个抗议者、反叛者，并把这种情绪带到了科学领域。

我从小就不惮于质疑权威。我是家里唯一的女孩，有四个兄弟，所以我不怕男人。我总是当周围人的领导者和组织者。我经常和父亲吵架，但我们的关系非常亲密，他以我为荣。

那段时间也是女性运动的开端，女性感到更有权力去做结婚以外的事情。那时我总是对父亲说，我永远不会结婚，我不会生养孩子，我要去环游世界。虽然后来我结婚了，也有了孩子。

幼时的阿诺德（中）与兄弟们玩“战争游戏”，摄于1961年。图源：诺奖官网

自由和开放是人生的底色

《中国科学报》：你的童年对你的科学生涯有何影响？

弗朗西斯·阿诺德：

那是一段非常有趣的时光，它塑造了我的个性。

最重要的是自由感，我从小就可以自由地读书，和朋友在户外玩耍，我生活在一个安全的社区。因此，我感到自由和自信，可以做自己想做的事情。我喜欢去各种地方尝试新事物，这是我个性的一部分。

《中国科学报》：你认为这种自由，是研究成功的关键吗？

弗朗西斯·阿诺德：

是的，绝对是！自由地去质疑权威，质疑人们所说的正确的东西，因为有时候它们不是正确的。

另外，科学的关键是要努力尽可能多地学习，随后改变领域，跳到新的领域。在新的领域你不是专家，但你有从其他领域获得的经验，你可以应用到新的问题上。

就拿我来说，我有很好的数学背景和工程背景，我跳进了蛋白质领域。生物化学家说：“你对蛋白质一无所知。”我会回怼：“什么？你是谁？你凭什么质疑我？”正因为我的背景不是生物化学，所以我可以用非常不同的方式来思考生物化学领域的问题。有时候如果你知道得太多，你的思维就会受到限制。

《中国科学报》：能否谈谈你现在的日常生活？

弗朗西斯·阿诺德：

我的日常生活很充实，今天与白宫举行了6个不同的zoom会议，我为拜登工作，我是公司董事会的成员。我刚从健身房回来，现在正接受你们的采访，结束后我要去参加一个晚宴。你看，这是漫长的一天，从早上6点开始，一直持续到晚上。但是我非常喜欢这种忙碌的生活，能够做不同的事情令我非常兴奋。

我也经常出差，每两个月去一次华盛顿，去参加会议等活动。在加州理工学院时，我会在实验室工作，或者见我的学生们。

《中国科学报》：你如何走出人生困境？科研是否给予你很多力量？

弗朗西斯·阿诺德：

是的，科研给予了我超多力量。我有很棒的同事！我所在的加州理工学院非常特别，只有900名本科生，比大多数人的中学都小，这意味着我的学生是世界上最好的。我们有1000名研究生，规模其实也很小，它就像一个家庭。我一直知道，加州理工学院是我困难时的支柱。当然，我的家庭是一块磐石，我有三个儿子，他们都是我的支柱。

2018年秋天，阿诺德和她的儿子詹姆斯·贝利（左）、约瑟夫·兰格（右）在加州理工学院。阿诺德的另一个儿子威廉·兰格2016年因事故去世。图源：加州大学伯克利分校化学学院官网

《中国科学报》：你在“定向进化”领域的第一位中国博士生是赵惠民，你之后也接触了许多中国学者和学生。与他们合作的感受如何？

弗朗西斯·阿诺德：

我非常喜欢和中国学者一起工作，这些年来，我有很多来自中国的学生，他们表现非常优秀。有些人回到了中国，有些人留在了美国，有些人自己也有很多研究生，成为了教授。中国学生富有创造力、勤奋、有好胜心，能和他们一起工作太棒了。

《中国科学报》：你如何看待全球日益严重的学术不端现象？

弗朗西斯·阿诺德：

每个人都会犯错，无论是学生还是教授。当出现错误或发表了不真实的东西时，必须承认错误并纠正文献。这种事也曾发生在我身上，在2019年，我不得不撤回一篇论文。我马上就撤回了。我说，是的，我错了。世界说，好吧，那很好。

相反，当你试图隐藏你的错误时，你就会遇到麻烦，你会损害年轻人的职业生涯。比如，我知道有些学生会借鉴我的论文，而错误的论文会浪费他们的时间。所以纠正错误很重要，这样其他人就不会浪费宝贵的时间。

《中国科学报》：你对现在的科学家有什么建议？

弗朗西斯·阿诺德：

科学是我们共同的语言，在中国、俄罗斯、美国、埃及和非洲是一样的。我们共同面临着气候变化、水和粮食安全问题。我希望我们能在科学上使用共同的语言，一起努力来解决这些问题。