对于世界顶尖的科学家们来说，10月初是他们翘首以盼的一段日子，尽管很少有人会承认这一点，但许多为科学事业做出了杰出贡献的人都希望在这个时候会有一个电话打进来，而且通常是在午夜，这个电话将告诉他们，他们被邀请参加在斯德哥尔摩举行的圣诞季节的庆祝活动，当然还有不菲的奖金。阿尔弗雷德?诺贝尔在他的遗嘱中列出的颁发科学奖三大学科――物理学、化学、生理学或医学――被认为是对人类做出重大贡献的科学研究领域，虽然也有一些人认为这些奖项已经过时，但获得这几个奖项的诺奖得主，他们的声望仍将如日中天。

 

 

　　这一次的生理学或医学奖授予在肿瘤免疫领域做出贡献的德克萨斯大学的詹姆斯·艾利森（JamesAllison）和日本京都大学免疫学家本庶佑（TasukuHonjo），他们在“抑制消极免疫调节作用以治疗癌症”研究中的重大发现为人类治愈癌症带来了新的希望。一些晚期癌症患者通过治疗病情得以缓解的病例表明，利用人体免疫系统来攻击恶性肿瘤的梦想有可能得以实现。免疫系统是一个防御寄生虫和病原体的细胞网络。然而，几十年来想要利用它有效攻击癌症的免疫疗法的努力都无疾而终，到20世纪90年代止，多次失败导致大多数研究者和公司不得不放弃这一领域的研究和开发。

 

　　艾利森博士是为数不多从未失去希望的人之一，他对在T细胞表面发现的一种叫作CTLA-4的蛋白质特别感兴趣，T细胞是免疫系统中主要的细胞类型之一。1994年，当他在加州大学伯克利分校时，他和其他人发现CTLA-4抑制了T细胞对癌症的反应能力，于是他通过抗体来阻止这种蛋白质产生，从而阻止了对免疫细胞的抑制作用，被解除抑制作用的T细胞可以通过攻击癌细胞来对肿瘤做出反应，实验表明，被注入这种CTLA-4阻断抗体的小鼠，它们体内的肿瘤很快就消失了。

 

　　在太平洋的另一边，日本京都大学免疫学家本庶佑博士自1992年以来一直在研究另一种不同的免疫系统蛋白质，1999年他证明了这种蛋白质PD-1像CTLA-4一样，似乎也对免疫系统产生了抑制作用。这再一次表明，阻断这种蛋白质的活性似乎是一种很有前途的抗癌策略。本庶佑博士非常确信这一点，他一直在推动这方面的研究，他找到了一家生物技术公司，尝试将他的研究成果开发成一种癌症治疗方法。

 

　　最终，一些公司开始开发针对这两个“免疫检查点”蛋白质的抑制剂分子，2010年，制药公司百时美施贵宝开发了一种药物，是用来治疗恶性黑色素瘤的抗CTLA-4的抗体，结果令人震惊，这是第一种能够提高这种疾病生存率的药物。

 

　　今天，对免疫检查点抑制剂的研究正在蓬勃发展。事实证明，对PD-1产生影响的分子在制药公司中更受欢迎，因为与CTLA-4有关的一些副作用更难处理，目前1100多个与PD-1相关的试验正在进行。免疫疗法现在是肿瘤学最热门的领域，在未来5到10年里，它很可能会改变多种癌症的治疗方式。

　　2018年诺贝尔物理学奖由发明了“光学镊子”及其在生物系统中的应用的美国物理学家阿瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）与研发出制造高强度、超短激光脉冲方法的美国学者杰拉德·穆鲁（GérardMourou）和加拿大学者唐娜·斯特里克兰（DonnaStrickland）分享，斯特里克兰是第3位获诺贝尔物理学奖的女性。

 

　　阿瑟·阿斯金曾在贝尔实验室工作，现已退休，他发明的光学镊子可通过产生的微小激光束操纵极微小物质，如生物细胞、病毒甚至单个原子。他发明的方法之所以可行是因为正如麦克斯韦在1862年时所提出并于1900年由彼得·列别捷夫（PyotrLebedev）所证明的理论那样，发光的光子携带动量，意味着它们可对接触到的任何表面施加压力。

 

　　阿斯金博士一开始的发明与科幻小说中常见的牵引光束正好相反，不是将物体拉向激光发射器，而是利用辐射压力将需要操纵的物质推开。之后他很快对这一发明做了改进，让激光束的中间部分变得更强，由此产生了一种力，与直觉相反，它往往是将抓取到的粒子移回到光束中心，然后将它困在那里，再加上一个聚焦激光的显微镜头，产生一种拉力来对抗推力。他发明的这种装置可以稳稳地操纵粒子等物质，甚至可以在三维空间中随意移动它们。

 

　　这听起来很复杂，其中烦琐的数学计算并不适合一般人。诺贝尔奖委员以电吹风和乒乓球为道具展示了其基本原理，任何记得在学校里学过的物理学知识的人都知道，吹风机可以将乒乓球这样比较轻的物体困在热空气中，使它悬浮起来。目前，阿斯金博士发明的方法已经在许多科学领域内得到应用，从探测细胞中微小分子机器的结构，到一次夹住一个原子组装某种化学分子等。

 

　　自1960年研发出制造高强度、超短激光脉冲的方法之后，激光的最大光强迅速上升（见下图），到1970年时提升了近10万倍，但之后一直停滞不前。但在斯特里克兰博士（她在纽约州罗切斯特大学的博士论文中曾探讨过这个问题）和她的导师穆鲁博士研发出了“啁啾脉冲增强技术”后，激光束的强度才再次迅速提升。

 

　　产生高强度激光光束的困难在于，它们会对发出激光光束的机器造成损害。解决方案的细节听起来很烦琐，但它的原理却很简单，让短历时的激光束持续更久时间。同样的能量在更长的时间内传播，会导致产生更低的最大功率，由此产生的光束可以在不破坏任何敏感元件的情况下再得到进一步增强。最后一步是将增强的光束压缩到最初的短历时，从而产生极大的功率，现代激光束可以达到一拍瓦量级的峰值功率，所产生的能量大约是核电站的100万倍。

 

　　大功率短激光脉冲激光器用途广泛。诺贝尔奖委员会重点关注的是常见的眼部手术，激光光束在眼部手术中可用于眼睛表面的塑形，以矫正近视。其他用途包括从新型粒子加速器的工作试验，到获得超短时间尺度上探测物质行为的能力。

 

　　2018年诺贝尔化学奖由发明了“酶的定向进化”技术的美国化学家、加州理工学院的弗朗西丝·阿诺德（Frances Arnold）与开发了“噬菌体展示技术”的美国生物化学家乔治·史密斯（GeorgeSmith）和英国生物化学家格雷戈里·温特爵士（GregoryWinter）分享。这3位获奖者通过驾驭进化的力量，制造出在医学和化学上有更多用途的蛋白质。例如，由人为定向进化产生的酶被用于制造包括生物燃料到药物等各种物质，“噬菌体展示”技术产生的抗体可用于对抗人类自身免疫疾病和治疗癌症。

 

　　阿诺德博士在大学本科时学的是机械和航天工程，她通过“定向进化”产生合成酶（催化化学反应的蛋白质）分享了这次化学奖的一半。像其他任何一位工程师一样，刚开始尝试重新设计酶时，她认为，做出某些改变应该能够提高它们的催化能力，但事实证明这非常困难。

 

　　就像所有的蛋白质一样，酶是由成千上万氨基酸组成的链状分子，生物体内的这种分子有20多种。20世纪90年代，阿诺德博士面对重新设计蛋白质可能导致的令人眼花缭乱的各种可能性，她决定放弃以往的做法，转而进行“定向进化”的尝试。

 

　　她一直在尝试对枯草杆菌蛋白酶进行修饰，这样它就可以在二甲基甲酰胺（DMF）这种溶剂中起作用。她开始将各种突变随机引入到枯草杆菌蛋白酶的基因中，从而产生成千上万种不同版本的基因。接下来，她将这些经过修饰的基因插入细菌中，产生数千种经过基因修饰的枯草杆菌蛋白酶。

 

　　然后她对这些经过基因修饰的枯草杆菌蛋白酶进行评估，看其中哪些酶能够分解酪蛋白，酪蛋白是二甲基甲酰胺（DMF）中的一种蛋白，然后她再在其中择优进行进一步随机突变和筛选，在重复了3轮这一过程后，她发现枯草杆菌蛋白酶的一种变体在溶剂中所起的作用比原来的酶要高出256倍。自从她取得这一突破以来，研究人员（包括阿诺德博士本人）都开始利用这种“定向进化”来定制药物和生物燃料所需要的酶。

　　史密斯博士和温特爵士也在定向进化研究领域做出了他们的贡献。史密斯博士发明的噬菌体展示技术可用来驱动新蛋白质的进化。它的工作原理是向噬菌体（一种感染细菌的病毒）添加额外的基因，噬菌体通过劫持细菌的蛋白质制造机器来繁殖。然后受到感染的细菌会产生数千份原始病毒的拷贝，即额外基因编码的蛋白质。

 

　　温特博士（当时他还是一位博士）很快意识到噬菌体展示可以用来引导抗体的进化，这些抗体是专门定制附着在其他蛋白质（通常属于寄生虫和病原体的蛋白质）上的蛋白质，为了让这些蛋白质附着其上，并对被免疫系统破坏的一部分细胞做出标记，他在细胞表面上创造了数十亿种不同抗体的噬菌体，并找出那些喜欢以这种方式黏附在TNF-alpha上的抗体，TNF-alpha是一种会引起自身免疫性疾病炎症的蛋白质，选出最佳候选者然后重复以上过程，经过几轮这样的过程产生了一种能与TNF-alpha紧密结合的抗体。

 

　　1989年，温特博士和他的同事成立了一家名为剑桥抗体技术的公司来生产这种他们称之为阿达木单抗（adadumab）的蛋白质，现在这种蛋白质由一家大型制药公司雅培进行市场推广，用于治疗风湿性关节炎和炎症性肠病。温特博士在2004年被授予爵士爵位。阿达木单抗的成功促使人们努力开发能够用来攻击肿瘤、阿尔茨海默病和狼疮的抗体。

 

　　根据阿尔弗雷德·诺贝尔遗嘱的规定，诺贝尔奖将授予那些“为人类最大利益”做出贡献的科学家。2018年，颁奖委员会似乎很好地达成了诺贝尔当年的心愿。