喪夫、喪子、患癌，諾獎得主Arnold譜寫一位女科學家的非凡之旅_風聞
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在科學的廣袤星空中，一顆璀璨的女性之星閃耀其中。
她不僅在自己的科研領域取得了卓越的成就，更在生命的旅途中傳承了愛與希望。從獲得美國最高工程榮譽，到成為獲諾貝爾獎的女性科學家，她的每一步都充滿了堅韌與勇氣。
然而，這位偉大的科學家更是一位深愛着家人的母親，她經歷了接連兩任丈夫去世、喪子，自己還得了乳腺癌，卻在如此困難的情況下，將科學事業邁向了新的高度。
本文來自Arnold在諾獎官網自述。今天讓我們一同走進這位傳奇女性的世界，感受她的非凡之旅。
撰文 | Frances H. Arnold
翻譯 | 林巖
01
熱愛冒險與挑戰的童年
1956年7月25日，我出生在賓夕法尼亞州的東匹茲堡，我的母親經過24小時的艱苦分娩，才將我生下來，然而出生時我看起來整個人變形且沒有頭髮。父親稱呼我為他的“天鵝”（直到青春期時，這個暱稱被“Vampira”所替代）。
當時，我25歲的父母威廉·霍華德·阿諾德（William Howard）和約瑟芬·因曼·魯索（Josephine Inman Routheau）已經有一個兩歲半的兒子比爾（Bill）。我出生13個月後，愛德華（Edward，一個可愛的小驚喜）也出生了，接着是大衞（David），最後是我12歲、足夠獨立照顧嬰兒時，托馬斯（Thomas）也來到了這個世界。
這羣男孩（包括我自己）通常由比爾指揮，比爾和我父親以及我祖父同名，祖父威廉·霍華德·阿諾德（William Howard Arnold）將軍曾在二戰期間的太平洋戰區為美國軍隊效力，戰後指揮美國駐奧地利軍隊，後來以美國第五軍軍長的身份退休。
我們是一個龐大的天主教家庭，家裏的許多人至今仍會聚集在密歇根湖東岸的麥卡塔瓦的避暑別墅裏。家裏的女性掌管着一切，她們在家中將一切安排得井井有條。多年來，我們和祖父母一起住在他們建於世紀初的別墅“Stack Arms”裏，和不同的表親住在一起，直到1965年父親建造了自己的房子。我的祖父，那位強大的將軍，在他深愛的、更具威嚴的妻子伊麗莎白·威爾士·馬倫（Elizabeth Welsh Mullen）於1976年因乳腺癌去世後，僅幾周就因心碎而去世。
密歇根州的麥卡塔瓦對我來説是天堂，因為我可以自由地到處跑，有時成羣結隊，有時獨自一人。有一天，媽媽看到碼頭盡頭丟着我的三輪車，差點嚇出心臟病來。人們最後在碼頭下找到我，當時我正在挖小龍蝦。幾年後的一個夏天，我不得不打消建造木筏橫渡密歇根湖前往芝加哥的念頭——那可是九十英里的距離。我在密歇根湖上學會了揚帆，學會了尊重自然、利用自然的力量。
在那個沒有電視和網絡的時代，書籍、自行車和朋友成了我們的樂趣所在。我閲讀了父親珍愛的《Analog Science Fiction and Fact 》雜誌旁邊的那一摞堆1950年代的《讀者文摘》雜誌的每一期。我尤其着迷於那些報道奇蹟般的手術將斷肢重新接上的文章。我曾幻想着追隨我的早期偶像克里斯蒂安·巴納德博士（Christiaan Barnard）——他在1967年進行了首例人體心臟移植手術。在一個夏天裏，我把當地荷蘭公共圖書館裏所有能找到的醫學書籍都翻了個遍。但當我發現自己僅僅是看到血就會感到噁心時，我就放棄了成為移植外科醫生的念頭。
夏天是美好的，但在匹茲堡的上學時光卻又是另一番景象。20世紀60年代，沒有人知道該如何應對一個聰明的小女孩。為了讓我忙碌起來，父母讓我學音樂（鋼琴和小提琴），做各種各樣的縫紉和藝術項目，學習滑冰——這意味着在寒冷的天氣裏步行一英里多去溜冰場——以及步行去威爾金斯堡上星期六的教理課，無論風霜雨雪。我儘可能多地待在户外，在石頭下尋找蠑螈，並找到和收集用過的汽水瓶，然後拿到當地的雜貨店換兩美分。三個瓶子可以換一根冰棍。我帶着弟弟去探險，探索大型排水管；如果因為經常因四英尺厚的積雪而停課無法探險時，我們就會坐在圓形的電視機前看《I Love Lucy》的重播，玩無窮無盡的戰爭遊戲。
我父親是一位實驗物理學家，1955年以24歲的年齡從普林斯頓大學獲得博士學位，1954年他在科羅拉多州埃文斯山頂進行實驗。母親對這樣一個偏遠的地方（海拔10700英尺）並不滿意，因此在比爾出生前不久，他們搬下山來到了愛達荷州斯普林斯（海拔7500英尺）。在那裏，我的父母都感染了脊髓灰質炎，並不得不在鐵肺中度過一段時間，由我那無所畏懼的外祖母約瑟芬·魯索（Josephine Routheau）照顧。畢業後，父親放棄了學術研究，投身新興的核工業。位於匹茲堡的西屋電氣公司打算提供“便宜到無法計量的電力”，而我父親則協助設計了實現這一夢想所需的壓水反應堆技術。
20世紀60年代，我的父親經常不在家。他似乎經常呆在內華達州；後來我才知道，那是為了進行核試驗。他會從賭場給我們帶回銀元，因為他必須陪大老闆們去賭場豪賭。他在家時，喜歡建造房子或製作飛機模型、聽古典音樂、閲讀，以及整理硬幣和郵票收藏。我認為他是世界上最聰明的人，因為他知道所有的答案，能解釋一切事物的運作原理，幾乎什麼都能修好。為了和他共度時光，埃迪和我競相收集郵票的複製品。我們分配了世界版圖：我負責英國殖民地；埃迪則負責世界其他地區。從集郵中，我學到了地理知識，瞭解到地理邊界、政府，甚至語言都會隨時間發生變化。我還瞭解到帝國的興衰，以及前殖民地如何獲得獨立。
02
求學生涯，學會自立以及結緣科學
我在小學時的出色表現讓我得以進入打字班。十歲時，我遠超同班同學，大部分時間都在畫畫，為朋友們製作小紙人，以及完善我的鏡像書寫（身為左撇子的我，很容易寫出反字，當朋友們將我的加密信息舉到浴室鏡子前時，總能給他們留下深刻印象）。我的父母不知怎麼竟然説服了埃奇伍德小學，允許我到隔壁的高中上一些課程。我最喜歡的額外課程之一是打字，儘管我並不擅長。我踩在兩本電話簿上才能夠到打字機，而高中生們看着這個身材矮小、雙腿懸在座位上的五年級學生，忍不住哈哈大笑。我至今仍保留着在課上給爸爸打的信。我還學習了機械製圖，這門課同樣具有挑戰性，但它教會了我從不同角度觀察和描述物體的重要技能。
到13歲時，我已經對課堂學習感到厭倦了。那是1969年，我們當時居住的巴爾的摩市正經歷着動盪。我沒能被那所私立女子學校邀請回去上九年級，儘管我媽媽費了很大勁才讓我入學，但我本來就很討厭那裏。於是，我開始搭便車前往華盛頓特區的反戰抗議活動。在父親將我們帶回匹茲堡之前，我只在市中心的一所大型公立高中上了半個九年級。搬回北方只是延長了我參加抗議活動的時間。
在匹茲堡松鼠山社區的一所優秀公立學校阿勒德里斯中學，我選擇了意第緒語作為我的第二外語（僅次於法語），並樂在其中，因為相比於天主教文化裏那些沉悶的描述，它提供了一套全新的、更加豐富多彩的表達方式。作為一個需要了解世界但缺乏駕馭能力的青少年，我漸漸與同學和父母疏遠。我獨自居住在一個破舊、糟糕、蟲害肆虐的三樓公寓裏，身處一個充滿污垢的社區，我做過各種各樣的工作來支付房租和賬單，同時夢想着有一天能擺脱上世紀六七十年代作為年輕女性的侷限。我做過的工作包括：賣種子（沒錯，我10歲那年就賺到了一輛自行車）、午餐櫃枱女服務員（14歲）、披薩店助手（15歲）、百貨公司店員（16歲）、接待員（16歲）、酒吧女服務員（17歲，我告訴他們我22歲，從來沒人查，因為那時年輕人很少有證件）、匹茲堡著名爵士樂俱樂部沃爾特·哈珀閣樓的女服務員，最後還做過出租車司機（18歲）。在我離家上大學之前，我已經能夠熟練地在匹茲堡陡峭的山丘和坑坑窪窪的街道上駕駛一輛龐大的六十年代黃色出租車。那些街道比我開的出租車還窄，但我的顧客堅持認為我能通過，他們（通常）是對的。在沒有GPS的情況下，我在腦海中構建地圖，至今仍然受益於那時培養的方向感。開出租車是一項艱苦的工作。
那時，有時一天工作超過十個小時，只能掙到二十或二十五美元，但僅僅幾周時間，我就從調度員給新司機的那些骯髒、破損的出租車升級到了乾淨、較新（但仍然一樣寬）的出租車，小費也因此變得更多。然而，樂趣必須結束，因為我要去上大學了。
1974年，我設法説服了普林斯頓大學的招生官員，最終被錄取。我想或許是因為我的申請文書寫得很令人信服，或許是因為我是申請工程學的女生中非常罕見的一個，但也可能我父親曾在該校獲得物理學博士學位並且與工程學院院長交情匪淺也起了一定作用。1974年我入學時，普林斯頓大學才開始有女生畢業，因為該校直到1969年才開始招收女生。我那一屆的學生中女生大約佔了15%，而機械工程學和航天工程學的女生就更少了。不過，作為唯一的女生對我來説早已習以為常，我沒有理由轉到其他專業，於是留在了機械工程學和航天工程學系。我忙着吸收儘可能多的知識和新思想：意大利語、經濟學、社會主義理論、俄語及文學、藝術史，以及大量的數學和物理學知識。我對化學不感興趣，這在我的大一成績中有所體現，因此當時我在化學方面沒有取得什麼進步。
在普林斯頓大學，我繼續開出租車，在圖書館工作，組裝電子設備，還為哲學家托馬斯·S·庫恩（Thomas S. Kuhn）打掃房子。我需要錢來支持我在萊克航空公司機票的費用，只要願意在凌晨4點去曼哈頓的售票處排隊，當天午夜左右就能以99美元的價格飛往倫敦。在普林斯頓大學的最後兩年裏，我每逢假期都去倫敦、意大利或巴黎遊玩。
旅行打開了一個充滿不同文化和美食的迷人世界（我熱愛人們在食物上的創造力，並很高興地發現日常食物可以如此美味）。高中三年級（1973年）結束後，我的外祖父母帶着我的哥哥比爾和我去了歐洲旅行。他們多年來一直遊歷歐洲，前往他們鍾愛的奧地利、德國、法國和意大利的小鎮。我們在路上花了整整兩個月的時間，從未在任何地方停留超過兩晚。每個人都似乎認識並喜愛我的外祖父母愛德華上校和約瑟芬夫人。他們教我如何用很少的錢享受生活。“媽媽”和“爸爸”的秘訣是：在法國南部鄉村小路邊陽光照耀的草地上，享用一瓶葡萄酒、一個新鮮法式長棍麪包和一點肉醬。
於是，我渴望重返歐洲，親自體驗那裏的風土人情，我於1976年至1977年間，在普林斯頓大學讀完大二後抽出時間，前往馬德里和米蘭工作。在此期間，我從不説英語，也發現了全新的文化和朋友。我和我的意大利男友騎着摩托車遍遊意大利北部，夏天，我們騎着他的1956年款摩托古茲500（意大利憲兵隊的經典車型）一路前往伊斯坦布爾，然後又原路返回。在還沒有鋪設公路的時候，我們就去了五漁村，在農民的家裏搭帳篷或者睡覺。我彈着吉他，與願意傾聽的人分享鮑勃·迪倫（Bob Dylan）和意大利的弗朗西斯科·古奇尼（Francesco Guccini）的歌曲。
在普林斯頓大學最後兩年，我重新燃起了對完成學業和尋找有意義的事情做的熱情，以前那種對課程漫不經心的態度發生了改變。我熱愛高年級的課程，並發現只要稍加努力，我在數學和工程學方面確實有天賦；1979年，我以優異的成績獲得了機械與航天工程學位。20世紀70年代的能源危機，以及普林斯頓大學導師們將科學與社會利益相結合的激情，激發了我對替代能源的終身興趣。
畢業後，我再次背上揹包，帶着每天2美元左右的儲蓄，從厄瓜多爾出發，前往巴西聖保羅，跟隨後來成為巴西環境部長和乙醇燃料計劃“之父”的若澤·戈爾德姆伯格（José Goldemberg）教授，在太陽能項目上進行實習。我乘坐公共汽車，沿着印加古道，用了六個星期的時間，從厄瓜多爾的瓜亞基爾前往玻利維亞的聖克魯斯。從利馬到阿亞庫喬的行程超過36個小時，我們在崎嶇的山路上緩慢攀登，還與一隻身上長滿跳蚤的山羊共用這輛公交車。我們似乎每小時都要停下來一次，因為聯邦警察正在路檢，他們會讓我們下車，對我的護照感到困惑不解，幾小時後才讓我們繼續前行。我喜歡秘魯，但不喜歡那的食物，經常導致我食物中毒。那個夏天，我練成了在任何地方都能睡覺的本領，並增強了我的免疫系統。在巴西期間，我學會了一點葡萄牙語，還養成了對食堂每天午餐供應的豆子和米飯的喜好，尤其是週日中午供應的傳統黑豆燴肉，這道菜需要一整天的時間來消化。
憑藉機械工程學位以及卡特政府對於清潔、可再生能源的重視，我迎來了第一份“正式”工作（1979年至1980年），地點位於科羅拉多州戈爾登市的一個新興國家實驗室——太陽能研究所（現在更名為國家可再生能源實驗室）。在弗蘭克·克雷斯（Frank Kreith）的傳熱小組中，我的主要工作是開發新型被動式太陽能加熱和冷卻技術；我還幫助聯合國撰寫關於發展中國家太陽能問題的立場文件。在辦公室之外，我學習如何駕駛越野摩托車，並提高了滑雪技能，這項技能是我在意大利居住時首次嘗試的。作為交換，我住在一家馬場，並在主人外出時照顧動物，以此換取免費住宿。為了對抗從每個電台傳來的鄉村西部音樂的猛烈衝擊，我開始學習古典吉他。
03
1981年至1985年，加利福尼亞大學伯克利分校
隨着羅納德·里根（Ronald Reagan）當選為美國總統，被動式太陽能加熱和冷卻技術的未來似乎有些渺茫。我從未去過加利福尼亞州，但在1980年底，我把我寥寥無幾的行李裝進了我的1971年款紅色大眾甲殼蟲，然後向西出發，開始在加利福尼亞大學伯克利分校攻讀研究生。那裏的化學工程師們決定冒險接納一名既是女性又是機械工程師的學生，我於1981年1月被錄取為博士研究生。
儘管我最初的想法是從事纖維素生物燃料的研究，但後來對該技術的興趣已經減弱：汽車再次變得龐大，石油禁運也被人們遺忘。我們也忘記了如何關愛地球。替代能源項目的資金變得稀缺；我原本打算跟隨的那位教授退休了；我不得不改變方向。然而，出生於澳大利亞、剛從特拉華大學被招募到伯克利分校的哈維·布蘭奇教授（Professor Harvey Blanch），卻準備支持即將興起的一個全新行業——生物技術行業。加利福尼亞州和波士頓正在發生一場革命——像“基因泰克”（Genentech）和“安進”（Amgen）這樣的新公司正在尋找工程師，希望利用重組DNA技術擴大生產蛋白質藥物的工藝規模。需要有人生產和提純這些重組蛋白，它們有望改變醫學的面貌。
於是，我開始從事生物分離領域的研究，學習親和色譜法，並開發和驗證色譜分離的數學模型。我也逐漸認識到與蛋白質打交道所面臨的挑戰：一切工作都圍繞着讓蛋白質保持穩定進行。這並不容易，因為蛋白質的穩定性只是勉強維持，似乎稍有刺激就會變性。此外，大多數蛋白質治療藥物涉及高度複雜、翻譯後修飾的結構，在製造、純化或儲存條件不當的情況下，這些結構很容易變得無用。工藝工程師對蛋白質或生物化學知之甚少，而標準的化學工程分離工藝也不適合蛋白質的保存。
研究生院就像大學一樣，是另一場學習的盛宴，但這次涉及的是有機化學、生物化學、免疫學、酶學、高等數學，當然還包括整個本科和研究生化學工程的課程。有機化學對我來説很容易理解——製造分子就像拼拼圖一樣。在修完這門課並獲得學分後，我很高興地旁聽了多門有機化學課程，並擔任學生運營的“黑閃電”筆記服務（該服務深受那些害怕早起上8點課的學生喜愛）的官方筆記員。傑出的生物化學家傑克·基爾施（Jack Kirsch）和朱迪思·克林曼（Judith Klinman）從定量和物理化學的角度向我介紹了酶驚人的催化能力，這尤其讓我欣賞，而艾倫·威爾遜（Allan Wilson）則向我介紹了蛋白質序列的分子進化。我如飢似渴地吸收新知識，只為享受學習科學和數學課程的樂趣，這種習慣我幾十年後仍在保持。
直到我研究生階段的最後一年，我才想到嘗試做一名教授。我曾與加州大學伯克利分校化學學院的一些年輕教授一起打牌和揹包旅行，但對於教授的實際工作內容，除了教一兩門課程外，我幾乎一無所知。然而，我的博士導師哈維·布蘭奇（Harvey Blanch）不僅創立了公司，還為工業界提供諮詢，生物化學教授中也有一些人這樣做，這種多元化的活動使我對學術事業產生了更濃厚的興趣。我渴望與現實世界建立聯繫，同時也渴望獲得我在之前各種工業和國家實驗室職位中未曾體驗過的獨立。因此，我決定申請學術職位。1984年是申請學術職位的好時機：美國大學開始意識到，儘管越來越多的女性對科學和工程感興趣，但工程學院的教師隊伍中幾乎沒有女性。當時，化學工程師在開始學術生涯之前並不做博士後研究，我收到了包括麻省理工學院在內的許多優秀學校的職位邀請。1985年，我接受了明尼蘇達大學的職位，該校化學工程排名全國第一。同時，我也利用眾多工作邀請，獲得了加州大學伯克利分校生物物理化學家伊格納西奧·蒂諾科（Ignacio Tinoco）為期一年的博士後研究資金，以學習我認為將來會在實驗室中使用的生物分子表徵光譜方法，那時我29歲。
大約在那時，我遇到了傑伊·貝利（Jay Bailey），他是加州理工學院（Caltech）一位世界聞名的生物化學工程教授。加州理工學院是位於美國南加州的一所小型私立學院，我對它知之甚少。其化學工程系的教師人數很少，在工程領域則以非常“學術化”的研究而著稱。加州理工學院的博士畢業生往往成為教授，而不是行業領袖。鑑於明尼蘇達大學無法容納貝利這樣的優秀人才，我便向加州理工學院申請了助理教授職位。1987年，在麥克塔瓦（Macatawa）朋友的陪伴下（還有家人的陪伴），我和傑伊喜結連理。
04
加州理工學院定向進化研究（1986-2003）
1986年年中，我搬到了加州理工學院，擔任博士後研究員的臨時職位（我的正式頭銜是“客座研究員”，因為當時我已經是明尼蘇達大學的助理教授）。我很高興能在傑克·理查茲（Jack Richards）的實驗室裏擁有一席之地，在那裏我將學習如何設計蛋白質的序列，這是我為自己的研究所需要的技術。傑克最近開發了一種名為“盒式誘變”的技術，這是蛋白質工程的第一批定點誘變方法之一。我第一次涉足分子生物學和基因工程，是為哈里·格雷（Harry Gray）的課題組製作了幾種突變的細胞色素c蛋白，他們想用這些蛋白來探索生物電子轉移。1986年一切都很難：合成寡核苷酸、DNA測序、克隆以及使用限制性內切酶都存在問題，而我排查克隆實驗故障的經驗也非常有限。但我堅持不懈，當我的第一個突變序列得到確認時，我成為了一名自豪的蛋白質工程師。
幸運的是，加州理工學院的兩名化學工程教授另謀高就，這為新成立的“生物”化學工程部分空出了一個初級職位；我收到了加入教師團隊的邀請，並於1987年1月開始擔任加州理工學院化學工程助理教授。
傑伊·貝利（Jay Bailey）的實驗室是第一個，或者至少是第一批使用分子生物學方法來解決工業生物技術問題的化學工程實驗室之一。傑伊自己的教育和研究背景僅限於化學反應系統的數學建模，但他出色地展示瞭如何藉助無畏的研究生將新技術引入實驗室。他吸引了來自世界各地的最優秀的學生到加州理工學院，我感激地從這些傑出的人才中招募人員，以組建我自己的蛋白質研究團隊。多年來，我不斷磨練自己，提醒研究生和博士後，他們可以學習和做到任何事。新的阿諾德實驗室將確保蛋白質工程成為化學工程的一部分，就像傑伊和其他人正在做的代謝工程一樣。這些早期對生物系統進行基因工程的努力，為現在所謂的“合成生物學”奠定了重要且具有工業相關性的基礎。
問題在於，當時確實沒有人知道如何製造有用的蛋白質。蛋白質，尤其是酶，令人着迷，人們發現它們具有很多用途，從監測血糖水平到清除衣物污漬。然而，化學工程師（以及其他人員）在使用蛋白質進行工業應用時面臨的一個主要問題是，蛋白質無法在非自然條件下發揮功能。蛋白質在脱離自然環境後，其性能通常較差，工程師必須開發出魯布·戈德堡式的機制來提純、儲存和使用蛋白質。不過，隨着蛋白質序列工程技術的發展，以及蛋白質屬性的隨之改變，20世紀80年代首次出現了按照過程工程師或工業生物技術專家的要求來設計蛋白質本身的可能性。我的團隊將致力於設計蛋白質序列，讓蛋白質按照特定過程或應用的要求發揮作用，而不是圍繞蛋白質來設計過程或應用。
我還想證明，蛋白質可以通過工程改造獲得一些不尋常但有用的屬性，從而開拓全新的應用領域。麻省理工學院的亞歷克斯·克利巴諾夫（Alex Klibanov）在20世紀80年代震驚了全世界，他證明酶在懸浮於乾燥的非極性溶劑中也可以發揮作用。然而，將酶溶解在高濃度的極性溶劑中，會立即導致其失去活性，即使可以證明它們仍保持着摺疊結構。當時的主流觀點是，蛋白質無法表現出高度非自然的屬性，例如在有機溶劑中發揮作用的能力。似乎有一種觀點認為，因為自然界從未這樣做過，所以人類也不可能做到。但事實上，正因為如此，我們才有可能做到，甚至可能很容易做到。因此，我接受了這一挑戰，即改造酶，使其能在極性有機溶劑中催化反應，但當時沒有人知道如何改變它們的序列來實現這一目標。我嘗試通過“理性設計”為有機溶劑設計酶，但均以失敗告終，當時旨在改進蛋白質的大多數實驗也均以失敗告終。雖然很容易削弱甚至破壞酶的功能，但很少有報道稱能夠製造出更好的酶。這個過程非常困難——需要獲得酶的晶體結構（其中非常少），然後充分理解蛋白質的結構和功能，不僅要識別出有用突變的位點，還要確定應該放置哪些氨基酸。
在20世紀80年代，一些實驗室開始利用噬菌體展示和其他方法，對核酸、肽甚至蛋白質進行工程改造，從而構建出龐大的生物分子庫。隨後，他們通過結合測定或遺傳篩選等方法對這些生物分子進行篩選，以找到有用的序列。我充分認識到蛋白質的複雜性以及針對多個突變位點進行改造時序列可能性的組合爆炸，同時考慮到有益突變發生頻率可能很低。因此，我開發出一種適合我感興趣的問題——改進酶類性能的替代方法，這種方法具有高度的通用性。我們採用了一種新開發的簡單方法，即在特定基因中隨機制造突變，即易錯條件下的聚合酶鏈式反應。我和我的學生們製造了基因庫，其中的基因只在一個或兩個位點上隨機突變，隨後使用平板或96孔板讀取器上的快速測定法，對它們進行篩選，以找到我們想要的特性。然後，我們會選取最佳蛋白質的基因，並重復這一過程以積累優勢，逐步進化蛋白質，直到實現功能目標。
令我欣喜的是，在我們實驗室裏通過進化得到的酶中出現了有益且令人驚訝的突變。有益突變並不罕見，只要我們精心控制篩選過程，就能找到它們，並且我們可以累積這些突變以進一步改進酶的性能。當我們將這些突變映射到蛋白質結構上時，驚訝地發現它們經常發生在酶的表面上，而當時蛋白質化學家們認為突變效應大多是中性的。激活突變也出現在遠離酶活性位點的位置，沒有人能夠解釋它們的作用，更不用説事先預測它們了。到1990年，我們終於走上了利用進化作為指導來改造有用酶的道路。
另一個值得紀念的時刻是，1990年4月，我的第一個兒子詹姆斯·霍華德·貝利（James Howard Bailey）誕生了。當時我34歲，尚未獲得終身教職，工作繁重，但我有一個可愛的兒子，精力充沛，而且清楚地知道自己應該往哪裏走。
然而，並非所有人都贊同我的方法。蛋白質工程領域主要根植於生物化學，非常注重“理性設計”。蛋白質化學家們認為，他們可以通過結構引導的方法和甚至計算方法來預測有益的突變和序列。我的一些加州理工學院化學系的同事，對當時流行的“組合化學”不屑一顧，這種方法涉及合成和篩選大量分子庫以尋找藥物候選物，他們認為我的隨機誘變研究是智力上的懶惰。然而，我並未因此動搖，因為我有一個行之有效的方法。
當我在蛋白質工程領域終於步入正軌時，實驗室之外的生活卻陷入困境。我的婚姻破裂，傑伊前往瑞士，成為蘇黎世聯邦理工學院的一名教授。
加州理工學院伸出援手，在經濟上給予我支持，幫助我帶着一歲大的孩子在帕薩迪納的一棟我負擔不起的房子裏獨立生活。對此，我將永遠心懷感激。加州理工學院教務長保羅·詹寧斯（Paul Jennings）和校長托馬斯·埃沃哈特（Thomas Everhart）也在我艱難的終身教職評定過程中給予幫助，向我展示了真正的領導力意味着什麼：真正的領導者擁有道德指南針，有時需要做出違背權勢人物意願的決定。獲得終身教職後，我可以全身心投入到我最熱愛的工作中，即通過定向進化來改造酶。我放棄了所有與蛋白質-金屬識別相關的其他項目，這些項目曾是我物理化學訓練背景下更具“標準”性的研究工作，轉而專注於酶的進化。
1992年，在蒙特雷灣水族館舉辦的帕克德學者年會上，我結識了才華橫溢、魅力四射的年輕宇宙學家安德魯·蘭格（Andrew Lange）。我們兩人都在1989年獲得了帕克德獎學金，但不知為何從未謀面。我們幾乎是一見鍾情。整個1993年，我們都在努力尋找在同一個地方工作的機會。安德魯每週四會在教完大一物理課後從奧克蘭飛往帕薩迪納，然後趕在週二早上上課前飛回。他想要一個家庭，和我在一起後，他立刻就擁有了一個。我的兒子詹姆斯非常喜歡他。作為實驗物理學家的安德魯，通過親手拆解在加州理工學院垃圾箱裏找到的各種物品，鼓勵詹姆斯探索機械世界的自然好奇心。那時候垃圾箱裏有很多示波器，我至今還保留着從各種拆解項目中淘來的陰極射線管。1994年，當加州理工學院為安德魯提供教授職位時，他從伯克利搬了下來。有些物理教授真心認為自己是為加州理工學院招到全國最有前途的年輕宇宙學家的功臣，但這份殊榮應歸我所有。不久後，我們喜迎威廉·安德魯·蘭格（William Andrew Lange，1995年）和約瑟夫·因曼·蘭格（Joseph Inman Lange，1997年）加入我們的家庭。
我們在建立各自事業的同時，努力撫養三個小男孩。安德魯為了進行實驗和參加團隊會議，經常前往南極洲和其他遙遠的地方，一去就是好幾個星期。他是一位盡職盡責、充滿愛心的父親，但他對科學的熱愛也絲毫不減。他渴望在實驗部署期間與團隊在一起。他1998年的BOOMERANG實驗，將氣球繞南極洲一圈，收集來自早期宇宙的光子，取得了巨大成功，使他在天體物理學和宇宙學領域名聲大噪。他是加州理工學院的寵兒，據説有望獲得諾貝爾獎。
我從未如此自豪，也從未如此疲憊。如果沒有我們親愛的“媽媽”卡門（Carmen），我的生活將變得一團糟。卡門向我的孩子們傾注了無盡的愛，為他們的輕微疾病提供家傳的療法，烹飪美味佳餚，並傳授實用的洛杉磯公共交通系統導航技巧。在20世紀90年代，我參加了一些當地會議，有時甚至是身懷六甲，但出遠門的次數相對較少。雖然我的工作遠沒有安德魯那麼引人注目，但進展順利。來自不同學科的傑出科學家紛紛來到加州理工學院，與我及我的學生討論定向進化問題。在此期間，我將酶的研究推向了全新的方向。該領域正在迅速發展，定向進化方法也得到了廣泛採用。我與寶潔公司（Proctor & Gamble）、德固賽公司（Degussa）和陶氏化學公司（Dow Chemical）合作，共同應對工業挑戰，這使我能夠用“真實”問題（而非模型系統）來展示定向進化的力量。我仍感激這些公司的科學家向我介紹有趣且富有挑戰性的問題，並與我分享他們關於酶作用機制的深刻經驗。我特別感激的是，他們投入時間和金錢支持一項由年輕女性工程師主導的全新且尚未得到充分驗證的技術。值得一提的是，皮姆·斯特默（Pim Stemmer）在1993年我發表論文一年後獨立發表了關於定向酶進化的論文，並於1996年在加州理工學院逗留數週。我們計劃成立一家新創業公司——馬克西根公司（Maxygen），將我們共同的願景——利用進化創造幾乎任何蛋白質或基因——商業化。馬克西根公司與加州理工學院就所有定向進化知識產權達成了許可協議，我擔任了公司的創始科學顧問。
2000年，我當選美國國家工程院院士，與我父親當選時的年齡相同，都是四十三歲。在華盛頓特區的就職典禮上，當我走上台時，我父親站起來，對着台下他眾多的朋友大聲喊道：“那是我女兒！”我相信，我們仍然是美國國家工程院唯一的一對父女院士。
05
2003-2004年：環球休假
我的大兒子詹姆斯十一歲那年，我的第一任丈夫傑伊因結腸癌去世，享年58歲。安德魯患有嚴重的抑鬱症，家庭生活愈發緊張。我認為，環球旅行能讓我們所有人學到很多知識，也能讓我們更加團結；我和四個紳士可以分享冒險經歷，就像我年輕時那樣，也可以享受安靜的時光。值得稱道的是，安德魯同意了這個計劃。我選擇了兩個休假目的地，澳大利亞和南非，在那裏我有朋友但沒有實際的工作要做。安德魯選擇了卡迪夫，那裏有他真正的合作伙伴，也有機會完成一些科學研究。
2003年，我們抵達了愛麗絲泉，開始我們的第一次探險之旅，在紅土中心與原住民接觸。我們的兒子們一到那兒就變得野性十足。在澳洲的第三個晚上，我們入住了一家“五星級”酒店，睡在紅色的土地上，四周是設計精良的睡袋，可以有效防止蛇和蜘蛛入侵。在休假的頭兩週裏，我們頭頂南十字星，鼻子裏滿是篝火的氣味，頭腦裏充滿了原住民關於流浪生活的傳説和故事。我的兩個小兒子挖尋蜜蟻和幼蟲，和當地的孩子一起玩，加入他們的家庭團體，爬進在沙漠地面上鋪開的舊牀墊裏。我們在墨爾本的斯温伯恩科技學院安頓下來，住了八週，小兒子和哥哥威廉分別在霍桑公立學校上了幼兒園和一年級。我為大兒子詹姆斯在附近的蘇格蘭學院安排了一個為期兩個月的住宿學習。每到週末，我們全家都會去參觀金礦和農場。
我們再次回到加州理工學院短暫停留時，又到了冬季，隨後便啓程前往非洲，開始我們旅程的下一階段。這一階段的旅程包括埃及、南非、納米比亞和馬達加斯加，最後到達英國。這是一次夢幻般的休假，也是我生命中最美好的一年。我們都快樂、健康，也很高興看到我們的兒子們全身心地投入到冒險之中。
這段時間，我的研究團隊表現得異常出色。我意識到他們可以更加獨立地工作，並且已經具備了真正的領導能力。從那時起，我儘量給予團隊成員更多的自由，讓他們能夠追求自己的想法並指導其他人。
06
2005-2010年：黑暗時期
2004年底，我從這段神奇的一年中回來，發現自己患上了乳腺癌，癌細胞已經擴散到淋巴結。我接受了兩次手術以及一年半的化療和放療，身體日漸衰弱。我開始練習瑜伽，以改善身心健康，並且每天都設法工作，從中找到樂趣和目的。
我們的科學研究開始關注我一直感興趣的問題——替代能源。石油價格穩步攀升。自2000年以來，我們一直在研究細胞色素P450，使其能夠氧化烷烴，其中一個目標就是製造出能夠將氣態烷烴轉化為液態燃料的重組生物體。2005年，在馬特·彼得斯（Matt Peters）和彼得·梅因霍爾德（Peter Meinhold）的協助下，在一位著名風險投資家的資助下，我們創建了傑沃公司，這很快成為“合成生物學”領域首批生物燃料初創公司之一。然而，由於我正在接受乳腺癌的密集治療，身體狀況不佳，無法在該項目上投入太多時間，因此馬特和彼得負責運營。傑沃公司至今仍在運營，利用工程酵母和化學方法，從生物質開始生產可再生噴氣燃料。
2010年1月22日，我的丈夫安德魯·蘭格自殺身亡，這一事件震驚了世界，給他的家人、朋友、學生和同事留下了無盡的悲痛。雖然我們已經分開生活超過兩年，但現在我不得不重新拼湊起我們這個家庭的碎片，為三個年齡分別為17歲、13歲和11歲的傷心欲絕的兒子找到出路。那一年對我來説，記憶都是模糊不清的。我的研究團隊成員們繼續相互扶持，他們和加州理工學院成了我的堅強後盾。我的朋友們也始終陪伴在我身邊，給予我幫助。我不斷提醒自己，沒有人能夠確保一生順利，但我們可以讓別人的生活變得更容易。
07
2011年至今：新階段
2011年之後，我的身體恢復健康，或許比從前更加明智，我下定決心再次冒險，無論是在職業生涯還是個人生活中。我帶着兒子們四處旅行，鼓勵他們踏上遠方的冒險之旅，並在日常圈子之外結識了許多新朋友。我繼續從事我鍾愛的活動，比如潛水，還有徒步前往聖加布裏埃爾山脈的歷史性單室小屋。我首次接受邀請，向廣大觀眾發表科學演講。我發現，無論是科學界還是普通大眾，他們都會以熱情的態度回應故事講述和對整體圖景的闡述；他們渴望回想起我們所見的萬物之奇蹟和力量，並相信科學可以引領我們走向更美好的未來。在演講結尾時，我喜歡描述一個開放且令人興奮的未來，其中充滿了待解答的問題，而不是將問題鎖進盒子裏。
或許最重要的是，我感到自由，甚至受到驅使，去用我的科學知識探索新的、更具挑戰性的問題。我一直想使酶進行新的化學反應，催化生物界中未知的反應。我向我的團隊中的幾位優秀化學家提出了一個具體的問題：你能讓細胞色素P450使用氮而不是氧來催化反應嗎？他們欣然接受挑戰，於是我們在2012年成功設計出了首個“氮烯轉移酶”和“卡賓轉移酶”。基於自然界已準備好接納各種新能力的這一認識，我們一直在探索一個全新的酶化學世界。
如今，我的實驗室感覺與上世紀90年代那些激動人心的日子十分相似：氛圍緊張，充滿強烈的探索感，深知我們正在為未來的分子製造奠定基礎，使用包括酶在內的基因編碼生物系統，這些酶被改造用於執行人類首次發明的化學反應。我非常感謝能夠第二次體驗到這種興奮和專注，再次與一羣極具天賦的年輕人共同分享這份喜悦。
我在定向酶進化方面所做的研究工作在2011年獲得了查爾斯·斯塔克·德雷珀獎，這是美國工程師能獲得的最高榮譽。我是首位也是至今唯一一位獲得該獎項的女性，該獎項自1989年起由美國國家工程學院頒發。2013年，我在白宮從奧巴馬（Barack Obama）總統手中接過了美國國家技術與創新獎章，當時我的兩個兒子也隨我一同出席。（詹姆斯當時正在阿富汗的美國軍隊服役，無法與我們一同前往。）2016年，我榮獲了千年技術獎，再次成為首位（也是唯一一位）獲此殊榮的女性。我並非刻意要成為首位涉足這一領域的女性工程師，但我是首批獲得機會展示自己能力的女性之一。作為加州理工學院聘用的第九位女性教師，我是那裏的首位女性諾貝爾獎得主。在我的一生中，許多才華橫溢的女性加入了科學和工程學的教師隊伍，我預測將有越來越多的女性因其科學貢獻而獲得最高榮譽。
08
結語
我相信讀者會注意到，我並沒有直接評論與我一起工作並從中汲取靈感的許多學生、博士後和同事們的貢獻。有些人在我的諾貝爾演講中得到了特別提及，但我無法向所有為定向酶進化的構想和廣泛應用做出貢獻的人表示感謝。現在，我想感謝我的導師和那些我試圖指導的人，因為從你們身上我學到了很多東西。我也想感謝本傑明·M·羅森（Benjamin M. Rosen）和唐娜（Donna）為加州理工學院所做和繼續做的所有事情；在過去的六年裏，我有幸擔任唐娜和本傑明生物工程中心的主任，這對我來説是一份莫大的榮幸。
我的父親於2015年去世，我非常想念他。他要是還在世的話，一定會感到非常自豪，並且會特別喜歡斯德哥爾摩的慶祝活動。我親愛的次子威廉在2016年以20歲的年紀去世；他的生命雖然短暫，但卻因照顧南非的猴子、肯尼亞和印度的孩子以及他的朋友而豐富多彩。兩位威廉都永遠活在我的心中。我想安德魯也會為我感到高興。我的小兒子約瑟夫、我的大兒子詹姆斯和他的妻子阿蘭娜（Alanna），以及我的繼子肖恩·貝利（Sean Bailey），與近六十位朋友、家人和前學生一同來到斯德哥爾摩，共同慶祝我獲獎。我非常感謝我所擁有的一切，以及所有豐富了我生活的人和動物。
本文經授權轉載自微信公眾號“深究科學”，原文資料
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/arnold/biographical/
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