科学家们在探索描述他们艰深职业的途径时，常常会运用比喻。当埃里克·约翰逊试图解释他的同事兼导师埃德·尚茨的工作时，他肯定会采取这种方式。36岁的约翰逊说，埃德的工作就像酿造美酒。他可以在三周内做好这种东西，但却花了数年时间才完善了他的技术。
尚茨生产的不是葡萄酒，而是毒素。具体来说，它是肉毒杆菌毒素，由单细胞肉毒杆菌产生的毒素，也是世界上最毒的物质。
摄入后，肉毒杆菌毒素会导致肉毒杆菌中毒，这是一种食源性疾病，可能导致肌肉瘫痪甚至死亡。但肉毒杆菌毒素也有其积极的一面：极小剂量下，它是治疗一类被称为肌张力障碍的人类疾病的有效方法——这些疾病是无法控制的肌肉痉挛，研究人员怀疑这是由大脑不自主和过度的电脉冲引起的。这些痉挛会导致眼睑眨动或紧闭，声音卡在喉咙里，脖子扭曲成痛苦的形状。然而，今天许多这些病症正在通过注射肉毒杆菌毒素来控制。而医生注射的每一剂毒素都是由84岁的埃德·尚茨配制的，他是威斯康星大学麦迪逊分校食品研究所的名誉教授和生物化学家。
由于各种肌张力障碍相对罕见——约翰逊引用一项研究估计其发病率为每百万人口391例——大型制药公司缺乏太多的利润动力来生产这种毒素。此外，正如约翰逊指出的，肉毒杆菌毒素的毒性是响尾蛇毒的六百万倍。许多制药公司出于员工安全原因不想沾手。再加上生产这种物质所需的精细工艺和复杂性，就不难理解为什么尚茨能够生产纯净而有效的毒素是如此不寻常，以及为什么他正在像酿酒师一样，将这种技艺传授给约翰逊。
约翰逊说，从书本上学习这个过程会非常困难。埃德教我如何做；他是大师。这真的很像酿酒。虽然所有的步骤都写下来了，但要做好它仍然需要一定的艺术，一种埃德多年来一直在改进的技术。埃德也是一个相当谦虚的人，但他独自为世界各地的科学研究提供了毒素，而且几乎不收取任何报酬。如果你阅读1950年至1980年的科学文献，他们都说他们是从埃德·尚茨那里获得他们的毒素的。
肉毒杆菌毒素需要匠人般的手艺，部分原因是它是一种非常复杂的分子。（例如，它的分子量大约是胰岛素的80倍。）它包含一种大的有毒蛋白质，以及一组较小的稳定蛋白质，这些蛋白质可以防止大蛋白质随时间化学变化并失去效力。这种致命毒素对细菌本身的益处从未被发现，尽管一些研究人员推测，通过杀死动物，细菌可能试图为它的后代提供一个良好的生存环境，因为它的后代只能在缺氧的环境中生长。罐头的内部也是一个滋养的环境，只要不承受过多的热量。这就解释了为什么当人们经常罐装自己的食物时，肉毒杆菌中毒曾很常见。现在大多数人从商店购买罐头食品，肉毒杆菌中毒已变得极其罕见，因为所有商业罐头制造商都会将产品加热到足以杀死肉毒杆菌孢子的温度。
毒素通过永久附着在神经末梢来发挥其致命作用。一旦肉毒杆菌分子就位，神经递质——传递神经信号的化学物质——就无法到达肌肉，肌肉会迅速变得虚弱，或者如果足够的神经被阻断，就会瘫痪。死于肉毒杆菌中毒的人通常是因为胸部肌肉瘫痪而窒息。那些从疾病中幸存下来的人，常常需要数周的呼吸机支持，并在数月内保持虚弱，直到新的神经末梢能够生长。
自早期以来，在实验室生产毒素的过程已经大大简化。当尚茨开始研究肉毒杆菌毒素时，他有一个普通大小的实验室来展开他的实验。但现在，他设法在比衣帽间大不了多少的组合式实验室-办公室里的小台面上，就能生产出所有用于研究的毒素。
尚茨是许多毒素种植和细菌饲养领域的专家——他是第一个纯化并描述赤潮贝类毒素化学结构的科学家——但肉毒杆菌毒素一直是他的专长。他几乎在50年前，也就是二战期间，在美国马里兰州德特里克堡服役时开始培养它，当时那里是美国生物战项目的所在地。
尚茨说，陆军情报部门曾表明存在肉毒杆菌和其他细菌可能被用来对付我军的危险。我被指派研究肉毒杆菌毒素是否可能被用作战争武器。
尚茨最初问题的答案是否定的。肉毒杆菌毒素不会是一种有效的战场武器，因为它一旦暴露在空气中就不再保持效力，尽管尚茨指出它仍然可以用于破坏活动（例如，用于不加热食用的食物中，或在小范围内用作气溶胶）。约翰逊还指出，在海湾战争期间，陆军一直在大量采购他们能找到的所有毒素。他说，他们非常担心可能以某种未知的方式使用肉毒杆菌的战争。他们正在储存并自己生产，希望能为部队开发免疫和抗血清。
二战后，尚茨作为一名平民继续在德特里克堡工作。1972年，他离开了政府部门，加入了食品研究所，食品研究所与德特里克堡有各种研究合作关系。当尚茨来到威斯康星大学时，肉毒杆菌毒素在肌张力障碍方面的应用已经成为他工作的重要组成部分。
尚茨说，这大约始于1968年。一位名叫艾伦·斯科特的外科医生联系了我，他一直在治疗斜视患者。
斜视，通常称为对眼，是由过度活跃的眼部肌肉引起的。技术上来说，它不是肌张力障碍的一种。但与肌张力障碍一样，斜视受累的神经会向肌肉传递过多的信号，导致肌肉收缩。斯科特第一次联系他时，尚茨说，常规治疗是手术：切除部分过度活跃的肌肉可以削弱它，使眼睛能够正确对齐。
斯科特问道，我研究的任何一种毒素是否可以使痉挛或过度活跃的肌肉失效，从而避免侵入性手术。
尚茨建议使用他已有的纯化结晶形式的肉毒杆菌毒素。他的理由是，肉毒杆菌毒素可以像削弱肉毒杆菌中毒患者的肌肉一样，削弱眼部肌肉。如果能够让一些神经“沉默”，肌肉就会放松。如果剂量得到仔细控制，注射针头精确瞄准，医生就可以精确地抵消疾病的影响，并恢复患者对肌肉的正常控制。
尚茨和斯科特开始合作，测试肉毒杆菌毒素对患有对眼（斯科特通过与他用于治疗人类斜视相同的手术诱发的）的猴子的效果。早期结果表明，这种治疗很可能有效。虽然效果不会持久——新的神经末梢最终会长出来——但斯科特认为这种治疗可以进行微调，提供显著的缓解。随着斯科特继续实验以确定最佳剂量和最佳注射靶点，尚茨则致力于使他的毒素生产程序符合美国食品药品监督管理局（FDA）关于用于人体的物质的规定。
尚茨说，大约在1978年，FDA批准斯科特可以对人类志愿者进行试验，因为事实证明该毒素在猴子身上效果很好。斯科特很快就将毒素样本寄给了全国各地的其他医生，他们将其用于许多自愿接受实验性治疗的斜视患者。斯科特还开始尝试将肉毒杆菌毒素作为一种治疗肌张力障碍的疾病——眼睑痉挛，这会导致无法控制的眨眼。
多年来，眼睑痉挛——与其他肌张力障碍一样——被大多数医生认为是心身性的，许多患者经历了许多错误的治疗和精神分析。尚茨说，讽刺的是，在多年来一直认为这种疾病是心身性的之后，将少量毒素注射到眼睑就治愈了它。医生们后来告诉我，他们的病人多么高兴，因为他们得到了以前无法治疗的疾病的缓解。
斯科特和其他医生逐渐扩大了他们的毒素治疗范围。慢性书写痉挛和音乐家痉挛（对小提琴家来说尤其严重）现在也作为肌张力障碍用肉毒杆菌毒素治疗（尽管书写痉挛患者首先被鼓励学习用另一只手写字）。咽肌痉挛，影响咽部肌肉导致声音极为嘶哑，以及 the spasmodic torticollis（一种尤其痛苦和令人衰弱的导致头部不受控制地移动的疾病），也都是如此。尽管取得了这些成功，直到1989年12月，FDA才终于宣布肉毒杆菌毒素的治疗用途不再是实验性的，而是成熟的医疗实践——即使如此，也只适用于两种疾病：眼睑痉挛和成人斜视。
一直以来，直到现在，每一剂肉毒杆菌毒素都是从FDA批准的1979年一次细菌收获中制备的。之所以能从一次批次中获得如此大的产量，是因为该毒素的效力非常高，有效剂量通常约为百万分之一毫克。（人类的致死剂量约为万分之一毫克。）尚茨可以从三加仑（约11升）的活力旺盛的细菌中，在生物化学和家庭酿酒中常用的玻璃罐（carboy）中，生产出多达60毫克。
尚茨和约翰逊首先将一些产气荚膜梭菌细胞放入由葡萄糖、消化乳蛋白和啤酒酵母提取物混合而成的培养基中。由于细菌没有与其他微生物竞争，它们可以迅速繁殖，在18到24小时内将培养基变成浑浊的棕色。
约翰逊说，这种细菌有一种有趣的自然生命周期。它会产生一个孢子，这种孢子在全球的水和土壤中都有分布。如果你取世界各地的土壤样本，你会发现10%到30%的样本中自然存在这种孢子。当孢子进入食物并且条件合适时——这些条件包括50华氏度（约10摄氏度）以上的温度、一定的酸度水平和缺氧——它就会长成一种杆状细菌。然后它有一个选择；它要么产生更多的孢子，要么在营养物质变得有限时，经历我们认为是的大规模裂解，或细胞自杀。当我们制造毒素时，当培养基变得浑浊到无法看透时，它就会溶解自己的细胞壁，原因我们不明白。这时，毒素就会从细胞中释放出来。然后培养基会变清，你就能看透它了。
在实验室里，培养细菌并生产含有肉毒杆菌毒素的清澈液体大约需要三天时间。但接下来的步骤相当复杂。
尚茨说，一旦毒素溶解在液体中，我们就必须将其分离出来。我们通过一种叫做沉淀的过程来做到这一点。将硫酸添加到溶液中；较高的酸度使毒素不溶，并以一种浑浊混合物形式沉淀出来。
浑浊物含有肉毒杆菌毒素以及细菌产生的其他物质。虽然浑浊物作为毒药效果很好，但将如此不纯的物质注射到肌张力障碍患者体内是不明智的。因此，纯化过程会重复进行。将浑浊物重新溶解在盐溶液中，再次用酸沉淀，然后重新溶解并再次沉淀，这次使用在-5摄氏度的条件下用酒精进行。
每次溶解和沉淀，一些不需要的细菌产物会留在溶液中，而沉淀物会越来越接近纯毒素。最后一步是重新溶解溶液并加入硫酸铵。这会导致肉毒杆菌结晶成微小的、玻璃状的针状物，这些针状物由非常纯净的毒素组成。
这样的描述并不能涵盖过程的复杂性，但更技术性的描述也做不到。与许多其他生物学过程一样，其中酿酒是一个例子，它在很大程度上是触觉和经验与技术知识相结合的结果。结晶步骤尤其精细，这也是尚茨和约翰逊的艺术发挥作用的地方。
尚茨说，很多事情都需要判断。你必须加入足够的硫酸铵，这样毒素就不会沉淀出来。有时你会看到一点点浑浊，然后你必须将其冷藏几天，等待晶体形成。但你必须知道何时添加硫酸铵以及应该有多少浑浊。否则你就得不到纯净的晶体。
尚茨和约翰逊不使用色谱柱或自动化化学反应器等现代技术，这些技术理论上可以使过程更容易。在色谱柱中，化学物质被引入，并通过与分子结合然后——理论上——释放它们的树脂分离出来。
约翰逊说，使用色谱柱有将树脂痕迹混入毒素的风险，而且你还会失去那些保持毒素效力的稳定蛋白质。沉淀法可以避免这些问题。这是世界上几乎只有我们仍在使用的程序；它被认为是过时的，不流行。
英国人正在使用酶和色谱柱来生产肉毒杆菌毒素产品，但我们认为质量不如我们；已经有一些副作用。当然，我们也在主观评价。一位蛋白质化学家可能会说现代技术同样有效；但我们所知道的是，我们制造的迄今为止效果最好。
尚茨和约翰逊使用的技术非常普遍，以至于可以在厨房里即兴完成。约翰逊说，你自己也可以制造这种毒素。但要保持培养物的高毒性和纯化过程中的毒素特性，这是你需要花很多年才能掌握的。
1979年生产的批次于1990年被Allergan制药公司收购，此前Allergan收购了Oculinum公司，这是一家由斯科特创立的小公司。约翰逊指出，Allergan就像捡到了便宜，因为他们购买了一种药物，而无需投入大多数药物研发所需多年的开发和高昂的研究成本。
尚茨和约翰逊在短期内不必担心为医疗用途生产更多毒素。1979年的批次预计还能维持大约五年。但他们不断为研究生产毒素。神经科医生和其他研究人员需要它来开发其他疾病（非肌张力障碍）的治疗方法；一种可能的用途可能是在治疗与脑瘫和多发性硬化症相关的肌肉痉挛方面。（约翰逊指出，一项对12名脑瘫患儿进行的持续临床试验显示出希望。）去年五月，哥伦比亚大学的神经科医生米切尔·布林报告称在治疗严重口吃患者方面取得了一些初步成功；他将毒素注射到他们的声带中。如果他的方法在进一步测试中被证明有效，它可能会为大约250万美国人带来缓解。
因此，尚茨和约翰逊的工作台上将继续有一两个装着浑浊棕色肉毒杆菌培养液的小烧瓶，或者可能是毒素生产后期阶段的清澈溶液。食品研究所仍然不得不询问某些潜在员工，是否愿意作为其工作的一部分接种肉毒杆菌免疫。这并非一个特别复杂的过程——在三个月内向新实验室工作人员注射三剂肉毒杆菌毒素——尽管这确实会劝退许多人。
但研究人员说，要看到光明的一面。你将能够吃鼓起的罐头食品。
