亚伦·克鲁格（1926-2018）

亚伦·克鲁格（Aaron Klug）从一开始就是英国剑桥MRC分子生物学实验室（LMB）的最后几位成员之一。我记得1978年他在卡文迪什实验室的院子里给我看了《小屋》。他说：“在这座现在用作车棚的大楼里，共有五项诺贝尔奖：沃森和克里克获得DNA双螺旋结构奖，马克斯·佩鲁茨和约翰·肯德鲁获得第一个蛋白质结构奖，弗雷德·桑格发明氨基酸测序奖。但现在，我们庞大、现代化、设备精良的实验室没有诺贝尔奖”。四年后，亚伦自己获得了这个奖项，之后他们一个接一个地源源不断地来到这里。

亚伦1926年出生于立陶宛，但他两岁时全家移民到南非。1949年，他和他的妻子、专业舞蹈家Liebe Bobrow来到英国，并在剑桥大学攻读博士学位。他想研究蛋白质的X射线晶体学，但开始研究钢中的相分离。他研究的一件事是相变中的成核和生长，这后来扩展到烟草花叶病毒（TMV）的自组装。1953年，他继续在伦敦伯克贝克学院J.D.Bernal的系工作。在那里，他遇到了罗莎琳德·富兰克林，她向他介绍了X射线结晶学和螺旋结构衍射。“从那时起，我的命运就注定了”，他在1982年的诺贝尔演讲中回忆道。

罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）向亚伦（Aaron）展示了螺旋结构的衍射图案，包括DNA，他学会了通过观察来解释衍射图案。这对几个项目都有很大帮助，尤其是当他开始研究电子显微镜时。生物样品的电子显微镜存在两个主要问题：低对比度和样品损坏。用重金属（U、O、I、，等），但以限制分辨率为代价。低对比度是因为生物样品中含有约50%的氢原子，这些氢原子很轻，几乎无法被X射线或电子检测到，然后是C、N和O，它们也是轻元素和相邻原子序数。很长一段时间以来，还不清楚污渍是显示薄样品的顶部，还是仅仅显示脚印中的下半部分，如果污渍是被毛细力吸入的话。Klug在一次出色的实验中表明，事实上双方都可以看到。证据是，噬菌体尾部的衍射图案一定是由两种截然不同的晶体图案造成的，一种在另一种之上，虽然相同，但方向不同。当时，计算机还不够强大，无法计算图像的傅里叶变换，所以他不得不在负电子显微照片上使用激光束。

Klug继续研究螺旋病毒（如TMV）和球形病毒，发现后者都具有二十面体对称性。然后，他用卡斯帕证明，所有球形病毒都必须是二十面体，才能使病毒外壳的小蛋白分子覆盖体积更大的病毒DNA或RNA。一个立方体有6条4倍对称的边，即.24个相同的蛋白质拷贝，而一个二十面体有12个五聚体，所以有60个相同的单位，只有这些才足以完全覆盖DNA或RNA。这些例子说明了Aaron Klug是如何将深刻的数学和物理知识与广泛的生物和化学知识相结合的，实现分子生物学的根本突破。他还对科学哲学感兴趣，如下例所示。在试图结晶TMV外壳蛋白的过程中，他们不断得到由两层17（！）蛋白亚基组成的大圆盘。他们为组装导出了一个相当优雅的方案，但后来发现“这个方案的每个细节都是错误的。但这个想法是正确的！”当然，这个想法是病毒组装绝不会偶然发生，而是以高度有序的方式发生的。通常，大自然以比我们人类最先想到的更聪明的方式做事。

亚伦和所有自尊自重的晶体学家一样，也对X射线晶体学中的经典相问题感兴趣，即衍射斑点的相位在衍射图案中不可用。他认为，可以在激光束的光学变换中观察相邻衍射点对的干涉模式。但后来（1968年），他实现了一个更好的解决方案：用计算机计算晶体扫描EM图像的傅里叶变换。这直接给出了实验阶段的度数。他继续（1970年与埃里克森一起）展示了改变EM图像焦点的效果，其中对比度传递函数（CTF）的变化方式与光学中预测的接近。早在1979年，他就与奈杰尔·昂温（Nigel Unwin）一起展示了金属氧化物的晶体结构可以从不同焦距下拍摄的一系列图像中的任何一幅EM图像中清楚地识别出来。这种晶体学图像处理已被用于分子生物学，特别是晶体膜蛋白（Unwin和Henderson 1975）和无机化学。不幸的是，在无机化学中，40年来，许多物理学家仍然否认了这一绝对基本的理解，这阻碍了无机样品电子晶体学的发展。几十年来，晶体结构因子相位直接在蛋白质的EM图像中实验可用，并用于确定其结构。在许多电子显微镜和结晶学会议上，这是走廊一侧的情况，那里举行了生物会议，而走廊另一侧的情况恰恰相反。在那里，相位信息被认为在图像中丢失了，就像在衍射图案中一样。

认识到周期性重复粒子的单个图像，例如球形或螺旋形病毒，包含相同蛋白质分子的许多不同视图，Klug继续量化此类粒子的傅里叶分量。通过托尼·克劳瑟（Tony Crowther）和杰拉德·布里科涅（Gérard Bricogne）推导的算法和计算机程序，这使得螺旋粒子和球形粒子都可以进行三维重建。它还允许Aaron Klug获得确定更大物体（包括人体）三维结构所需的信息。这对医学中的全身断层扫描至关重要，许多人（包括亚伦本人）认为他应该为此分享诺贝尔医学奖。

在导出电子晶体学的理论基础之后，Klug在很大程度上继续从事X射线晶体学。他解决了许多非常大的生物大分子，如转铁蛋白-RNA、螺旋病毒TMV的蛋白盘和染色质（与约翰·芬奇、丹妮拉·罗德斯和蒂姆·里士满合作）。在他生命的最后几十年里，他主要对锌指的结构和功能感兴趣，锌指是具有重要生物学和医学意义的常见蛋白质。

似乎所有这些对于一个人来说还不够，亚伦·克鲁格（Aaron Klug）也参与了行政管理，首先是伦敦金属交易所结构部门的负责人，然后是整个伦敦金属交易所的董事和皇家学会主席。

虽然他很谦逊，但他坚信自己的理论。一个经典的例子来自世界蛋白质晶体学家的早期小型会议。虽然大家都知道卡斯帕和克鲁格的理论，即所有球形病毒都具有二十面体对称性，但有一组例外。他们的病毒是立方对称的！当一种元素（铟）不符合门捷列夫的周期表时，当他坦率地宣布分子量的测定一定是错误的时，他和门捷列耶夫一样自信，阿伦·克鲁格也确信所有球形病毒都是二十面体。所以，亚伦打断了演讲者的话，说“不，这是错误的”。当被问及他是如何知道这一点时，他回答说：“我现在无法在这里解释，但我今晚会解决这个问题，明天再告诉你。”；第二天早上，他展示了包装，即病毒晶体的空间群是立方的，但病毒粒子的对称性是二十面体的。和门捷列夫一样，他当然是对的。

1978-1979年，我有幸在伦敦医学院与Aaron Klug一起做了18个月的预科医生，这是我离天堂最近的一次（可能永远也不会是）。