无细胞也能发酵?农民的儿子勤奋解答终获诺贝尔奖!

其实贝耶尔还有层想法,就是希望年轻的比希纳去“啃啃”酶素这块硬骨头。

虽然人类在几千年前就会酿酒,但真正研究酿酒的生物学原理及发酵等相关理论却只有两百年历史。最初,西方科学家认为发酵只能在活细胞里完成,发酵作用不过是一种微观的生命现象。然而,一位农民的儿子经过潜心研究,发现即使没有活细胞,发酵也能进行。一石激起千层浪,他的研究推动了发酵生理学、酶化学及微生物学的发展,他也因此获得诺贝尔化学奖。

农家子弟跟名师

1893年冬季的一天,德国慕尼黑大学化学教授阿道夫·冯·贝耶尔在实验室里收到一份助手寄来的报告。助手在报告中说,他研究发酵多年却没有突破,近期将另找实验室,沿着前辈巴斯德的足迹,继续研究酵素,此后对贝耶尔老师的支持工作会减少,希望老师理解。开明的贝耶尔几乎没作考虑就在报告上签字,并让人尽快转交给对方。他很了解这位勤奋的学生兼助手。

获得1904年度诺贝尔化学奖的冯·贝耶尔(来源:化学双月刊网)

学生兼助手名叫爱德华·比希纳,出身世代农家。德国当时农业比较发达,小比希纳几乎没吃过多少苦,也受到良好的基础教育。开明的父亲见小比希纳成绩名列前茅,更加愿意支持儿子上学。

1884年,24岁的比希纳考入慕尼黑大学,师从对有机染料和芳香族化合物研究极深的贝耶尔教授。后来,他到纽伦堡大学进修,师从化学家埃米尔·菲舍尔教授,并发表论文《氧对发酵的影响》。他之所以写这篇论文,是因为“发酵”是当时化学界的新生事物,研究者甚多。没有想到,他此后竟潜心研究这东西很多年,并因此功成名就。

在慕尼黑大学获得博士学位后,比希纳被校方指定为贝耶尔教授的助手,协助老师进行化学理论研究、化学实验等工作。比希纳工作兢兢业业,时不时会提出自己的独到见解。勤快听话且有想法的学生哪个老师都喜欢,贝耶尔教授也不例外。所以当比希纳提出研究酶素的请求后,他毫不犹豫地答应了。

其实贝耶尔还有层想法,就是希望年轻的比希纳去“啃啃”酶素这块硬骨头,毕竟当时研究的人虽多,但没人取得突破性进展。

潜心研究破桎梏

准确地说,比希纳之前,西方科学家研究发酵理论已有半个多世纪。1836年,德国动物学家施旺发现人体的胃腺里有种物质可以分解食物。他通过实验提取出该物质,后人称为蛋白酶。这是人类首次从动物体内提取出酶。西方科学家纷纷投入到酶研究的队伍。研究对象里,最受关注的是引起面包和酒精发酵的酵母。

益生酶,酶的一种(来源:健康科学网)

20年后的1857年,法国科学家巴斯德在实验中发现,酵母可以把蔗糖转化为二氧化碳和酒精,他把这种具有催化能力的物质叫做酵素。他在实验中发现,当酵素被辗碎后就会失去催化能力,所以得出一个结论:酵素只能在活细胞里发挥生物作用。他进一步指出,新陈代谢是生命的特有现象,只能在活细胞里完成。这就是当时著名的“活力论”。

巴斯德是当时的科学权威,他的论述自然很少有人反对。比希纳觉得自己应该沉下心来研究巴斯德的实验,这样才有发言权。

提出“活力论”的微生物学之父巴斯德(来源:生物科学网)

他做了一个又一个关于酵素的实验,但都没有什么新发现。一次老友聚会,一位做生意的朋友说自己酿的浓蔗糖溶液总是变质,头痛得很,问比希纳有没有科学办法可以解决这个问题。

比希纳答应试试。回到实验室后,他先采用物理方法制备出酵母的榨出液,结果发现此液引起蔗糖的加速发酵。这让他哭笑不得:蔗糖发酵和变质不是差不多吗?自己的实验岂非白做了?

感叹没多久,比希纳猛然发现一个问题:用机器制作的酵母榨出液里已经没有活细胞,那是什么东西让蔗糖发酵的呢?难道这也是酵母的功劳?如此这般,岂非与巴斯德的“活力论”相悖吗?

新发现让比希纳感到无比兴奋。为了证明自己的设想,他先制作出一种含有活酵母细胞的溶液,再用乙醇和丙酮杀死活酵母细胞,从而得到新的溶液。他把新的溶液注入蔗糖里,结果蔗糖同样很快就发酵了。多次试验后,比希纳得到的结果保持一致。

1897年冬,也就是向贝耶尔教授提出独立研究酵素的第4个年头,比希纳公开发表了一篇名叫《无细胞的发酵》的论文。这篇论文里,他详细介绍了自己所做关于蔗糖发酵的实验,把类似催化蔗糖发酵的物质称为“酿酵”,并指出“发酵作用并非生命现象,“活力论”值得商榷,至此,“活力论”已经在科学上站不住脚了。

无细胞发酵的示意图(来源:生物科学网)

事实胜于雄辩,《无细胞的发酵》一文迅速在学术界引起轰动。至此,科学家们研究酶及发酵有了新方向:无细胞发酵。比希纳的发现,不但打破了“活力论”的桎梏,为糖酵解等高级理论研究奠定了基础。甚至很多人认为,无细胞发酵的理论,推动了酶本质的研究,推开了酶化学研究的大门,开创了微生物生化研究的新篇章。

无细胞发酵理论最大的贡献,莫过于制糖和酿酒。可以这么讲,我们现在能吃到各种各样的糖,喝上各种各样的酒,里面都有比希纳的一份功劳。

由于在无细胞发酵理论方面的出色研究,比希纳获得了1907年的诺贝尔化学奖。此后,陆续有多位研究酶化学的科学家获得诺贝尔化学奖。这位德国农民的儿子,最终用行动向世界证明了茅以升说的那名名言:“对于搞科学的人来说,勤奋就是成功之母。”

比希纳的诺贝尔奖照片及成果(来源:生物科学网)