生命编码背后的故事（圆一）
卡里科（Kati Kariko）很有点生不逢时。她在1955年出生于匈牙利一个小城镇。父母分别是那里的屠夫和会计，有着稳定而小康的平静生活。卡里科一岁时，匈牙利发生震惊世界的革命事件，在苏联出兵镇压下平息。她两岁时，父亲因为公开批评政府失去职位，只得四处打零工养家糊口。年幼的卡里科不会明白这些变故。她在清贫中长大，但身处逆境的父母整天唱歌说笑话，给了她一个乐观的童年。
贫困也没能限制卡里科的想象力。她从小向往着只在书本里见过的科学家，以优异成绩一路顺风地考上大学和研究生院。那时李森科的影响早已随风而逝，匈牙利大学生物系里讲授的是来自西方的现代遗传学。卡里科对RNA发生强烈的兴趣，以这个通常被忽视的分子作为博士学位课题。她学会在实验材料欠缺的条件下克服困难人工合成RNA，尝试用结构相似的分子替代其中的成分。1982年时，27岁的卡里科赢得博士学位。
那正是生物学激动人心的年代。伯耶和斯旺森的基因泰克公司在美国横空出世，揭开基因工程时代的序幕。他们将外源基因植入细菌的细胞，大批量生产糖尿病人不可或缺的胰岛素。在这个成功背后，生物学家也在积极探究更为直接的途径：为病人提供他们先天缺失的基因，让人体重获生产其所需蛋白质的能力。那就是基因治疗。
博士毕业的卡里科明白利用细菌作为中介的优越之处。细菌属于原核生物，没有细胞核。携带基因的DNA片段进入细菌的细胞后可以立即发挥作用。同样的步骤却难以应用于人类。和其它动物、植物一样，人类是真核生物，其DNA藏匿在细胞核里。根据克里克的中心法则，DNA中的基因信息需要先“转录”给担任信使职责的mRNA，由mRNA带出细胞核再在细胞中tRNA和各种酶的协助下“翻译”成蛋白质。为人体提供缺失的基因不仅需要将有关的DNA片段植入人的细胞，还必须保障它们能进入细胞核，融合成为人体DNA的一部分。与细胞外层的细胞膜一样，细胞核另有一层保护性的核膜。生物学家那时尚未发现作为穿越核膜通行证的核定位信号，核膜是一重难以逾越的障碍。因此，实现基因治疗的难度相当大。
钟爱RNA的卡里科认为在真核细胞中植入DNA，再让它转录mRNA然后翻译成蛋白质纯属多此一举。更直接的方法应该是将所需的mRNA分子送进细胞。它们无须穿越细胞核的核膜壁障，进入细胞即可制造蛋白质，与利用细菌的基因工程无异。
博士毕业后，卡里科在一家研究所开启她的科学家生涯。她还是生不逢时。东欧社会主义阵营的经济在1980年代急速滑坡，她所在的研究所在1985年因为缺乏资金关闭。已经进入而立之年的卡里科意识到她在匈牙利已经无法实现梦想，便申请到美国的一个博士后职位，带着丈夫和两岁的女儿远走他乡。因为匈牙利的外汇管制，他们将变卖小汽车的钱在黑市上换成美元，缝进女儿玩具熊肚子里偷带出国。那宝贵的1200美元是他们一家三口在陌生国度的全部依靠。
他们顺利地在新大陆安家。虽然身为工程师的丈夫只能在公寓里充当维修工，两人微薄的工资也足以维持小家庭的生存。卡里科最为庆幸的是能够继续追求自己的科学家梦想。
年轻的卡里科当然不是最早产生撇开DNA，直接使用mRNA在人体中制造蛋白质想法的人。自从克里克的中心法则在1947年提出和随后的逐步证实，分子生物学家一直在探索这条无须涉及细胞核的捷径。
但相比于DNA、蛋白质和其它有机分子，RNA是一个卓尔不群的异数。伽莫夫专门成立过“RNA领带俱乐部”。沃森与里奇曾在加州理工学院为RNA分子结构费尽心机。他们均徒劳无功。RNA是只有一条单链的分子，没有DNA中以氢键相连双螺旋的稳定性。作为基因信息掮客的mRNA分子尤其短小灵活，只有昙花一现的寿命。它们在细胞中完成组装蛋白质的使命后即刻被分解而消失。如果为人体注射外源的mRNA，如此脆弱的分子在接近细胞膜之前就会被路途上遭遇的核糖核酸酶1尽数切断、分解，不可能达到目的。
不过远在人类出现以前，微不足道的病毒已经在进化中解决这个难题。它们为储存自己生命编码的RNA分子提供一个外壳，保护其不受分解酶的侵扰。病毒的外壳和作为细胞外壳的细胞膜其实很相似，主要成分除蛋白质以外都是脂肪类的脂质（lipid）。当病毒外壳上呈尖刺状的蛋白质以“一把钥匙开一把锁”的耦合方式依附上细胞外壳时，二者的脂质融为一体，让病毒的mRNA分子乘隙而入。
分子生物学家于是如法炮制，将mRNA分子置于薄膜状的“脂质体”（liposome）中混合，让它们形成类似油滴的小颗粒。只是这种颗粒比日常的油滴小得多，即使在显微镜下也不可见。因为尺度只有几个纳米，它们叫做“脂质纳米颗粒”（lipid nanoparticle）。和油滴一样，这些颗粒是空心结构，中间正好可以容纳mRNA分子。除了欠缺作为“钥匙”的尖刺蛋白质，这样的颗粒与自然界的病毒别无二致。在卡里科离开匈牙利的1980年代中期，多项实验已经证实脂质纳米颗粒的确可以像病毒那样将mRNA分子送入细胞，在其中制造自己编码的蛋白质。
然而，来到美国后的卡里科发现热火朝天的基因工程属于DNA和蛋白质。那些mRNA实验只是其中不起眼的小浪花。她自己也很不顺利，不到两年就因为与导师矛盾失去原有的博士后职位，几经辗转才在费城的著名学府宾夕法尼亚大学里找到安身之地。那只是一个临时性的职位。卡里科英语不流利，又不愿意随波逐流，继续钟情于不招人喜欢的RNA。她申请不到科研资助，只能在他人的实验室里充当助手。
尽管如此，卡里科特立独行、口直心快的个性屡屡惹火烧身，经常性地得罪掌握她生杀大权的教授们。在一位经常维护她的教授另谋高就后，卡里科的处境每况愈下。寒酸的工资也一再被蓄意削减。系主任和教授们相信她会知趣地自行离去，却惊愕地看到这位东欧女子天天照常来实验室上班。继承了父母乐观天性的卡里科不在乎她持续的生不逢时，更没有放弃她的科学家梦想。尽管一再碰壁，她总是固执地逢人宣讲mRNA的优势和潜力，几乎让不胜其烦的大教授们怀疑她精神是否正常。那时，整个宾夕法尼亚大学里大概只有她一个人在留意着mRNA的进展。
卡里科来到美国后不久的1987年时，加州大学圣地亚哥分校一位名叫马龙（Robert Malone）的研究生利用脂质纳米颗粒将mRNA分子送进青蛙的胚胎细胞，证明该技术可以适用于活的生物体。但因为与导师关系弄僵，马龙没拿到学位就离开了学校。
两年后，威斯康星大学的沃尔夫（Jon Wolff）教授在马龙的协助下又推进一步，完成从培养皿细胞的“体外”到实际生物“体内”（in vivo）实验的跳跃。那是药物实验必不可少也是最为关键性的一步。不过他们在为老鼠注射携带mRNA的脂质纳米颗粒后没能在老鼠体内观察到相应蛋白质的出现，反倒是作为对照组、没有采用脂质纳米颗粒包装的mRNA分子促使老鼠产生出该蛋白质。这个结果出乎意料，却也说明即使“裸奔”的mRNA分子也能够在动物体内生存并进入细胞运作，完全不像主流分子生物学界想象地那么不堪一击。当然他们实验中大部分mRNA分子还是被分解，只有少数勉强成功。沃尔夫随后致力研究能够更好地保护mRNA的脂质材料以提高实验的效率，但没再能取得新的成果。更让他沮丧的是自己的同事和学界中没有人关心这个课题。他不知道在宾夕法尼亚大学有一位小职员在关注。
虽然兴趣盎然，卡里科也只能袖手旁观。她没有自己做实验的资格和资金，又无法说服身边的教授们。很多年很快这样过去。直到1997年的一天，卡里科在系里的复印机前又一次碰上韦斯曼（Drew Weissman）教授。韦斯曼新来乍到又少言寡语，两人还从未搭过话。卡里科抓住这次机会自我介绍，话锋一转立即建议韦斯曼试一试mRNA。韦斯曼面对这位热情而唐突的女职员不知所措，但也没有像其他教授一样嗤之以鼻。
韦斯曼研究的是艾滋病，与那时众多的医生一样在寻找能制服这个可怕疾病的疫苗。导致艾滋病的HIV病毒也有充当“钥匙”的尖刺蛋白质。韦斯曼的做法是试图将编码该蛋白质的DNA植入人体，让人体产生这样的蛋白质激发自身的免疫系统从而获得针对HIV病毒的免疫能力。这样的疫苗中完全不含灭活的HIV病毒，正属于安全可靠的新型疫苗。其原理也与基因治疗一脉相承，只是人体因之生产的蛋白质不是人体自身所需要，而只是为适应性免疫系统提供一个训练靶子。也与那时所有研究者一样，韦斯曼努力多年几乎毫无进展。当他听到卡里科宣称可以用mRNA代替DNA时觉得也不妨一试。
卡里科果然没有辜负这位难得知音的期望。她很快合成出韦斯曼需要的mRNA分子，让它们在脂质纳米颗粒的护送下进入细胞，制造出艾滋病毒的尖刺蛋白质。接下来，卡里科和韦斯曼展开动物试验，将同样的颗粒作为疫苗注射给老鼠。不料，活蹦乱跳的老鼠一个个发起高烧，有的甚至死亡。
这个结果倒也不是十分意外。老鼠与人类同样拥有一个时刻戒备着的先天免疫系统。它们将突然出现的mRNA分子视作陌生、危险的入侵者，调动起全部力量抵御。使用DNA分子进行基因治疗的科学家早已遭遇过这个障碍。也正是个别医生操之过急的实验导致病人先天免疫系统过激反应而死亡的恶性事故迫使基因治疗在1990年代全面停滞。卡里科没有料到她的mRNA也会重蹈这一覆辙。尽管mRNA不需要进入细胞核即可发挥作用，比DNA占据优势，它们在规避先天免疫系统上却是同样地不尽人意。有如此强烈副作用的mRNA不可能作为人类药物或疫苗使用。这无疑是一个重大挫折。
卡里科没有气馁。不苟言笑的韦斯曼也表现出同样的执着，支持卡里科继续探索。卡里科发挥她早年做博士论文时用形状、性质类似的分子替换RNA分子成分的经验，一点一滴地寻找mRNA分子触发先天免疫系统的具体机关。经过六年多的细致筛查，卡里科终于找出其中肇因。RNA分子是一条由碱基分子与核糖结合形成核苷分子，再与磷酸分子一起连接而成核酸长链。2其中尿嘧啶（U）与核糖结合而成的尿嘧啶核苷（uridine）分子正是让老鼠免疫系统如临大敌的祸根。
尿嘧啶是RNA存储生命编码的四个碱基之一，自然不能被取代。但碱基分子和核糖分子都有着类似的碳环结构。它们之间可以通过环的不同节点连接，构造出有机化学中常见的同分异构体。尿嘧啶核苷也有这样一个同分异构的双胞兄弟，就叫做“假尿嘧啶核苷”（pseudouridine）。“真”“假”之分就在于核糖与尿嘧啶分子的连接位置。
当卡里科将mRNA分子中的尿嘧啶核苷替换成假尿嘧啶核苷后，她惊喜地发现老鼠的免疫系统对这么修改过的mRNA视若不见，没有任何反应。“真”“假”尿嘧啶核苷中都有着同样的尿嘧啶，mRNA中碱基序列没有因为修改而改变，仍然编码着同样的蛋白质。这样，修改后的mRNA可以悄然而入，波澜不惊地在老鼠体内制造同样的蛋白质而不再有可怕的副作用。
这个移花接木的小伎俩凝聚着卡里科和韦斯曼长达六年多的心血，也是一个令他们自己都难以置信的巨大突破。那是2005年，卡里科背井离乡来到美国已经整整20年。她从30岁的青春年华熬到年过半百，还是宾夕法尼亚大学一个没有正式岗位的实验室职员。
两人随即一起发表论文，申请专利，创办公司。那是生物科学界驾轻就熟的程序。无论是为适应性免疫系统提供病毒的突刺蛋白质还是直接制造身体必需的蛋白质，能够避开先天免疫系统的mRNA都会有极大的用武之地。那正是卡里科几十年坚定不移信念的实现。不料，当他们兴致勃勃地与作为专利所有者的宾夕法尼亚大学商谈该专利的使用权时，后者竟狮子大张口，提出两位学者无力承担的价码。韦斯曼和卡里科只得无奈地放弃创业之梦，眼睁睁地看着自己的学校将自己的专利以30万美元代价转让给一家不知名的小公司。两人各自分得不到四万美元。
因为卡里科的杰出贡献，宾夕法尼亚大学也给了她一个“客座教授”头衔。虽然好听，那仍然是没有编制的临时性职位。她的年薪增加到五万美元，也还是一个年轻博士后的工资，不如她丈夫担任公寓维修工的收入。
不过作为学者，最让卡里科和韦斯曼失落的还是他们的论文发表后也石沉大海。mRNA依然是一个乏人问津的学术死角。
五年以后，哈佛医学院的博士后沃伦（Luigi Warren）在近乎绝望之时偶然得知卡里科和韦斯曼论文的存在。他是一位50岁的博士后，生物学已经是他人生的第二职业。十年前，在计算机软件中事业有成的沃伦感受中年危机，毅然放弃已有的一切回学校从本科开始投身生物学。他在哈佛的导师罗西（Derrick Rossi）略为年轻，也有着不同寻常的生活经历。罗西大学毕业后独自奔赴非洲冒险旅游，闯荡多年后才重返校园。两人在斯坦福大学时相识，由于同为罕见的高龄博士后结成好友。当罗西在哈佛医学院得到助理教授职位时，他立刻将沃伦聘为实验室的第一位博士后。
他们研究的是干细胞。那是受精卵分裂后还未及分化成特定种类的“原初”细胞，只存在于非常早期的胚胎中。因为干细胞还可以分化为皮肤、骨骼、神经等各种各类的细胞，它们具有非凡的医学研究价值。只是从人类胚胎中提取干细胞存在宗教和伦理争议，屡屡被美国和其它国家政府明令禁止。2006年，日本京都大学的山中伸弥（Shinya Yamanaka）发现可以通过生物化学手段让已经分化过的普通细胞逆龄生长，回归为可以再度分化成不同种类细胞的“诱导性多能干细胞”（induced pluripotent stem cells）。虽然还是比不上真正的胚胎干细胞，这样的人造干细胞也可以满足大多数医学研究所需。这一石破天惊的成就后来为山中伸弥赢得2012年的诺贝尔生理学或医学奖。
山中伸弥使用的就是分子生物学家早已熟悉的基因重组手法，用带有逆转录酶的病毒携带DNA片段进入细胞，改写其基因。但也正因为这个过程会改变宿主细胞的DNA，它有很大的可能会引发能导致癌症的基因突变。这个缺陷极大地限制所产生的诱导性多能干细胞的医学价值。为了寻找更安全的途径，罗西和沃伦也想到了mRNA。如果能让携带与所用DNA同样编码的mRNA进入细胞，应该也能同样地获取诱导性多能干细胞。而因为mRNA不会进入细胞核，也就不至于造成宿主细胞的基因突变。
这个想法行之有效。沃伦很快在实验中看到自己合成的mRNA在细胞中产生预期效果，同时也制造出细胞中没有的新蛋白质。只是好景不长，细胞很快恢复了原状。他和罗西猜测那是因为细胞中的免疫功能在发现这些入侵的mRNA后将其剿灭，使之不得长久。沃伦继续不分昼夜地在实验室埋头苦干，始终没能找出应对的招式。终于在他濒临崩溃的一天，隔壁实验室的免疫学家指点他找到卡里科和韦斯曼的论文。沃伦随即采用卡里科的方法将他们的mRNA中的尿嘧啶核苷替换成假尿嘧啶核苷，欣喜地看到折磨他良久的难题迎刃而解。
与卡里科和韦斯曼的遭遇相反，沃伦和罗西的论文一经问世即引起轰动。他们的新方法有希望将普通细胞转化为诱导性多能干细胞，同时完全避免基因突变导致癌症的风险。《科学》杂志将其选为2010年的最佳科学突破之一。罗西还名列那年《时代》杂志的年度“重要人物”3。不过这篇论文的发表过程也意想不到地坎坷。在《细胞》不由分说地拒稿后，他们不得不退而求其次地投稿给《细胞》的干细胞子刊。论文在那里还是饱经波折，以至于紧张过度的沃伦彻底崩溃，在盛怒下一举离开了实验室和学术界。
罗西则清醒地认识到这个成果的价值。身在哈佛的他有着卡里科和韦斯曼在费城没有的便利。相距哈佛不远的麻省理工学院中有著名分子生物学家兰格（Robert Langer）。他是早年以脂质体运送DNA、RNA等大型有机分子进入细胞的开拓者之一，也是一位已经创办过十几所生物技术公司的商界老手。兰格协助罗西与当地几位风险投资家合伙创办又一个全新的公司。为弘扬他们的独特技术，罗西别出心裁地将“修改过的RNA”（modified RNA）缩合成一个朗朗上口的公司大名：“莫德纳”（Moderna）。这个名字也饱含着这是一家“现代”（modern）药物公司的隐喻。
诱导性多能干细胞的前景固然诱人，兰格和投资家们还是看准利用“修改过的RNA”实现在人体内产生欠缺蛋白质的基因治疗商机。一旦成功，他们可以彻底战胜糖尿病、囊性纤维化等痼疾，在为人类造福的同时收取巨大经济利益。新生的莫德纳立即全力以赴。他们很快成功完成动物试验，在老鼠和猴子体内看到大量所需蛋白质的出现。然而，他们也随即遭遇又一次的好景不长：这些蛋白质的生产只持续一个星期左右即终止，不足以根绝因为蛋白质缺乏带来的病症。显然，动物的免疫系统远比预料的更为坚韧。真假尿嘧啶核苷的移花接木只是延迟了它们的反应时间。
这一次，莫德纳的科学家们绞尽脑汁也找不出对策。情急之下，他们邀请在台湾出生长大的黄翊群（Eric Huang）来帮忙。黄翊群的本行是寄生虫学，与mRNA不相干。他自然也没能找出任何办法。不过他曾经接触过疫苗研究，也擅长在思考问题时跳出已有的框架。在体内只出现一个星期的蛋白质无法治愈缺乏该蛋白质的病症。但如果出现的是某种病毒的尖刺蛋白质，那一个星期的时间对人体适应性免疫系统察觉、认识这一“入侵”物并产生相应抗体却是绰绰有余。也就是说，莫德纳这个“修改过的RNA”技术也许不适合基因治疗，却恰恰可以用来制作理想的新型mRNA疫苗。
一语惊醒梦中人。成立还不足三年的莫德纳随即战略大转向，摇身一变为“现代”疫苗公司。
那是2013年，萨斯疫情的十年之后。冠状病毒并没有消失，一年前刚刚作为“中东呼吸综合症”（Middle East respiratory syndrome, 简称“MERS”）在沙特阿拉伯一带再现。同时，韦斯曼等无数科学家殚精竭虑的艾滋病疫苗仍然遥遥无期，绝大多数让人类历尽磨难的传染病也还没有可应对的疫苗。那无疑也是一个不可估量的商机。
作为初生的牛犊，莫德纳没有考量研制疫苗的艰辛和风险。
（待续）
发现DNA双螺旋之后，核糖核酸酶一度是克里克在布鲁克林理工学院的博士后研究课题。
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