他们从17世纪瘟疫档案中提取了蛋白质,这能揭示什么秘密?

文章来源:本站作者: 发布时间:2018年12月17日 点击数:598次 字体:

从文物、档案中提取蛋白质来研究历史甚至名人轶事已经不是新鲜事。《纽约客》长文介绍了该技术近年来的运用和业内评价。因篇幅限制,译文有删节。

“马可·波罗圣经”

(vicko238/编译,Ent/校)2010年10月,意大利宗教历史学家阿尔伯托·梅洛尼(Alberto Melloni)站在佛罗伦萨劳伦特图书馆阅读室前的樱桃木小箱前。这个盒子很有年头,轻度磨损,上面用墨水写着拉丁文。它在图书馆一个特别的斜面阅读桌里封存了几个世纪,桌子由米开朗基罗设计。梅洛尼滑开箱盖,里面是一条黄色的丝绸围巾,包裹着一本没有手掌大的13世纪圣经,书页散落成一片片的。

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这本圣经“书质非常差,”梅洛尼最近告诉我,“非常黑,啥也看不清。”但它有独一无二的经历。在1685年,一个曾到过中国的耶稣会神父将这本圣经交给了美第奇家族,认为这本书曾经属于到达忽必烈汗王庭的旅行者——马可·波罗。虽然故事不像是真的,但这本书几乎可以肯定被早期传教士带往中国,并在那里待了几个世纪,被学者和其他中国人放在手中。因此,在亚洲天主教历史上这是一件关键物品。

梅洛尼是博洛尼亚一家致力研究教会史的机构的负责人。他之前听说过“马可·波罗圣经”,可直到2008年一位同事在劳伦特图书馆的展览上看到这本破烂的书籍时,他才意识到圣经情况有多糟糕。他发起了一个修复项目以探索它的历史。“你拿着手稿,”梅洛尼说。“但也拿着手稿承载的故事。”

修复耗时18个月。一万片圣经书页被重新组装在一起。在这个过程中,梅洛尼决心要用到最先进的科学分析。“我们应该把要用在《蒙娜丽莎》上的那些都用在这本圣经上。”他告诉同事。他联系了米兰理工大学的文化遗传中心寻求建议,那是意大利最大的科学类学府。除了常规文保手段——研究颜料的紫外摄像和红外光谱,专家建议了蛋白质组学。“那是我这辈子头一次听到‘蛋白质组学’这个词。”梅洛尼回忆道。

蛋白质组学是对生命体中蛋白质相互作用的研究。这门技术研究的人类基因大概有两万个,这些基因排列组合生成的蛋白质就是蛋白质组学在乎的东西。蛋白质组学追求完整性。一个人类细胞的“蛋白质组”含有数十亿计的蛋白质,有时被比喻成一本地图集。它可以带领遗传学家和制药公司找到疾病的早期标志,或是衰老的精确机制,或是癌症治疗的有望靶点。数据分析和实验设备在瞩目进展中每年都变得更加廉价和强大,已让这一领域成为可能。化学家能够用顶级质谱仪筛找含有数千种蛋白质的样本,来研究其中一个分子。

2000年起,蛋白质组学吸引了另外一小群科学家的注意,他们相信这一领域能极大扩展我们对过去的了解。在适当的条件下,蛋白质能保存数百万年。在最近几年,蛋白质组学对艺术品和考古遗存的研究揭示了明晰度惊人的生物信息,展现出17世纪宗教雕塑外层薄似蛛丝的鱼胶,辨识出新石器时代灰坑中面目全非的骨头里的儿童乳牙。在2008年,研究者能够对600年前阿拉斯加因纽特人遗址烹锅里的港海豹蛋白质测序。三年后,化学家在一只猛犸象股骨中发现了126种蛋白质。

梅洛尼计划把一些圣经碎片送到米兰。2011年秋天,几块残片到达了里盖蒂(Pier Giorgio Righetti)的实验室。这位身量瘦高、年过七十的化学家因为电泳法而为蛋白质组学领域所知,这一方法能靠电荷帮助分子按大小筛分。

检测“马可·波罗圣经”是里盖蒂第一次对古物进行研究。为此,里盖蒂至少读了六本关于马克·波罗的书。

在实验室里,里盖蒂与手稿书页苦苦纠缠。这些书页严重皱缩,无法用常规技术——某种溶液——移取蛋白质。某个晚上,绝望之中,他的一个同事把其中一块碎片放到微波炉里加热。“该死的微波炉!”里盖蒂说。这么做成功了。

用质谱仪跑完所有样本后,里盖蒂和团队在这本认为是胎羊皮制成的圣经上找到了8种生物分子。但这些蛋白属于牛,所以证明这不是羊皮纸而是牛皮纸。结合文本中的证据,这本书可能制成于1250年前的法国南部。

里盖蒂看到数据清晰显现出的750年历史的蛋白质后兴高采烈。他把写在文章里,增添进为数量不多但正处增长中的中世纪手稿蛋白质组学文献。

在修复项目最后,梅洛尼飞到北京向北京大学图书馆的观众展示了这本圣经。那里的空气略微湿润。书页在他翻开时短暂地颤动,似乎在呼应一段记忆。“它们有种运动感,”梅洛尼回忆道,“像是翅膀一样。”

腺鼠疫死亡档案

2017年年初,里盖蒂着手从米兰国家档案里提取腺鼠疫的证据。他谨慎地接触米兰馆藏中鼠疫年代留下的记录,查看它们是否包含鼠疫杆菌的蛛丝马迹。最后,里盖蒂了解到他可以简单地检测这个城市的死亡记录。

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与“马可·波罗圣经”不同,米兰档案中的纸张是棉质的,状态极好。已经从大学职务退休的里盖蒂花了几周反复阅读死者列表。城市的一半人口在瘟疫中覆灭。“我选出最脏的几页,”里盖蒂说。一个晚上,他回到公寓发现腿上长了红疹子。“我和老婆说‘啊,我得了鼠疫,’”他回忆道。里盖蒂的老婆是名生化学家,嘲笑他想太多。“她是对的,谢天谢地。”

里盖蒂和身为发明家的好友奇博斯坦因( Gleb Zilberstein )用醋酸乙烯薄膜在书页右下角取样——那是书页最常被人碰触的位置。检测后,“收获难以置信。”里盖蒂说。他们从瘟疫档案中提取到超过600中蛋白质,包括鼠疫杆菌中的17种。与瘟疫证据一起,还发现了大鼠、小鼠的蛋白质,羊奶与炭疽病细菌的痕迹,粉碎的烟草、鹰嘴豆、大米、胡萝卜和玉米——指示出记录这场灾难的文书员的食谱。这些蛋白质单个来看都没什么惊奇的。但在一起,它们聚合成一座瘟疫肆虐的城市,害虫在新鲜写就的死者姓名间窜动。

里盖蒂和奇博斯坦因发表了瘟疫结论的论文,并上了意大利的电视节目。他们提取蛋白质的方法也受到关注。“我基本上是对他开发出的这些概念感到敬佩,”剑桥大学教授马修·柯林斯(Matthew Collins)这样说起里盖蒂,他八十多岁了,是研究甲壳类化石蛋白起家的考古学者。“工作最初的几十年里,是个很悲惨的过程,”他说。但是蛋白质组学和质谱技术的到来改变了他的工作。“我们依仗着这些不可思议的技术,”他说。“里盖蒂是领头人,而我们只是跟着。”柯林斯也使用了非破坏性技术从历史档案中取样,但他的方法更简单:依靠管理员日常用橡皮擦得的拓印获取蛋白质。2011年开始,他从拓印中收集了中世纪欧洲的牛、绵羊和山羊的生物信息。

柯林斯告诫说,历史学中的蛋白质组学技术还处于婴儿阶段。“我们仍然需要学习这些东西意味着什么,”他说。但是,当你意识到任何一个老物件的表面可能有新近可识别的生物信息时——你拿着一件手稿,你也拿着手稿承载的故事——这让你重新审视世界上的图书馆和档案室,并好奇它们包藏了多少秘密。2015年,华盛顿的福格莎士比亚图书馆的研究者在一本1637年圣经的书缝里擦拭取样,并发现了至少一个属于北欧人的DNA,该人有痤疮。图书馆没有发表这个称为“灰尘团”的项目实验,部分原因是消化结论需要一些时间。“对我们来说,这变得很明显,我们除了拥有人文学者的大量研究资料外,还拥有生物档案,”图书馆负责人迈克尔·威特莫(Michael Witmore)告诉我。这座机构掌握了私人稿件在内的莎士比亚大量材料。“这是接近时的战栗,”威特莫说,“感觉一个活生生的人或者群体就在附近了。”

开普勒手稿

五月,奇博斯坦因邀请我去圣彼得堡,在那里他将要检测17世纪天文学家约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)的笔记本。在鼠疫研究之后,奇博斯坦因就着迷于开普勒。其中一个原因是米兰瘟疫爆发源于神圣罗马帝国的军队入侵北意大利,破坏村庄并带去病原。

在瘟疫发生的那年,开普勒作为数学家服务于阿布切特·凡·华伦斯坦(Albrecht von Wallenstein)将军,这个人当时统领帝国军队。开普勒11月死于雷根斯堡,奇博斯坦因怀疑他的死和瘟疫有所联系。

开普勒画像。图片来源:Wikimedia Commons

开普勒是科学史上的一个迷。1571年他出生于斯图加特附近,那是个充满斗争和激烈的宗教偏执的年代。在他过世之后50年,开普勒行星运动定律推动了牛顿的科学革命,但他本人生前却狂热献身于揭示上帝的设计。1620年,他曾不得不为被推上女巫审判的母亲作法律辩护。开普勒的文稿是由几何学、科幻小说、占星学与惊人理性组成的漩涡。他想出行星与太阳系以椭圆形轨道运动;他相信地球和我们一样也会出汗和放屁。在1601到1612年之间,他是神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世宫廷里的数学家。开普勒身材单薄,视力堪忧,他的很多结论都基于他的前辈——著名丹麦天文学家第谷·布拉赫(Tycho Brahe)——的观察。但那些充满想象力的飞跃性成果都是开普勒本人的。为了证明地球绕着太阳转的速率不是恒定的,他假设自己站在火星表面的一个瞭望塔里计算轨道。“一个纯粹天才的点子。”爱因斯坦这样说。

俄国女皇凯瑟琳大帝在1773年得到开普勒的手稿并把它们运到圣彼得堡。自1938年,这些稿子被保存在俄国科学院,建筑坐落于当地动物博物馆背后的一个安静院落。那里有一辆红色拖拉机,一颗杨树开得正盛。那些档案位于一扇暗棕色金属门之后。“非常原真,”奇博斯坦因点头道。

与开普勒文稿专家彼得·申克尔(Peter Michael Schenke)交谈之后,奇博斯坦因决定检测一份开普勒的论文。这篇文章大体基于古希腊数学家希帕克斯(Hipparchus)的理论,开普勒断断续续写了25年,直到去世也没完成。奇博斯坦因翻动长长的泛黄的书页,上面密密麻麻是开普勒的笔迹、图表、删除线、代表日地月的长条状几何学图解。“这些问题非常美妙,”开普勒在1619年提到他的希帕克斯研究时说,“这项工作无可逾越。”

奇博斯坦因带了两套取样薄膜:一套用于移取蛋白质,一套用于提取重金属。2010年,第谷的遗骨在布拉格发掘,他的胡子、骨骼和头发里检测到金、银、砷的残留。在16至17世纪交接之际,炼金术是当时宫廷的共同追求,而第谷是一位热心的发起人,奇博斯坦因想知道能否从开普勒的文稿中发现相似的金属。他花了一个小时翻阅书页,寻找称之为可疑的位置——唾液或褪色的痕迹——以放上胶片。

第谷画像, Eduard Ender创作。图片来源:Wikimedia Commons

最后,他找到了一组黑墨水造成的开普勒指纹,跨越右手边的页缘。他小心地在手稿上用了17张胶片,外加册子后面空白页上的一个控制组。接着,我们等待薄膜取样生效。一小时后,奇博斯坦因取回样本并填好标签:“2018年5月21日,蛋白质分析”。

里盖蒂和奇博斯坦因的最终希望能商品化他们的技术。今年夏天,奇博斯坦因与冬宫博物馆签下了一份初步合同。他认为二人的技术是历史学里的基因测序,只不过样本来自过世的人。

但行业里其他人有不同看法。比如,在灰尘团项目后,福格莎士比亚博物馆的文保人员考虑如何最好地保存档案,以便用于未来的分析。

新技术的快速发展引发了一定程度的谨慎。剑桥的科林斯给我看了最近几份蛋白质组学的论文,这些论文曾提出惊人观点,但后续又被提出质疑。因为这种分析太精细了,样本在实验室遭受污染的风险一直都存在。

这些不确定性让文物管理者无法地把馆藏放心交给技术人员。在牛津大学图书馆和大英图书馆,都不允许科林斯的擦除技术取样。“我们被告知,‘没人能从我图书馆的书上擦走分子!’”科林斯说。

在更广阔的层面上,不难看出为什么蛋白质组学可能对人文学者展现威胁。学者们解读手稿、绘画和古物的权威地位长久以来未受挑战。

“对于我们与科学的联系,人文学界有种防御姿态,”威特莫说。不过,他预测基于蛋白质组学的论文将在未来五年出现在文学和历史学期刊上。“不管是数据挖掘、蛋白质组学,还是基因组学,人文学界可能要有新朋友了。”他说。

7月末,我飞到米兰了解开普勒文稿的检测结果。

研究出现了一些问题。原因可能在于圣彼得堡对文稿的处理,或是在米兰准备样本时的一个错误,质谱仪对这些蛋白质的第一次分析失败了。

但奇博斯坦因的金属分析传来有趣得多的结果。金、银、铅、砷的痕迹在螯合胶片捕捉的地方到处都是,时对照组水平的3到9倍。一些水银读数的水平甚至更高。这些金属令人回想起对第谷进行检验的结果,也让奇博斯坦因与里盖蒂考虑开普勒和炼金术的联系。但是,与第谷不同,开普勒没有留下实施炼金术或服用其产物的记录。两人非常激动,并对他们的发现充满信心。

对开普勒手稿的检测是他们工作中第一次挑战(而非增补)历史记载。当我问他们学者们对得知开普勒可能是炼金术士有何最初反应时,两个科学家当时有些难为情。“很不安,”里盖蒂小声说。那天早上,奇博斯坦因从开普勒委员会的申克尔处得到一封充满怀疑的邮件,说不相信这件事。

我把里盖蒂论文初稿拿给剑桥大学历史学教授乌林卡·鲁布克(Ulinka Rublack),她是开普勒生平和文稿研究的权威。她同样不信服。和第谷这个有钱贵族不一样,开普勒一直没什么钱,并且避免做要动手的工作,二者组合不太像一个炼金术士。“他是帝国的数学家。他是最有抱负的科学家之一,”鲁布克说。“(如果他是炼金术士)他会需要一个大实验室和设备来达到令他满意的水准。”

但是,只要金属痕迹属于开普勒本人,就存在开普勒服用炼金术药石的可能性。“你知道,这是个巨大的谜团,”申克尔承认。“我自己也在怀疑。”声称开普勒进行炼金术实验显然比发现不言而喻的、甚至是陈腐的生平文化碎片要吸引人。但这也许是对古代文稿进行蛋白质组学和化学分析的主要价值所在。“历史的讽刺在于,最显然的东西被讨论得最少,”帕特里克·博纳(Patrick Boner)是美国天主教大学的访问学者,曾写过一本关于开普勒的占星术的书。

当我给博纳发送里盖蒂和奇博斯坦因的开普勒研究初稿时,他说他在鼠疫论文时就已经知道两人的工作了。“这开启了一扇门,”他说,“我欣赏这个项目在于,它对文字记录外的内容有多少解读。”开普勒曾在他自己于星体、物质与想象之外的事物的研究(而不是印在课本里的那些)中写道,“我仿佛曾阅读神谕,以这个世界本身的形式展现,用基本事物而非字母书写而成:‘人啊,把你的理性延伸至此,这样你才可能明白这些事物。’”

(编辑:Ent)

题图来源:pixabay



作者:Sam Knight
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来源:果壳
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