所有的生命都需要能量。無論是植物還是動(dòng)物，能量都存儲(chǔ)于或傳遞自一種特殊的分子——三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）。光合作用與呼吸作用產(chǎn)生的氫離子，在ATP合酶的幫助下構(gòu)建出了ATP分子。可以說，這種有趣的酶是整個(gè)過程的“功臣”。
1974年，保羅·博耶（Paul Boyer）所提出的理論解釋了ATP合酶的工作原理。這一理論在1994年得到了英國化學(xué)家約翰·沃克（John Walker）的證實(shí)，沃克利用X射線晶體學(xué)確定了ATP合酶的結(jié)構(gòu)，從而證實(shí)了博耶的理論。
三年后，博耶和沃克因其在“闡明ATP合成背后的酶學(xué)機(jī)制”方面所作出的貢獻(xiàn)，與丹麥科學(xué)家Jens C. Skou共同獲得了1997年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
不經(jīng)意的選擇
1918年的盛夏，博耶出生在美國猶他州瓦薩奇山脈下的普洛佛市。作為骨科醫(yī)師的父親的服務(wù)和奉獻(xiàn)精神，讓博耶從小就懂得要有同情心和愛心，要學(xué)會(huì)邏輯推理，也要將學(xué)科知識(shí)與自己的理解相結(jié)合。
1933年，博耶的母親在他15歲生日過后不久就離開人世，生前她飽受阿狄森氏病的折磨。那時(shí)，本能挽救博耶母親性命的腎上腺激素還尚未問世，她的離世讓博耶在后來逐漸對(duì)生物化學(xué)的研究開始感興趣。
82歲，父親因前列腺癌去世，這一惡疾隨后也帶走了他唯一的兄弟。追憶起親人的相繼離世，博耶感嘆道，“如果我們的社會(huì)繼續(xù)支持生物體運(yùn)作原理的基礎(chǔ)研究，那么很可能我的子孫就不用經(jīng)受因癌癥而失去至親的痛苦。”
著名的私立研究型大學(xué)楊百翰大學(xué)（BYU）是距離博耶最近也最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。當(dāng)時(shí)的校園只有3500余名學(xué)生，只有現(xiàn)在體量的十分之一。
在學(xué)校為學(xué)生開放的眾多學(xué)科領(lǐng)域中，懵懂的博耶將選擇縮小到化學(xué)和數(shù)學(xué)之間。雖然，定性定量分析頗具難度的課程讓博耶感受到了精確測(cè)量之美，但在接下來的課程中，金屬識(shí)別和分離所產(chǎn)生的揮之不去的硫化氫的氣味，卻在不經(jīng)意間吸引了他。
進(jìn)入高年級(jí)，快畢業(yè)的博耶面臨著幾種職業(yè)生涯的選擇：在采礦業(yè)做一名化學(xué)家、參與酒店管理的培訓(xùn)項(xiàng)目、研究骨科或傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)，或是接受研究生培養(yǎng)。在那時(shí)，他對(duì)最后一種可能性的信息掌握得并不多，但不少化學(xué)專業(yè)的校友都選擇去讀研究所。因此，博耶也選擇申請(qǐng)并獲得了威斯康星校友研究基金會(huì)（WARF）所提供的研究生獎(jiǎng)金。
威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的生物化學(xué)系在全國處于領(lǐng)先水平。博耶入學(xué)時(shí)，生化樓剛剛開放了新的附樓，這讓整個(gè)環(huán)境都彌漫著維生素、營養(yǎng)與代謝的興奮。在一片生機(jī)勃勃中，各個(gè)課題組競相做出了一系列杰出的科研成果。而且在年輕的教師之中，正在逐漸顯露出對(duì)酶學(xué)和代謝的興趣。
博耶的導(dǎo)師Paul Phillips主要研究家畜的繁殖和營養(yǎng)問題。在Phillips的鼓勵(lì)下，他和同事開始探索代謝和酶領(lǐng)域。在研究生期間，博耶參加過呼吸酶的專題討論會(huì)，生物化學(xué)的巨頭如諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主Fritz Lipmann等都在此發(fā)表過演講。他也參加過洋溢著激情的年輕教師舉辦的晚間研究討論小組，在這里，對(duì)于酶和代謝的討論拓展并鍛煉了博耶的視野。
一天晚上，博耶在小組中展示了他和同事在丙酮酸激酶上首個(gè)已知的K+活化證據(jù)，接下來他們被各種問題和討論打斷了足足35次。這種良好的培養(yǎng)環(huán)境為博耶的職業(yè)生涯發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
戰(zhàn)爭的洗禮
1943年，在博耶獲得博士學(xué)位之時(shí)，整個(gè)國家正處于戰(zhàn)爭之中。在時(shí)代背景的影響下，博耶也來到了斯坦福大學(xué)，跟從課題組長一同研究戰(zhàn)時(shí)項(xiàng)目。
當(dāng)時(shí)，戰(zhàn)時(shí)的醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)資助斯坦福大學(xué)進(jìn)行一項(xiàng)血漿蛋白的研究。分離自血漿的濃縮血清白蛋白，在戰(zhàn)場的休克治療中非常有效。但是，當(dāng)它經(jīng)過加熱殺死微生物和病毒時(shí)，白蛋白溶液卻由于蛋白質(zhì)變性變得渾濁起來。因此，研究項(xiàng)目的首要目標(biāo)是要尋找方法，穩(wěn)定溶液不出現(xiàn)此類問題。
他們的小組發(fā)現(xiàn)，乙酸鹽能夠提供穩(wěn)定性，丁酸鹽的性能更好。這使得他們發(fā)現(xiàn)，長鏈脂肪酸將會(huì)極大地穩(wěn)定血清白蛋白的熱變性，甚至能夠逆轉(zhuǎn)由于溫度帶來的變性或尿素溶液。其它具有疏水部分和負(fù)電荷的化合物也具有一定作用，例如乙酰氨酸。很快，他們的穩(wěn)定方法就被應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，而且這一方法至今仍得到廣泛的使用。
在斯坦福大學(xué)的研究讓博耶獲得了在蛋白質(zhì)研究方面的經(jīng)驗(yàn)，并且越來越尊重蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的魅力。不過，與威斯康星大學(xué)相比，1945年的斯坦福大學(xué)生物化學(xué)系只有兩名化學(xué)系的教授，整體發(fā)展并不強(qiáng)勢(shì)。因此在戰(zhàn)時(shí)項(xiàng)目結(jié)束后，博耶接受了明尼蘇達(dá)大學(xué)助理教授崗位的邀請(qǐng)。
在明尼蘇達(dá)大學(xué)的工作期間，整個(gè)科學(xué)界迎來了生物化學(xué)的黃金時(shí)代。美國國立衛(wèi)生研究院和國家科學(xué)基金會(huì)的經(jīng)費(fèi)擴(kuò)張速度相當(dāng)于、甚至超過了有效項(xiàng)目逐漸增長的申請(qǐng)數(shù)量。同時(shí)，《1944年軍人再調(diào)整法》所提供的經(jīng)濟(jì)支持讓一大批優(yōu)秀而且成熟的研究生得以回到校園。人們開始快速地提出代謝、酶作用和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的新見解。
在此期間，博耶也逐漸開始獲得同行的認(rèn)可。1955年，博耶在酶化學(xué)上的研究成就使其獲得了美國化學(xué)會(huì)的酶化學(xué)獎(jiǎng)，同時(shí)，他于1959~1960年擔(dān)任了美國化學(xué)會(huì)的生物化學(xué)部主席。
諾獎(jiǎng)級(jí)的發(fā)現(xiàn)
1956年，博耶接受了明尼蘇達(dá)大學(xué)明尼阿波里斯分校醫(yī)學(xué)院的Hill Foundation教授崗位，課題組的研究主要集中于酶而非ATP合酶。
“解決氧化磷酸化是如何出現(xiàn)的，是生物化學(xué)領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的問題之一，我無法拒絕它的誘惑。”博耶說。在眾多的項(xiàng)目中，幾年來，他們主要努力研究ATP合成的磷酸化中間物。在一眾研究生和博士后的努力下，他們將一種磷酸化蛋白的新發(fā)現(xiàn)推向了高潮，這種磷酸化蛋白是在ATP形成中的催化中間物，其中磷�；M附著于氨酸殘基。
1963年，博耶加入了加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）。在這里，他和課題組很快意識(shí)到，他們所發(fā)現(xiàn)的酶結(jié)合的磷酸組氨酸是在檸檬酸循環(huán)中底物水平磷酸化的中間物。它不是氧化磷酸化的關(guān)鍵。
這次的經(jīng)驗(yàn)讓博耶想起一句老話：“研究工作的大部分產(chǎn)出來自于在尋找鉆石過程中所挖出的煤。”
兩年后，博耶接受了加州大學(xué)洛杉磯分校新開設(shè)的分子生物學(xué)研究所的領(lǐng)導(dǎo)崗位，部分是因?yàn)樗麑?duì)氧化磷酸化研究工作的失望。該研究所的目標(biāo)是要推動(dòng)活細(xì)胞在分子水平的運(yùn)作原理的基礎(chǔ)研究。
博耶認(rèn)為，最優(yōu)秀的研究往往是一個(gè)導(dǎo)師帶著一小組研究生和博士后，自由地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、有能力地開展實(shí)驗(yàn)，并認(rèn)真地評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。為了能夠與這樣的團(tuán)隊(duì)一同工作，他很快就找到了竅門，大幅減少了自己所承擔(dān)的繁瑣的行政工作。
他繼續(xù)開展氧化磷酸化的研究，終于在1971年，讓他們挖到了“富礦”。他們提出了ATP合酶的結(jié)合變化機(jī)制的首個(gè)主要假設(shè)，也就是說，能量輸入主要不是用于形成ATP分子，而是用于促進(jìn)已經(jīng)形成而且緊密結(jié)合的ATP的釋放。
在接下來的十年，該機(jī)制的其它兩項(xiàng)主要概念也得到了揭示，也就是說，3個(gè)催化部位是按順序合作參與，同時(shí)，博耶等人所給出的數(shù)據(jù)可以通過旋轉(zhuǎn)催化得到最好的解釋。
這些此前并不為人所知的酶學(xué)概念，為博耶的研究團(tuán)隊(duì)提供了繼續(xù)下去的動(dòng)力和激情。接下來，研究生和博士后以及全球各個(gè)課題組都相繼涌現(xiàn)出一系列相應(yīng)的成果。
隨后的幾年，復(fù)雜的ATP合酶的其它研究方向也逐漸得到探索和揭示，這更堅(jiān)定了博耶和課題組的信心，他們感覺這種結(jié)合變化機(jī)制很可能是有效的，而且具有普適性。于是，他們?cè)谠擃I(lǐng)域大力推動(dòng)對(duì)這一概念的認(rèn)知和接受度。同時(shí)，博耶的成績也獲得了同行的認(rèn)可，他獲得了該領(lǐng)域的權(quán)威、美國生物化學(xué)和分子生物學(xué)學(xué)會(huì)為他頒發(fā)的“玫瑰獎(jiǎng)”。
對(duì)于博耶而言，生物化學(xué)領(lǐng)域的職業(yè)生涯為他帶來了一個(gè)意想不到的好處：旅行。因?yàn)樵诳茖W(xué)會(huì)議和訪問中所交換和獲得的信息，對(duì)于他和實(shí)驗(yàn)室的研究進(jìn)步尤為重要。而且，日本、德國、阿根廷、伊朗等遍布全球的會(huì)議和實(shí)驗(yàn)室訪問，也為他們帶來了國際的視野。
有時(shí)，他們所必須產(chǎn)出的（有些時(shí)候是不太情愿的）論文手稿為假設(shè)和觀點(diǎn)的呈現(xiàn)提出了新的挑戰(zhàn)，而這往往不是著名期刊的編輯所樂見的。他舉例道，直到在專門介紹生物能學(xué)的著名科學(xué)家Efraim Racker的一本會(huì)議專著中，“結(jié)合變化機(jī)制”這一名稱才得以被介紹。雖然威斯康星大學(xué)的會(huì)議為發(fā)表“旋轉(zhuǎn)催化”的觀點(diǎn)提供了機(jī)會(huì)，但這一概念并沒有得到戈登會(huì)議（旨在促進(jìn)科學(xué)思想和未發(fā)表結(jié)果的交流的會(huì)議）的熱烈支持。
因此，“這些旅行就有了強(qiáng)烈的科學(xué)意義。它們?yōu)槟闾峁C(jī)會(huì)進(jìn)行信息的交流、新思想的驗(yàn)證、獲得新的視角，并避免不必要的實(shí)驗(yàn)。這種環(huán)境鼓勵(lì)創(chuàng)新和規(guī)劃，并為科學(xué)研究的發(fā)展提供了動(dòng)力與活力”，博耶總結(jié)道�！�