数字生命的曙光

数字生命的曙光

我们原以为，DNA过于简单，不可能携带遗传信息，只有蛋白质才能在细胞分裂时将足够多的信息从一个细胞传递给另一个细胞。但实际上，正是DNA这个生命的软件，管理着我们的细胞。限制性内切酶的发现和基因拼接技术的出现，为分子生物学的蓬勃发展奠定了坚实基础。

LIFE AT
 THE SPEED
 OF LIGHT

如果我们是正确的（当然，这一点还未得到证实），那么就意味着核酸不仅仅在结构上是极其重要的，而且在功能上也是至关重要的：核酸是一种决定细胞生化活动和特定特征的活性物质，而且它很有可能通过某种已知的化学物质，诱导细胞发生可预见的和可遗传的变化。长期以来，这样的结论一直是遗传学家的梦想。

——奥斯瓦尔德·艾弗里

就在薛定谔在都柏林发表里程碑式演讲的同一年，他的“密码本”和所有遗传物质的化学性质都最终被揭示了出来，从而为这个自人类意识出现以来就一直让我们的先辈着迷、狂热、困惑和混乱的主题提供了新的洞见。一个伟大的战士拥有很多孩子，但没有一个孩子是为了战争而生或天生就热爱战争的。一些家庭深受某种特殊疾病的影响，然而这种疾病会以一种非常偶然的方式遗传给后代，它可能会影响某一个子孙，而不会影响另一个子孙。为什么父母的某些身体特征，甚至血缘关系更加遥远的某些亲戚的身体特征会出现在某些个体身上？或者，更令人困惑的是，这些身体特征没有出现在所有个体身上呢？数千年来，一代一代的人一直都在不断地重复提出这个问题。事实上，这个问题不仅关乎人类自己这个物种，而且也同样适用于牛、羊、狗等动物，甚至适用于农作物和一般的植物。

自从几千年前出现了农业以及被驯化的动物之后，围绕着这个“神秘事件”，人们已经提出过许多极具想象力的想法。当亚里士多德提到，小鸡“隐含”在母鸡的蛋里、橡子的掉落是受橡树的“安排”这样一些“概念”时，他其实已经对基本原则有了一些模模糊糊的理解。18世纪，伴随着分类学的发展以及有关植物和动物多样性知识的增多，一些有关遗传学的新观点开始出现了。

查尔斯·达尔文的祖父伊拉斯谟斯·达尔文（Erasmus Darwin，1731—1802）是18世纪英国一位知识渊博得令人生畏的学者，他在《动物生物学或生命法则》（Zoonomia；or the Laws of Organic Life）一书的第一卷中阐述的理论是最早的正式的演化理论之一。他在书中断言：“所有活的动物都起源于一个活的‘丝状体’（filament）。”另一方面，正如我们所理解的那样，传统的遗传学在19世纪五六十年代已经有了它自己的起源，当时，格里格·孟德尔（Gregor Mendel，1822—1884）试图描述清楚支配植物配种的遗传法则。不过，一直到最近这70年里，关于伊拉斯谟斯·达尔文所说的“丝状体”，科学家们才取得了最重要、最惊人的进展：这种“丝状体”实际上是在分子机器人的帮助下为地球上的每个生命体编制程序的。

遗传物质：蛋白质，还是DNA？

直到20世纪中叶，大多数科学家还认为只有蛋白质才携带遗传信息。至于DNA，由于考虑到生命是如此复杂，当时的人认为这种仅由四种化学物质组成的高分子聚合物从构成成分上看实在是过于简单了，因此肯定无法把足够的信息传递给下一代。这就是他们断定DNA只是蛋白质遗传物质的一种支持结构的原因。蛋白质由20种不同的氨基酸组成，而且它的结构非常复杂。蛋白质拥有四重结构，即最基本的结构、二级结构、三级结构和四级结构，而DNA只是一条“聚合物丝线”。看起来，似乎只有足够复杂的蛋白质才可能拥有薛定谔所说的“非周期性晶体”的功能，或者说，只有蛋白质才有能力在细胞分裂时将足够多的信息从一个细胞传递给另一个细胞。

然而到了1944年，当一个完美的、简单的实验的具体细节被公布之后，上面这种看法开始发生改变。纽约洛克菲勒大学的奥斯瓦尔德·艾弗里（Oswald Avery，1877—1955）发现，真正携带遗传信息的物质是DNA，而不是蛋白质。在实验中，艾弗里分离出了一种物质，这种物质能够通过一种被称为“转化”的过程把某些性质从一个菌株转移到另一个菌株。这样，他发现，高分子聚合物DNA才是真正能够赋予细胞新性质的物质。他把这种物质称为“转化因子”（transforming factor）。

当时，艾弗里已经65岁了，并且马上就要退休了，在此之前，他与他的同事科林·芒罗·麦克劳德（Colin Munro MacLeod）和麦卡蒂·麦克卡提（Maclyn McCarty）一直在跟踪一个令人困惑的现象，这个现象是由伦敦的细菌学家弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith，1879—1941）早在20年前就已经观察到的。那时格里菲斯正在研究一种叫作肺炎链球菌的肺炎球菌细菌，这种细菌能引起流行性肺炎。不过，它表现为两种不同的形式：一种为R型，在显微镜下看起来比较“粗糙”，不会传染；另一种为S型，看起来比较“光滑”，能够引发疾病，导致死亡。然而，不管是S型还是R型，都能在肺炎病人身上找到。

格里菲斯希望搞清楚的是，肺炎链球菌的这两种表现形式，即致命的细菌和良性的细菌是否可以相互转化。为了回答这个问题，他设计了一个巧妙的实验：它同时给老鼠注射了没有传染性的R型病菌细胞和已被他高温杀死的S型病菌细胞。人们可能预计这只老鼠会活下来，因为能导致这只啮齿动物致命的S型病菌已经被杀死了。然而出人意料的是，这只同时被注射了活的R型肺炎病菌和死的S型肺炎病菌的老鼠却死了。从这只死老鼠身上，格里菲斯既找到了活的S型肺炎病菌，也找到了活的R型肺炎病菌。他据此推断，在这些被高温杀死的S型肺炎病菌细胞“身”上存在着某种物质，它能够让R型肺炎病菌细胞转化为S型肺炎病菌细胞。因为这种改变被后代的细菌所“继承”了，所以据此可以假设这种因子就是遗传物质。格里菲斯把这个过程称为“转化”，虽然那个时候他对真正的“转化因子”还一无所知。

这个答案在近20年之后终于姗姗而来。艾弗里和他的同事重做了格里菲斯的实验，并通过一个精巧的“消除”过程证明了这个因子就是DNA。他们的做法是：利用不同的酶去“消化”掉细胞中的每一个组成成分，以此逐步去除蛋白质、RNA和DNA。在这个实验中，他们分别使用了蛋白酶、核糖核酸酶以及脱氧核糖核酸酶。他们随后发表的论文并没有引起很大的反响，因为科学界始终坚信，要对遗传现象进行解释，蛋白质的复杂性是必要的条件。瑞典皇家科学院前秘书长埃尔林·诺尔比（Erling Norrby）在《诺贝尔奖和生命科学》（Nobel Prizes and Life Sciences）一书中探讨了科学界之所以会出现不愿意接受艾弗里的发现这种情况的背后原因。他说，虽然艾弗里研究团队的工作是令人信服的，但是持怀疑态度的人还是认为：这里仍然存在着一个可能性，即微量的其他物质，或许某种“耐受”蛋白酶的蛋白质，承担起了“转化”的责任。

幸运的是，接下来科学界在了解蛋白质方面继续取得巨大进展，尤其是在1949年，英国人弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）决定对荷尔蒙胰岛素中的氨基酸进行排序，这是一个了不起的壮举，桑格本人因为这方面的贡献而获得了诺贝尔奖。桑格的研究表明，蛋白质并不是某些密切相关的物质的组合，它并没有独一无二的结构，它只不过是一种单一的化学物质。桑格向来是我十分敬重的一位科学家，毫无疑问，他堪称有史以来最卓越的科学创新者之一，这要归功于他把重点放在了发展新技术这个方面。“参与科学研究有三大主要活动——想、说和做，我最喜欢的是最后一项，这或许也是我最擅长的。当然我也善于思考，但是不太擅长于说。”桑格的科研方法也让他获得了巨大的回报。

当科学家们陆续完成了其他一些成功的转化实验后——比如，证明烟草花叶病毒中的RNA本身就具有传染性，“核酸是遗传的关键因素”这个观点在20世纪40年代末和20世纪50年代早期逐渐开始被接受了。不过，承认DNA即为遗传物质这个过程还是比较缓慢的。艾弗里、麦克劳德和麦克卡提他们所做的那些实验的真正意义，一直要等到接下来的十年中的大量其他研究积累了大量证据之后才变得清晰起来。其中一个关键性的支持证据出现在1952年。阿尔弗雷德·赫尔希（Alfred Hershey）和玛莎·考尔斯·蔡斯（Martha Cowles Chase）证明了DNA就是一种被叫作T2噬菌体的病毒的遗传物质，它能够传染细菌。最后，到了1953年，当DNA的结构被沃森和克里克破解之后，“DNA是遗传物质”这一观念终于得到了极大的弘扬。那时，他们两人一起在英国的剑桥大学工作。先前的研究已经证实，DNA是由一种被称为核苷酸的“基本构件”所组成的，而核苷酸又是由脱氧核糖、磷酸基和四种含氮碱基——腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）所构成的。DNA就是磷酸盐和毗邻核苷酸的糖类链接而形成的一个长长的高分子聚合物。沃森和克里克的核心贡献是，明确地揭示了这些物质是如何组合成一个优雅的三维立体结构的。

为了实现这个突破，沃森和克里克利用了来自其他科学家的一系列关键成果和数据。首先，从生物化学家埃尔文·查戈夫（Erwin Chargaff）那里，他们得知DNA里的四种不同的基本化学成分是成对出现的，在沿着DNA这个“生命之梯”、透彻理解它的各个“梯级”的过程中，这成为一个至关重要的洞见。在我的非营利性机构J.克雷格·文特尔研究所中，收藏了许多科学史资料，而这个时期的克里克的实验室记录就是其中一部分，它们反映了他在重做查戈夫的实验时经历过的许多不成功的尝试。其次，他们从莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）和罗莎琳德·富兰克林那里，获得了破解DNA结构的关键线索。威尔金斯开创性地利用X射线来研究DNA，他的初步成果就已经让沃森激动不已了。而且，把富兰克林最好的用X射线拍摄的DNA照片拿给沃森看的也是威尔金斯本人。这张照片被编为51号（它也是J.克雷格·文特尔研究所所收集的科学史资料的一件），由雷蒙德·高斯林在1952年5月拍摄，它展现了一个反射黑色十字架，事实证明，这张照片是打开DNA分子结构奥秘的钥匙。它表明，DNA是一个双螺旋结构，在这个结构里，DNA密码的字母对应着它的那个“梯级”结构。

1953年4月25日，沃森和克里克撰写的题为《核酸的分子结构：脱氧核榶核酸的结构》一文在《自然》杂志上发表了。螺旋形的DNA结构让人们恍然大悟。“它远比我们所预期的更为完美。”沃森解释道。因为出现在DNA中的这些字母的互补性立即被揭示出来了（其中A总是与T配对，C总是与G配对，它们是核苷酸的组成成分），细胞分裂时基因是如何进行复制的奥秘也解开了。虽然这就是我们长期以来一直在寻找的遗传机制，然而当时人们对沃森和克里克的论文的反应却不太热烈。不过，随着时间的推移，大家最终还是承认了这个发现的伟大意义。九年之后，沃森、克里克和威尔金斯共同分享了1962年的诺贝尔生理学或医学奖，“因为他们发现了核酸的分子结构以及它在生命体进行信息传递的重要性”。

不过，诺贝尔奖并没有颁给另外两个提供了关键数据的科学家：埃尔文·查戈夫徒留余恨，罗莎琳德·富兰克林不幸于1958年因罹患卵巢癌而英年早逝（年仅37岁）。虽然艾弗里多次被提名诺贝尔奖，但是他于1955年在他的非凡成就被广泛接受之前就逝世了，尽管他所做出的贡献足以让他获得这一殊荣。对此，埃尔林·诺尔比深感不平，他引用卡罗林斯卡学院诺贝尔委员会秘书约兰·利杰斯特兰德（Goran Liljestrand）对1970年诺贝尔生理学或医学奖的总结：“艾弗里在1944年就发现DNA是遗传的载体，这是遗传学发展史上最重要的成就之一，他没能获得诺贝尔奖实在令人痛惜。等到不一致的声音保持沉默时，他已经永远离开人世了。”

艾弗里的故事说明，理性的、基于证据的科学观点即使能够在实验室研究的层面上取得胜利，但对一些特定的理论或假设的顽固信念却可以麻痹一般科学家数年甚至几十年之久。艾弗里、麦克劳德和麦克卡提设计的实验是如此简单、如此优雅，而且很容易就能够被复制。因此令我费解的是为什么以前就没有人这么去做呢？！科学不同于其他智识领域的一个很重要的原因是，当积累的新数据足以证明旧观点是错误的时候，这些陈旧的观点就会消失；但是不幸的是，这个过程需要漫长的时间。

细胞生命实际上是依赖于两类不同的核酸的：脱氧核糖核酸（即DNA）和核糖核酸（即RNA）。现代的理论认为，生命始于一个RNA世界，因为它的功能比DNA更加多种多样。RNA拥有双重角色，它既是遗传信息的载体，同时也是一种酶（核榶酶），它能够对化学反应起催化作用。与DNA一样，RNA也是由化学“字母”组成的线性“字母串”。这些字母分别是DNA中的A、C、G和T和RNA中的A、C、G和U, C总是与G“绑定”在一起；A则总是与T或U“绑定”在一起。就像在DNA中一样，一条单链RNA能够绑定在另一条由互补的字母所组成的单链RNA上。沃森和克里克提出，RNA是染色体中DNA信息的副本，它把信息传递给核糖体，蛋白质便是在核糖体里制造出来的。DNA的软件被“转录”或者被拷贝，由此形成了信使RNA。在细胞质内，信使RNA的密码被“翻译”成了蛋白质。

直到20世纪60年代，DNA才最终作为遗传物质而被广泛接受，那已经是美国国家卫生研究院的马歇尔·沃伦·尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg，1927—2010）和出生于印度的麦迪逊威斯康星大学的哈尔·葛宾·霍拉纳（Har Gobind Khorana，1922—2011）利用合成核酸破译了遗传密码之后的事情了。他们发现，DNA使用它的四种不同的碱基组成一系列三联体密码——被称为密码子（codon）——给20种不同的氨基酸指定遗传密码，这些遗传密码则被细胞用来制造蛋白质。因此三联体密码有64种可能的密码子，它们有些充当了标点符号的作用，标志着一个蛋白质序列的终止（终止密码子）。康奈尔大学的罗伯特·W.霍利（Robert W.Holley，1922—1993）阐明了一种叫作转录RNA的结构，它把一些特定的氨基酸传递给一种叫作核糖体的相当壮观的分子机器组装成蛋白质。因为这些极其富有启迪意义的研究成果，尼伦伯格、霍拉纳和霍利分享了1968年的诺贝尔奖。

我有幸在不同的时期分别遇见过这三个人，而且我与尼伦伯格的交情特别好，因为当时我也正在美国国家卫生研究院工作。尼伦伯格的实验室和办公室正好比我的办公室和实验室低一层，位于这个庞大建筑物的第36层，我在刚开始研究基因和对DNA进行测序的那个时期经常去拜访他。尼伦伯格是一个非常亲切友好的人，对科学的各个领域都深感兴趣，且总是对新的技术激动不已，直到他逝世一直如此。尼伦伯格与霍拉纳所发现的遗传密码被认为是所有生物科学中最重要的发现之一，因为这个发现解释了线状DNA高分子聚合物是如何为线状多肽序列的蛋白质指定密码的。这是分子生物学“中心法则”中的核心原则：遗传信息是从核酸传递到蛋白质的。

分子生物学的兴起

20世纪60年代是分子生物学革命开始的时期，这部分要归功于“使用限制性内切酶拼接DNA”这种技术的出现及其能力的迅速提高。限制性内切酶是分别由日内瓦的维尔纳·阿尔伯（Werner Arber）和在巴尔的摩的汉密尔顿·O.史密斯（Hamilton O.Smith）独立发现的。史密斯是我的一个挚友和长期合作者，他在1970年发表了两篇描述从流感嗜血杆菌中隔离出限制性内切酶的非常重要的论文。细菌在保护自己免受外来DNA干扰时所使用的一个关键性生物化学机制就是酶，它能够迅速切断进入细胞的其他物种的DNA，它总是能够十分准确地切断某种特定的编码序列的链条，而不涉及其他的编码序列的链条。丹尼尔·纳森（Daniel Nathans）曾与史密斯在巴尔的摩共事，纳森开创性地应用限制性内切酶进行遗传指纹分析和基因图的绘制工作。内切酶使科学家们能够操纵DNA，就像一个人使用文字处理软件剪切和粘贴文本一样。能够在已知的点上准确地切割遗传物质这种能力是所有基因工程和DNA指纹分析的基础。DNA指纹分析已经彻底改变了法医学和从犯罪分子在犯罪现场留下的DNA来鉴别犯罪分子身份的方法，现在我们已经可以通过指纹、头发、皮肤、精液、唾液等来鉴定犯罪分子的身份了。史密斯、纳森和阿尔伯因为他们的发现分享了1978年的诺贝尔奖。如果没有他们，今天分子工程领域可能就不会存在了。

到了20世纪70年代，拼接基因的革命开始了。这场革命所带来的成果有可能如同新石器时代的农业诞生一样。一个有机体的DNA被人为地引入另一个有机体的基因组中，然后被另一个有机体复制和使用，这就是人们所熟知的DNA重组。这个技术的发现主要归功于保罗·伯格（Paul Berg）、赫伯特·伯耶（Herbert Boyer）和斯坦利·诺曼·科恩（Stanley Norman Cohen）等人的工作。在斯坦福大学工作的时候，伯格开始试图搞清楚是否可以将外源基因植入到病毒中，从而创造一个能够把基因传递给新细胞的“带菌生物”。1971年，伯格完成了一个具有里程碑意义的实验，它的内容包括拼接一段噬菌体DNA，然后把它植入猿猴病毒SV40的DNA中。

伯格因为他的工作获得了1980年诺贝尔化学奖，但是在把重组基因技术引进动物，伯格没有深入进行研究。第一只转基因哺乳动物是由鲁道夫·耶尼施（Rudolf Jaenisch）和比阿特丽斯·明茨（Beatrice Mintz）在1974年“创造”出来的，他们把外源基因植入了小鼠胚胎中。由于这种实验包含着某些潜在的危险，而且这种危险越来越引起了公众的担忧，因此伯格积极地参与到了关于这类研究应该被限制和约束在何种程度上的研究。1974年，一群美国科学家建议，应该暂停小鼠胚胎研究。第二年，在加利福尼亚的太平洋丛林市的阿西洛玛会议中心，伯格组织了一个非常有影响力的会议，会议提出了关于这类研究的自愿性指导规则。一些人担心的是，重组有机体可能会带来意想不到的后果，比如说它们可能会导致研究人员染病甚至死亡，而且它们可能会从实验室里“溢出”，从而传播开来。担忧基因工程者与支持基因工程者势均力敌，在支持者中特别突出的包括了像乔舒亚·莱德伯格（Joshua Lederberg）这样卓越的学者。莱德伯格是斯坦福大学教授、诺贝尔奖得主。1976年，美国国家卫生研究院发布了它自己制定的关于进行重组DNA研究的安全指南，在现在仍然持续进行的有关转基因农作物的争论以及最近所讨论的有关流感基因研究的使用和滥用方面，我们依然能感觉到这个指南的影响。

在伯格于1971年进行基因拼接实验后，接下来的在分子克隆方面一个巨大进展是，把一种细菌的DNA植入到另一种细菌中，从而在每一次细菌分裂时它都能够进行复制。这一步是由加州大学的伯耶与斯坦福大学的科恩在1972年共同迈出的。他们的研究——葡萄球菌中的DNA能够在大肠杆菌中繁殖——确凿无疑地揭示了遗传物质能够在两个不同的物种之间进行传播，因此证明了人们长期以来所持有的信念是错误的。科学家们把取自南非的非洲爪蟾蜍（这是一种深受实验室青睐的实验动物）中的基因植入了大肠杆菌中，这标志着异种克隆又一个重大突破。尽管公众对这种技术进展感到不安，但是世界各地迅速出现了许多致力于开发重组基因技术的公司。

基因泰克公司（Genentech）站在了生物技术革命的前沿，它是由伯耶和风险投资家罗伯特·A.斯旺森（Robert A.Swanson）于1976年中共同创办的。第二年，在基因泰克公司正式搬入它自己的基地之前，伯耶和加州杜瓦迪城市希望医疗中心的板仓敬子（Keiichi Itakura）与阿瑟·里格斯（Arthur Riggs）一起合作，利用重组DNA技术在大肠杆菌里制造出了一个叫作生长激素抑制素（它在激素增长的调节中扮演了重要角色）的人造蛋白质。在取得这个里程碑式的进展后，他们又转而去研究更为复杂的胰岛素分子，因为在用重组胰岛素蛋白取代猪胰岛素用于糖尿病治疗方面，存在着一个巨大的潜在市场。礼来公司（Eli Lilly and Company）和基因泰克公司签订了合作协议，共同开发这个产品。1982年，第一个生物科技产品重组胰岛素蛋白优泌林（Humulin）面市了。而到了那个时候，基因泰克公司已经需要面对众多的竞争对手了，其中包括许多大型制药公司所支持的小型初创公司。

从早期的发现开始，分子生物学到如今终于形成了一个独立的领域。确实，分子生物学已经获得了爆发式的增长，现在全世界几乎每个大学都在从事这方面的研究，在它的基础上，已经形成了一个价值数十亿美元的产业，涉及生物制品制造、各种检验和测试用试剂以及科学仪器的生产和销售，等等。到现在，几乎每一个物种的基因都已经被用于或者正在被用于克隆和其他研究了——其实，这已经是日常研究中司空见惯的事情了。数之不尽的研究机构和生物技术公司正在设计各种代谢途径以诱发细胞生成各种生物产品，涉及的范围极其广泛，从药物到食品、从化工原料到能量分子，无所不包。

蛋白质：生命的硬件

如上所述，我们在理解DNA这个“生命的软件”方面已经取得了巨大进展，与这种进展齐头并进的是我们在描述蛋白质这个“生命的硬件”方面所取得的伟大成就。蛋白质是细胞的基本构件，或者说，是所有已知的生物体——从单个细菌到组成人体的100万亿个细胞——的基本结构单元。正如上面已经提到过的，细胞世界的奥秘最初是由罗伯特·胡克揭开的，有人把他称为英国的达·芬奇。胡克是英国科学发展史上的一个重要人物，他也是最早证明运用适当的工具和恰当的实验方法确实能够有效地促进科学进步的人。在胡克杰出的著作《显微图谱》（Micrographia）中，胡克描绘了细胞的形状——他通过显微镜观察到了软木切片的蜂窝状结构。“cell”（细胞）这个术语源自于拉丁语“cellula”，它的意思是一个小房间。自那之后，人们逐渐达成了共识：地球上的每一个活的生物体都有一个被一层薄膜所包裹着的基本细胞结构，每一个细胞都构成了一个独立的内部空间，它的内部拥有遗传物质以及进行复制的细胞机制。

在20世纪的前20年里，人们在微生物学领域确定“生命的硬件”分子基础的努力一直被一种叫作“胶体学说”（colloidal theory）的理论所左右。在那个时候，对于大分子是否存在，人们还没有确凿证据，“生物胶体论”者认为，抗体和酶等物质实际上都是由胶体以及各种不同的小分子组成的混合物构成的。因此，他们的研究重点并没有放在通过强共价键结合起来的巨大的有机分子上，而是放在了通过相对弱键结合起来的聚合的小分子上。然而，到了20世纪20年代早期，这种观点终于被德国有机化学家赫尔曼·施陶丁格（Hermann Staudinger，1881—1965）动摇了，施陶丁格的研究表明，大分子，比如淀粉、纤维素和蛋白质，实际上都是一种长链，它们是由一些更短的、被共价键所结合起来的重复分子单元所组成的。然而，施陶丁格所提出的这种大分子（Makromoleküle）概念在刚刚问世的时候遭到了几乎所有人的反对，甚至连施陶丁格在苏黎世瑞士联邦理工学院的同事也拒绝接受他的大分子概念（在1926年移居弗赖堡之前，施陶丁格一直是瑞士联邦理工学院的一名教授）。后来，直到1953年（也即双螺旋结构被发现的那一年），施陶丁格才最终因为他所做出的重要贡献而被授予了诺贝尔奖。

近年来，我们已经注意到，作为生命基本单元的细胞，看起来非常像是一个工厂：由蛋白质机器所运行的一系列环环相扣的“装配线”承载着一些特定的任务，而且这些任务已经演化了几千年、几万年，甚至几十亿年了。这个模型标志着一种曾经流行于17世纪的观点的复兴。这种观点尤其得益于马尔切洛·马尔皮基（Marcello Malpighi，1628—1694）的努力，他是一名意大利医生，用显微镜进行了一些开创性的研究。马尔皮基曾经提出，一些非常微小的“有机机器”控制着身体的机能。

到了今天，我们已经知道，世界上存在着许多种各具特征的蛋白质，比如催化剂，它们能够加速许许多多的化学反应；而纤维蛋白，比如胶原蛋白，则是一种重要的结构性元素，在脊椎动物（包括哺乳动物在内的所有脊柱的动物）中，它占到了所有蛋白质的1/4；弹性蛋白，它类似于橡胶，是肺和动脉壁组织的基础；细胞膜中所含有的蛋白质帮助分子出入细胞内部，它还涉及细胞之间的通信传递；球状蛋白质具有绑定、转化和释放化学物质的功能，等等。

DNA序列直接对每个蛋白质的结构进行编码，而蛋白质的结构则决定它的“行为”。遗传密码决定了氨基酸的线状序列，这又反过来确定了最终蛋白质的复杂三维结构。被合成出来后，这个线状多肽序列折叠成具有适当特征的形状：一部分形成片状，而其他的则堆积起来，形成环状，变得卷曲，最后扭成螺旋状（螺旋线形）以及决定“生命机器”运行所需的其他复杂的结构。一部分蛋白质机器是弯曲的，而另一些则是僵硬的。一些蛋白质充当了组件的功能，它们是更大的三维蛋白质机器的零部件。

作为一台非凡的、充满活力的分子机器的实例，让我们看看三磷腺苷合成酶（ATP合成酶）吧。这种酶大约只有针尖的二十万分之一，它由31个蛋白质组成，每秒钟大概要旋转60次，它能够制造出一种叫作三磷腺苷（ATP）的分子，这种分子是细胞的能量“货币”。因此，如果没有了这种机器，那么你将无法行动、思考或者呼吸。我们可以把其他一些蛋白质比喻成发动机，比如动力蛋白，它能使精子蜿蜒蠕动；肌球蛋白，它能使肌肉运动起来；驱动蛋白，它有“一双脚”，会“走动”（当ATP给“码头”提供“燃料”时，驱动蛋白的一只脚先向外移动出去，在“决定”下一步之前，它会晃来晃去）；还有“尾巴”，它在细胞内搬运“货物”。在这类“运输机器”当中，有一些是专门为运载某种特定的“货物”而量身定制的，其中一种货物就是血红蛋白，它由四条蛋白链、两条阿尔法链和两条贝塔链所组成，每条链上都有一个包含一个铁原子的环状血红素，负责将氧气运送到全身。铁原子通常会紧紧地粘住氧气，但是这台机器已经演化得很“成功”了，它能够确保氧分子可逆地绑定在每个血红蛋白分子中的四分子亚铁血红素中。

在所有机器中，驱动地球表面以及大洋中所有生物的“经济生活系统”的那台机器应该是最重要的机器之一了吧，它的秘密武器就是捕光色素（或称光吸收色素）。虽然不同种类的植物、藻类和细菌演化出了各自不同的机制来捕获光能，但是它们都同样拥有一种被称为“光合作用反应中心”的分子特性。在这个“中心”中，人们发现其中一种蛋白质的名字是天线蛋白，它由许多捕光叶绿素组成。这种蛋白能够捕获阳光中一种叫作光子的光微粒，然后把它们的能量通过一系列的分子传递给反应中心，在那里光子被用来高效地把二氧化碳转化为糖类。光合作用过程发生在充满色素分子的空间内，在那里量子力学效应发挥了作用。量子力学是一个最让普通人头昏眼花的物理学分支，它是由薛定谔和许多其他物理学家建立起来的，用来处理微观范围内的现象。事实上，捕光色素只是生物体所使用的许多种量子机器之一。生物体在运用视觉、传输电子和质子、进行嗅觉感应以及磁感应时，都需要用到量子机器。这个非同寻常的发现是薛定谔洞见的又一个有力证明，薛定谔曾经考虑过这种可能性，即量子波动在生物学中具有一定的作用。

每个分子机器都已经演化为专门执行某个非常特定的任务，从记录视觉图像到伸缩肌肉，它们都会自动地去执行这个任务。这就是为什么人们把它们认为是小机器人的原因了。正如查尔斯·坦福德（Charles Tanford）和杰奎琳·雷诺兹（Jacqueline Reynolds）在《大自然的机器人》（Nature’s Robots）一书中所说的那样：“它没有意识；它不受大脑或某个更高级的中心所控制。蛋白质所做的每一件事都是内置于它的线性密码中的，即都源于DNA密码。”

在分子生物学中，除了遗传密码之外，最重要的突破就是确定了主机器人——核糖体的具体结构和功能。作为主机器人，核糖体承担了合成蛋白质的工作，从而也指导着所有其他细胞机器人的组装。分子生物学家在数十年前就已经知道核糖体是设计制造蛋白质的核心。为了履行它的“职责”，核糖体需要两种东西：一个是信使RNA分子，它能从细胞中DNA遗传信息的仓库中复制出制造蛋白质的指令；另一个是转运RNA，它能够把用于制造蛋白质的氨基酸转运回来。核糖体能够读取信使RNA序列，一次一个密码子，然后把它与每一条转运RNA链上的反密码子相配对，让氨基酸按正确的顺序排好队。核糖体同时也充当了催化剂——酶性核酸的角色，利用共价化学键熔合氨基酸并添加到不断增长的蛋白质上。当RNA序列发出一个“停止”编码时，合成便终止了。然后，氨基酸聚合物还必须折叠成它自己，使自己成为一个具有生物活性的蛋白质所需要的三维结构形式。

细菌细胞所含有的核糖体复合物可以高达数千个之多，它能够连续进行蛋白质合成，这样既能取代退化的蛋白质，又能在细胞分裂时为子代细胞制造出新的蛋白质。你可以在电子显微镜下研究核糖体，这样可以观察到，当它工作时蛋白质会弯曲、会变形。在蛋白质合成过程中，一个关键的地方在于它内部深处的某个地方进行的棘轮式旋转。总的来说，蛋白质合成的速度是非常快的：形成一条大约100个氨基酸的长链只需要几秒钟。

与研究双螺旋结构时一样，要想揭开核糖体具体结构的奥秘，就需要运用X射线晶体学理论。然而，首先，必须让核糖体结晶——就像盐一样，使其结晶的方法就是把水分蒸发掉——然后只留下已经聚合成有规则模式的、由数以百万计的核糖体组成的、具有良好结构的晶体，这样就能够利用X射线进行研究了。然后，到了20世纪80年代，以色列的阿达·E.尤纳斯（Ada E.Yonath）与德国的海因茨—甘特·维特曼（Heinz-Günter Wittmann）合作，从细菌核糖体中培育出了晶体（他们所用的细菌是从温泉和死海中隔离出来的微生物），这是一个具有关键意义的进展。2005年，细菌核糖体的秘密已经被完全揭示出来了。到了2011年12月，高分辨率的真核生物核糖体的结构——酵母的核糖体结构——也被一个法国的研究团队公布于世了。

细菌核糖体有两个主要成分，它们分别被称为30S亚基和50S亚基，在核糖体“履行职责”的过程中，它们会相互分离，也会结合在一起。30S亚基相对较小，作为核糖体的一部分，它能读取基因密码；相对较大一些的50S亚基能够被用于制成蛋白质。尤纳斯对30S亚基进行了详尽细致的研究，英国剑桥医学研究委员会的分子生物学实验室的文卡特拉曼·拉马克里希南（Venkatraman Ramakrishnan）也独立地对它进行了研究。他们发现，30S亚基的一部分，比如说某个“受体部位”，能够识别和监控信使RNA和转运RNA之间的匹配准确性。在对核糖体的分子结构进行进一步研究之后，具体情况已经相当清晰了。研究结果表明，核糖体能够强制使RNA代码最前面的两个字母进行配对：在匹配良好的RNA双螺旋结构中，分子会“摸索”着寻找一个槽位，以确保代码能够被“高保真”地读取出来。不过，某种“摆动”动作会使检查“字母组”中的第三个字母的机制不那么严格（每个“字母组”对应一个蛋白质构件，由三个字母组成）。这个理论与实际观察到的情况是一致的，即一个转运RNA能够与更多的信使RNA上的三字母代码相匹配。比如，氨基酸L-苯丙氨酸的三字母代码为“UUU”和“UUC”。

与上述研究成果互补的是，加州大学圣克鲁斯分校的哈里·F.诺勒（Harry F.Noller）在1999年公布了第一幅有关一个完整的核糖体的详细图谱（他是因痴迷于分子运动的方式而开始他的研究工作的）；后来，到了2001年，这个图谱已经非常细致具体了。诺勒的研究结果揭示了，在核糖体“履行自己的职责”时，分子桥梁是如何架起来的，又是如何倒塌的。核糖体机器包含了由RNA组成的“压缩弹簧”和“扭曲弹簧”，它们使得亚基在相对对方移动和旋转时能够连接在一起。小亚基沿着信使RNA移动，同时也绑定在转运RNA上，它们的一端连接在遗传密码上，另一端连接在氨基酸上。氨基酸通过大亚基连接到一起，形成了蛋白质，它同样也要绑定在转运RNA上。通过这种方式，核糖体能够棘轮式地一步一步加大RNA的氨基酸“负荷”（中心的速度为每秒15转），同时还能协调它们与不断增大的蛋白质连接的方式。

许多抗生素就是通过使细菌核糖体的功能发生紊乱而发挥其作用的。幸运的是，虽然细菌和人类核糖体具有相似性，但是它们还是存在明显差别。抗生素在细菌身上能比在人类身上更高效地绑定和阻止核糖体。氨基酸甙类抗生素四环素、氯霉素、红霉素等，全都是通过干扰核糖体的功能而杀死细菌的。

尤纳斯、拉马克里希南和托马斯·A.施太茨（Thomas A.Steitz）因为他们在揭示这个神奇的机器运行原理方面所做出的贡献而分享了2009年的诺贝尔化学奖。

随着基因学这个领域的不断发展，RNA已经变得越来越重要了。根据中心法则，RNA只拥有媒介功能，或者说，它只是执行DNA编码的命令。在这样一个模型中，DNA的双螺旋结构被解开，它的遗传密码被复制在单链的信使RNA上。反过来，信使RNA把密码从基因组运送到核糖体上。另外，人们曾经普遍认为，非蛋白质编码DNA都是“垃圾DNA”。不过，到了1998年，这两种观点就全都发生了改变，那时华盛顿特区卡内基科学研究所的安德鲁·法尔（Andrew Fire）和马萨诸塞州大学的克雷格·卡梅隆·梅洛（Craig Cameron Mello）及其同事公布了一些证据，证明产生于非编码DNA中的双链RNA可以用来关闭某些特定的基因，这有助于解释一些令人费解的观察结果，尤其是在矮牵牛花上观察到的一些现象。

现在一切都已经变得很清晰了：有些DNA在为一些小的RNA分子指定遗传密码时，就像开关一样，在决定如何使用基因以及在多大程度上使用基因方面扮演了一个重要角色。活细胞中的所有遗传信息最终都驻留在具有精确顺序的核酸和氨基酸内——在DNA内，在RNA内，在蛋白质内。在基因组内维持这种非凡秩序的过程受到了神圣的热力学定律的约束。必定要燃烧某种化学能量，以便使分子机器能够驾驭热运动。细胞也需要得到持续的能量供应，这样才能在亚基之间形成共价键，并按正确的顺序将这些亚基组织起来或对它们进行正确的排序。这场化学“风暴”的核心依赖于一个相对来说犹如岩石般稳定的结构，这一切都受到了DNA密码的控制。

当讨论到基因的遗传密码时，薛定谔就已经有充足的理由设想一个“非周期性晶体”了。在那时，他想强调“遗传信息是可以被存储起来的”这一事实，利用“晶体”这个术语可以“解释基因的持久性”。然而，为我们的基因从内部进行编码的蛋白质机器人的情况则与此不同，它们是不稳定的，会迅速地被分解。例外情况鲜有发生，蛋白质的“一生”只能“存活”几秒钟至几天不等。它们不得不忍受细胞内的动荡，因为在细胞内部，热能会驱动分子来来回回不停运动。蛋白质也会出现异常现象，它们会被折叠成不具备活性、通常是有毒的聚合物，这个过程对一些众所周知的病毒极为重要。

在任何一个给定的时刻，一个典型的人类细胞都包含了数千种不同的蛋白质。为了使细胞持续地处于良好状态，细胞必须根据需要随时制造出一些蛋白质，同时丢弃另一些蛋白质。对人类的癌细胞中的100种蛋白质进行的最近一项研究揭示了，蛋白质的半衰期是45分钟～22.5小时。细胞也是如此。在一个人的身上，每天都会有5 000亿个细胞死亡。科学家还估计，在一个正常器官的生长发育过程中，一半左右的细胞都要死掉。我们身上每天都会掉落5亿个皮肤细胞。因此，每过两个星期到四个星期，你的皮肤的整个外层都会脱落一次。这就是你家里积累的灰尘，当然也是你自己掉下的“灰尘”。如果你无法持续不断地合成蛋白质和细胞，那么你就会死亡。生命是一个不断更新的动态过程。如果我们没有DNA，没有这个生命的软件，那么细胞会迅速死亡，从而生物也会迅速灭亡。

被基因密码所确定的氨基酸线性链条都要折叠成适当的形状，以执行它们特定的功能，这个事实初看起来简直让人觉得不可思议。我们还没有理解所有指导蛋白质折叠的规则，当然这一点并不让人感到奇怪，因为一条典型的氨基酸链或者多肽有着数百万种到数万亿种可能的折叠方式。为了计算所有可能的蛋白质构造以预测在热力学上稳定的状态，加州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室联合IBM公司研制出了蓝色基因（Blue Gene），这是一台超级计算机，每秒钟能够完成大约万亿次浮点操作（也就是每秒千万亿次浮点计算）。

拥有100个氨基酸的蛋白质能够以无数种方式折叠，因此可供选择的结构的可能构象的数量就高达2100到10100种不等。为每一种蛋白质去尝试每一种可能构象需要花费大约100亿年的时间。但是，内置线性蛋白质代码是折叠指令，它反过来也被线性遗传密码所决定。因此，在布朗运动的帮助下，分子持续不断地运动归功于热能，这些过程发生得很快——只有千分之几秒。它由以下这个事实所驱动，即正确折叠的蛋白质所需要的可能自由能是最少的，就像水总是往低处流一样，蛋白质自然而然地就会折叠成它所喜欢的形状。

正确的折叠构象能够确保酶正常发挥作用，这就是说，从高熵和高自由能状态变为以低熵和低自由能为特征的热力学稳定状态。实际上，这个过程现在已经能够在一种叫作绒毛蛋白的蛋白质身上观察到了，这要感谢一个计算机仿真程序。这个仿真程序每秒就可以完成600万个动作，这样，在运行几秒钟之后，这个仿真程序就能够告诉我们，热能是怎样使得87个氨基酸的初始线性链条发生抖动的，同时线状蛋白质也以这样或那样的方式颤动了起来。而且，仅仅就在6微秒的时间里，就能够尝试许多种不同的构象，直到最后完成折叠。想象一下演化选择要经历多少次这样的“神经质式”的舞蹈，而且蛋白质的氨基酸序列不仅决定了它的折叠速度，也决定了它的最终结构，从而决定了它的功能。

在有用的蛋白质折叠方式与有害的蛋白质折叠方式之间的竞争形成了早期的细胞蛋白质“质量控制”的早期演化，这种控制由另外一组专门的分子机器执行。这些“分子伴侣”能够帮助实现蛋白质的正确折叠，阻止有害聚合物的形成，同时拆解这些“为恶”的聚合物。因此，举个例子，热休克蛋白70（Hsp70）和热休克蛋白60（Hsp60）的分子伴侣能够拆解聚合物（有毒蛋白质），热休克蛋白60由多种蛋白质组成，它能够形成“一个有盖的桶”，在这个桶里，未折叠的蛋白质能够折叠成正确的形状。毫不奇怪，分子伴侣发生故障是出现各种神经退行性疾病和癌症的生理基础。

在白种人中最常见的单基因遗传性疾病是囊性纤维化（cystic fibrosis）——在美国，每3 500个出生的人当中大约会有一个人受到影响，这是一个错误折叠、行为失常的蛋白质的例子。它是因为一种被称为囊性纤维化跨膜电导调节因子（CFTR）的、用来编码一种蛋白质的基因出现了缺陷而引起的。这种蛋白质调节氯离子在细胞膜的传输；当它出错时，就会出现很多症状。举个例子，囊性纤维化患者的水分和盐分的失衡使得他们的肺部被黏液阻塞，而这就为能够引发疾病的细菌提供了生长基质。二次感染引起的肺损伤是导致患者死亡的主要原因。最近，科学家们已经表明，到目前为止，囊性纤维化最常见的变异是阻碍分子伴侣分解运输调节蛋白质。因此，正常折叠的最后几步无法完成，这样也就制造不出来大量的正常的活性蛋白质了。

蛋白质聚合物和蛋白质片段的降解是至关重要的，因为它们会堆积起来，形成团块，这些东西是含有剧毒的。我们知道，如果发生罢工，导致垃圾清除工作被迫中断，那么街道上便会到处充斥着散发出恶臭的腐烂物质，这时候交通就会受到影响，发生疾病的风险也会增加，甚至整个城市都会迅速变得不正常。细胞和器官也是如此。阿茨海默氏症、帕金森病引起的手颤，库贾氏病（Creutzfeldt-Jakob disease，人身上的疯牛病）所导致的大脑功能的不断退化，所有这些都是由有毒的、无法分解的蛋白质聚合积累而引起的。

许多蛋白质机器被设计为用来处理蛋白质合成和折叠中的错误。蛋白酶负责通过消解的方式消除异常蛋白质。肽键断裂反应是由一种蛋白酶所完成的。这种特殊的机器包括一个由4个堆积在一起的环所组成的圆柱形复杂的“核心”：像百吉饼一样堆放起来，每一个环都有7个蛋白质分子组成。在中央核心内，为了降解蛋白质，目标蛋白质会被一个称为泛素的小型蛋白质所标记，这些小型蛋白质遍及整个细胞。细胞废物处理的这个基本机制是在大约30年前，由三位科学家阿龙·切哈诺沃（Aaron Ciechanover）阿夫拉姆·赫什科（Avram Hershko）欧文·A.罗斯（Irwin A.Rose）所阐明的，他们还因而赢得了2004年的诺贝尔化学奖。

每个蛋白质机器人在细胞内的寿命都是通过遗传密码预先编排好的。这个程序的效应根据生命形式的不同而略有改变。比如说，大肠杆菌和酵母细胞都含有β-牛乳糖酶，这种酶帮助分解复杂的糖类；然而这种酶的半衰期高度依赖于蛋白质终端的氨基酸（N-末端氨基酸）。当β-牛乳糖里的N-末端氨基酸是精氨酸、赖氨酸或色氨酸时，蛋白质的半衰期在大肠杆菌中为120秒，在酵母中为180秒。当N-末端氨基酸是丝氨酸、缬氨酸、蛋氨酸时半衰期就会大大延长，在大肠杆菌中超过10个小时，而在酵母则超过30个小时。这就是被称为蛋白质降解的方式的N-末端规则（N-endrule）。

蛋白质的不稳定性和蛋白质的转换都说明，如果细胞仅仅是含有蛋白质而没有遗传程序编排的膜囊——囊泡，那么细胞生命周期本身将会非常短暂。所有细胞都会死亡，因为它们不能持续不断地制造出蛋白质来代替那些已经损坏的或者折叠错误的蛋白质。在一个小时内或更短的时间里，一个细菌细胞要么重造所有蛋白质，要么死亡。细胞结构也是如此，就以细胞膜为例：磷脂分子的转换和膜转运蛋白的作用方式也是这样，如果它们得不到持续的补充，那么膜就会破裂，然后细胞内的物质就会溢出细胞。当我们在实验室里培养细胞时，为选择可行的细胞而做的一个简单测试是，确定膜是否足以允许大分子“染料”透过。如果这种“染料”能够渗透入细胞，那么毫无疑问，它们将会死亡。

在多细胞生物中存在着一种蛋白质机制，它能够降解和毁坏陈旧的或者有缺陷的细胞。这是一种细胞程序性死亡的过程，被称为细胞凋亡（apoptosis），它是生命和生命发展过程的一个重要组成部分。当然，拆解像细胞这样复杂的东西是一大壮举，它需要极强的协调性。凋亡体，别名叫“七轮辐死亡机器”，它是利用细胞凋亡蛋白酶的级联反应——吸收蛋白质的酶或者蛋白质酶体——开始它的毁坏过程的。这些细胞凋亡蛋白酶负责拆除一些很关键的细胞蛋白质，比如细胞支架蛋白质，在发生细胞凋亡的过程中，我们会观察到细胞的形状会发生典型的变化。细胞凋亡的另一个特点是会出现DNA软件的碎片。凋亡蛋白酶在这一过程中通过激活一种能够劈开DNA及脱氧核糖核酸酶的酶扮演了一个重要的角色。结果，它们抑制了DNA修复酶，同时允许细胞核中的结构蛋白的分解。

我们可能会把我们的身体当作是一种在空间上的蛋白质模型，但是由于它们的组件不停地进行更替，所以整个模型是动态的。薛定谔完全理解这一点，他说：“生命本身就是一条浓缩的‘有序的河流’送给我们的礼物，这样一来，生命就可以避免在‘原子的混乱无序’中衰败的命运，而且能够从合适的环境中汲取‘秩序’来维持自身。”

布朗运动：生命的驱动力

最后，我们应该考虑一下，在每一个细胞内，最终驱动着所有这些奇妙的活动和转换的那个东西究竟是什么？如果真的存在着一个“候选人”，它提供了一种能够激发出非常有活力的生物的“生命力”，那么它就应该是在1827年让罗伯特·布朗（Robert Brown，1773—1858）狂喜的那个东西。当时这位苏格兰植物学家完全被花粉粒中不断进行的之字形的微粒运动迷住了，而且后来这种现象就是以他的名字来命名的——布朗运动。让布朗感到迷惑的是，液体中这种微粒运动并不是由液体的流动、蒸发或者任何其他明显的原因所引起的。一开始的时候他以为他窥见了“生命的秘密”，但是，当他在金属颗粒中也观察到了这种运动之后，他放弃了这种信念。

一直要等到布朗目睹了这种运动75年之后，使我们能够以现在这种方式理解它的最关键的第一步才姗姗而来。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）证明了，这些微粒是被围绕在它们周围的那些肉眼看不到的水分子所推挤而运动的。不过，即使在爱因斯坦1905年这篇论文发表后，少数物理学家（特别是恩斯特·马赫）仍然怀疑这是一个与原子和分子运动有关的物理事实。爱因斯坦的观点最终被让·巴蒂斯特·佩兰（Jean Baptiste Perrin）在巴黎用一个翔实的实验证实了。佩兰也因为这个贡献以及其他贡献而获得了1926年的诺贝尔物理学奖。

就对活细胞的工作方式的理解而言，布朗运动具有深远的影响。细胞当中的许多重要的构件，比如DNA，虽然比单个原子要大，但是它们还是非常小，当它们“漂浮”在分子和原子组成的“海洋”当中时，还是会因为周围的原子和分子的不断“推撞”而运动起来。因此，尽管DNA确实拥有一个像双螺旋结构这样的形状，但是由于随机布朗运动的力量，它同时也是一个翻滚着的、扭曲的和旋转的螺旋状物质。活细胞的蛋白质机器人之所以能够折叠成它们正确的形状，只是因为它们的构件都是容易活动的链条、薄片以及螺旋线，它们在细胞的保护膜内不断地被冲击着。生命是由布朗运动所驱动的，从沿着细胞微管拉着微小的化学物质的驱动蛋白“卡车”到旋转着的三磷腺苷合成酶，莫不如此。至关重要的是，布朗运动的强度取决于温度：如果温度过低便不会有足够多的运动；如果温度过高则所有的结构都会因为猛烈的运动而变得随机化。因此，生命只能存活于一个狭小的温度范围内。

在这个温度范围内，生命体的细胞内无时无刻不在进行的“震荡”不亚于里氏9级地震。“你甚至不需要用脚去踩你的自行车：你只需要在轮子上附上一个棘轮以防止它往后倒退就行了，那样就能够推动你向前行进。”加州大学伯克利分校分子和细胞生物学系的乔治·奥斯特（George Oster）和王洪云（Hongyun Wang）这样说。蛋白质机器人也是通过使用棘轮和动力冲程去管理布朗运动的，它们以此完成了类似的壮举。由于不断的随机运动和分子的振动，在短距离内的扩散是非常迅速的，这样一来，也就保证了在绝大多数细胞的极端狭小的空间里，只要有极少量的物质就能产生生物反应。

现在我们已经知道了，DNA的线性代码决定了蛋白质机器人和RNA的结构，它管理着我们的细胞，反过来，蛋白质机器人和RNA的结构也决定着蛋白质和RNA的功能。由此，下一个问题也就变得显而易见了：我们怎样才能读取并准确地理解这个代码，从而使我们能够理解生命的软件呢？