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为什么不同的染料会被特定种类的细菌所吸收呢？这一问题激起了保罗·埃尔利希的研究兴趣。但是原始的研究仪器能力有限，无法制订出科学的研究方案。然而，埃尔利希表现出天才所具有的敏锐洞察力，他的思维向前跳跃了几步，考虑是否可以通过某种操作使染色材料并非只是给玻片上色，而是能够杀死细菌。如果染料可以识别目标并依附在特定一类细菌上，那么新锐的科学家能把染料变成对付细菌的武器，也就不足为奇了。
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1907年，埃尔利希来到伦敦，在英国皇家公共卫生研究院举办了一场禁得起时间考验的讲座。他梦想有朝一日能够出现一种“靶向药物，可以在不伤害传染病宿主的情况下，攻击导致疾病的微生物”。[3] 在研究者最终证实病菌存在的不过几十年后，埃尔利希便构想出了如同“魔弹”般的化合物。1854年霍乱暴发期间，约翰·斯诺的流行病学研究是革命性的；50多年后，埃尔利希回到当初被腹泻淹没的伦敦街区，在演讲中提出了“魔弹”。
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保罗·埃尔利希去伦敦时，他已经开始了探寻“魔弹”的旅程。德米特里·门捷列夫的元素周期表获得关注，同时人们逐渐理解了原子如何结合在一起形成复杂的分子，现代化学由此全面繁荣发展。对埃尔利希这类极富洞察力的研究者来说，简单化合物的奥秘在20世纪初已在逐渐解开。作为组织染色技术的奠基人之一，他开始研究亚甲蓝、刚果红和茜素黄等偶氮染料（Azo dye），在化学领域寻求突破性进展，也就不足为奇了。从19世纪80年代中期开始，埃尔利希就将偶氮染料看作潜在的治疗剂并进行实验，虽然他会无意地把病人的眼睛和尿液变成各种五花八门的颜色，但是他和实验室的同事们找到了对疟疾产生有效反应的方法。
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偶氮染料即苯胺衍生物，比如威廉·珀金在1856年发现的苯胺紫，它们的化学结构十分稳定，不易发生变化。埃尔利希及其研究小组希望能够找到另一种物质，行为上与染料相同，具有容易与特定细菌结合的性质，但是它的化学结构要相对不稳定，更方便实验室操作。埃尔利希知道有一种名为“阿托克西耳”（atoxyl，氨基苯胂酸钠）的化合物能够杀死锥虫（可以引发非洲睡眠病等疾病的单细胞寄生虫）。他对这种化合物特别感兴趣，而当他发现它是一种化学结构不稳定的含砷分子，而不是苯胺类染料时，这种兴趣就更加强烈了。
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于是试验开始了。1907年，埃尔利希与他的同事阿尔弗雷德·贝特海姆（Alfred Bertheim）和秦佐八郎开始从化学结构上对阿托克西耳进行修改。他们拼命地工作，一点一点地改变分子结构，然后对不同的变体再进一步修改，以此为基础生成了一套编号系统。4号化合物的第18个变体（编号418）可以有效缓解睡眠病，但是秦在实验室里发现它会导致一些动物失明，因此放弃了这种药物。到1910年夏天，尽管实验过程非常原始，但是编号606的化合物通过了试验。6号化合物的第6个变体（即砷凡纳明）对实验室动物身上的各种疾病都有明显效果，包括梅毒。[4]
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在1495年探险者将梅毒从新大陆带回欧洲以前，欧洲可能并不存在梅毒。从那时起，梅毒在整个欧洲大陆肆虐了400年，恐怖的症状缓慢地蔓延着——水疱、睾丸疼痛、咽喉痛、凸起性皮疹以及梅毒晚期出现的面部畸形和颅内感染。由于没有有效的治疗方法，人类对这种螺旋菌毫无抵抗能力。直到606号化合物出现。
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1910年，法兰克福地区的德国化学公司赫斯特开始在市场上出售606号化合物，商品名为“洒尔佛散”（Salvarsan）。保罗·埃尔利希经过反复实验创造出来的这种分子，一半是染料，一半是毒药。具有染料作用的砷凡纳明与梅毒病原体的表面相结合，而砷酸盐部分可以将它杀死。由此，他研发出世界上第一种人工合成的化学治疗剂。此外埃尔利希还创造了“化学治疗”这个术语。
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洒尔佛散迅速成为世界上最常用的处方药，人们希望它可以广泛应用于许多不同类型的细菌。遗憾的是，洒尔佛散及改良后的新洒尔佛散（Neosalvarsan）在微生物世界中的治疗范围很窄。再加上它具有明显的副作用，其效益非常一般。更重要的是，洒尔佛散的研发方向是错误的，因为未来所有的抗生素，从磺胺类药物开始，都是从自然中搜集而来的“天然”分子，它们来自真菌或者细菌，而不是由染料或其他简单化学分子人工合成的。制药公司通过精密的化学工程探寻新的抗生素时，其研究基础是生物自然产生的化学物质。
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1914—1918年的第一次世界大战采用的作战方法极为恐怖。尽管战争带来了可观的医学进步，但是德国制药业的运转也出现了暂时性中断。德国各地大学中严谨的学术研究项目、德国人勤勉的传统美德以及令欧洲邻国羡慕不已的持续资金支持，共同推动了德国的生物化学革命。[5] “一战”后，德国的化学染料企业大规模地合并，有力地调动了化学、农业和医药领域的制造企业。拜耳、爱克发、巴斯夫以及赫斯特等人们耳熟能详的企业在1925年合并为法本公司（IG Farben），成为世界上最大的化学公司。[6] 日后人们会看到，德国化学企业在第二次世界大战中参与的工作更加残忍也更具破坏性。
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在第二次世界大战来临前的几年中，德国人对化学领域的创新追求，使化肥研发取得了巨大突破，即使在今天，化肥仍然为世界上占半数的农作物做出贡献。[7] 由亨利·福特开发的流水线生产方式是20世纪初又一次工业革命浪潮的基础，然而，德国的研究机器并没有致力于生产汽车，而是利用大规模生产组织来攻克科学难题。各种具有治疗前景的化学合成物得到了大规模的规范检测，大量针对不同细菌的潜在药物就此被筛选出来，这个过程就好比一场“利用科学的群体劳动进行的无穷组合游戏”。[8]
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保罗·埃尔利希身为组织染色之父，也是免疫学之父，首先理解了抗体的存在。他同时还是化学疗法之父。他在1915年第一次世界大战初期去世。战时制药产业中断，再加上这位高瞻远瞩的领导者去世后留下空白，导致化学疗法的探索停滞不前。1925年，法本公司成立；1927年，格哈德·多马克（1895—1964年）来到拜耳公司——这将为寻找真正的抗菌药物提供强有力的支撑。“如果说埃尔利希为了找到抗梅毒的治疗方法而试验了数十种不同的处方，那么拜耳将会尝试数百种乃至数千种处方。”[9] 就在石油化工即将诞生之时，拜耳公司的化学家们开始从煤焦油中制造出数千种化合物（煤焦油这种浓稠的液体是用煤生产焦炭和煤气时的副产品）。
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多马克不仅是一名病理学家和细菌学家，还在“一战”中负过伤，这让他特别了解微生物敌人，极大地帮助他建立起细菌实验框架。他由此发现了毒性极强的“链球菌”（Streptococci ）。链球菌是一种革兰氏阳性球菌，接连成扭曲的锁链形状。这种病原体以造成咽喉感染、肺炎、脑膜炎以及坏死性筋膜炎而闻名，它是一种理想的试验菌，因为它不仅十分常见，而且还能以可怖的效率杀死实验室动物。多马克与他的著名德国前辈罗伯特·科赫一样，故意使实验室小白鼠感染上试验菌。在研究项目刚开始的几年中，成千上万的患病小白鼠死亡，尽管多马克给它们注射了拜耳的化学家研制的各式各样的煤焦油衍生物，但还是抵挡不住链球菌的杀伤力。
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科学是一场艰难的跋涉，科学家们继续从化学结构上对偶氮染料类化合物进行修改，先添加氯原子，然后是砷，之后是碘。经年累月的挫败和无望需要坚韧不拔的毅力来克服，这或许是一场持久战。然而在1932年，当研究小组开始将偶氮染料与一种磺胺类分子连接在一起，他们终于实现了突破。多马克多年的实践方案所产生的结果毫无二致：向老鼠腹部注入培养出来的活性链球菌后，老鼠在1—2天内死亡。1932年底，转折点出现了。在德国杜塞尔多夫市郊，研究人员为12只老鼠注射了致命细菌后，试用了一种新药，一种与磺胺混合的偶氮染料。还有14只老鼠同时被注射了相同的细菌，但没有使用任何药物。几天之内，对照组的14只老鼠全部死亡，而注射了新型化合物KL-730的12只老鼠都还活着。拜耳的科学家们在成堆的老鼠尸体中顽强前行，终于在1932年制造出世界的第一颗抗菌“魔弹”。
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拜耳公司认为，由于偶氮染料与磺胺的独特结合，KL 730可以有效地对抗细菌，他们将这一新药起名为“百浪多息”（Prontosil）。只可惜他们错了。德国人从未对磺胺进行过单独试验。巴黎巴斯德研究所的一队法国科学家用各种磺胺类药物对40只老鼠反复进行同一试验，其中一组就是用不含偶氮染料的磺胺进行单独试验。
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几天后，巴黎研究小组对试验动物的反应进行了评估。用新型偶氮-磺胺组合药物治疗的老鼠几乎都死亡了，而所有以百浪多息、鲁比阿唑（Rubiazol）以及磺胺本身 进行治疗的老鼠都活着。拜耳公司的科学家们尽心尽力地保护着自己对百浪多息的专利权，认为它肯定意味着财源滚滚，但是他们从未想过可能是磺胺本身征服了病菌。巴斯德研究所的科学家们发现了这一点，而几乎在同一时间，拜耳的研究小组也同样发掘出这个令人醒悟的事实。尽管对于人类而言，这是一个激动人心的历史性时刻，但是对于拜耳来说，这是一场财务灾难。磺胺分子早就于1908年由维也纳化学家保罗·杰尔莫（Paul Gelmo）发现，并且他取得了专利，在1932年已经属于知识公有领域。金矿就这样在他们眼前蒸发了。
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不过，磺胺类药物还是为拜耳带来了利润。他们在世界范围内推广百浪多息的销售，哪怕他们已经意识到磺胺本身才是有效的试剂，不需要偶氮染料。这也解释了为什么百浪多息仅在体内有效，而在体外无效。在充满细菌的试管中，百浪多息不对细菌构成任何威胁。只有动物体内才有将染料与磺胺分离的酶。如果试验只在试管中进行，而没有在动物中进行，那么百浪多息试验必然会失败。正是百浪多息以及其他一些药物让早期的制药企业意识到，前体药物（pro-drug）确实存在。前体药物有时是一种十分理想的药物，它按照一定目的特意加工制成，因此可以经过消化，在参与体内血液循环时转变为活性代谢物。
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百浪多息及其他磺胺类药物于1935年涌入国际市场，效果可谓立竿见影。“几乎在一夜之间，［化脓性链球菌造成的］产褥热死亡率从20%~30%下降至4.7%。”[10] 欧洲和美国的医生们都使用起这种新药，而美国公众在1936年一下子认识了新型磺胺类药物。那时还在哈佛大学读本科的小富兰克林·德拉诺·罗斯福感染了由链球菌导致的喉炎，严重程度危及生命，波士顿的医生们使用新型“魔弹”挽救了他的生命，这一治疗过程也促使美国迈向了现代世界。《纽约时报》在头版对这个消息大加宣传，点燃了全美各地的“磺胺热潮”，甚至有患者向医生点名要求使用这种全新的灵丹妙药。自抗生素革命之初，过度用药就诱惑着人们。
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世界即将进入第二场大规模战争，欧洲对合成化学治疗分子的探索也全面启动。化学家们痴迷于对化学药品的随意组合试验，坚信在细菌这个敌人面前，新型人造微粒能够以智取胜。尽管现代制药业能够创造出全新的化学药品以降低血压、增加血液流量以及改变胆固醇水平，但抗生素源于大自然，而不是科学家的想法。当时的化学家们并不知道，在此数年之前，磺胺类药物还未应用于临床时，伦敦的一个意外发现已经展开了未来医疗服务的前景。
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亚历山大·弗莱明是一名年轻的苏格兰医生，在伦敦的圣玛丽医院工作。虽然他接受了内科医师和外科医生培训，但在实验室研究方面的天赋最终使他成为一位细菌学家。1906年，身材瘦小的弗莱明加入了圣玛丽医院的接种科，不久后，他便将注意力转向保罗·埃尔利希的药物洒尔佛散。
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细菌研究工作者一直遵循着罗伯特·科赫开创的先例，即在适宜的培育环境下，通过培养皿中生长的菌落来研究微生物的生命及敏感性。弗莱明和他的同事们主要研究葡萄球菌和链球菌等，对细菌进行培养并评估改变菌落形成的条件。1922年，弗莱明和一名实验室助手正在整理接种了细菌的培养皿，这时，他们注意到一种奇怪的生长模式。通常来说，菌落会在整个培养皿中广泛地生长；而弗莱明注意到，在这个培养皿中，有一块没有菌群的空白区域。弗莱明刚刚从重感冒中恢复过来，这时他想起来，几天前自己的鼻涕滴到了培养皿上，于是便推测鼻涕以某种方式阻碍了细菌的生长。这位性格腼腆、沉默寡言的研究员推断，鼻涕中肯定含有某种具有抑制力的物质，他称之为“溶菌酶”（lysozyme）。这是历史上第一次发现以抗菌性为特征的纯有机物。
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溶菌酶使弗莱明着了迷，不过对它的研究钻进了死胡同。研究者迟早能够发现溶菌酶是如何起到削弱细菌细胞壁作用的，但溶菌酶更重要的意义是，弗莱明发现了一种能够抑制或者杀死细菌的分子，这为他在1928年取得革命性的观察成果做好了准备。
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1928年，夏去秋来之际，亚历山大·弗莱明从海边度假后返回伦敦，来到圣玛丽医院的小实验室。这间实验室保存至今，用以纪念弗莱明和他在1928年9月3日的重大发现。实验室的桌面上摞着一堆培养皿，其中有一个从高处掉了下来，盖子都没了。他漫不经心地看了一眼那个培养皿，似乎感觉哪里不对，目光很快又回到它的身上。他发现培养皿上覆盖着许多葡萄球菌圆点，但是边缘的一大片白色霉菌限制了葡萄球菌的蔓延。他认出这一生长模式与自己五年多前所见过的模式非常相似，霉斑周围有一条环形带，仿佛一片非武装地区，没有菌落，也没有真菌。
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弗莱明自言自语地轻声说道：“这太奇怪了。”
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几千年来，人类一直在不明原理的情况下用霉菌酿造葡萄酒和啤酒，用细菌制造奶酪。距离弗莱明的发现不到100年前，路易·巴斯德解开了发酵的谜题；不到50年前，科赫证明细菌是真实存在的。弗莱明在5年多前已经推断，来自人体分泌物中的溶菌酶仍然保有抗菌特性。现在，在普雷德街上的这间小实验室里，他逐渐形成一个想法：霉菌本身可以产生一种对葡萄球菌致命的物质。
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这种霉菌叫什么名字呢？青霉菌。（请看仔细，不是“青霉素”。）
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