微侃醫林 132: DNA 雙螺旋的發現 (上)

來源: 並州客 2023-09-24 11:37:07 [] [博客] [舊帖] [給我悄悄話] 本文已被閱讀: 次 (28719 bytes)

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DNA 雙螺旋

諾貝爾生理醫學獎中,DNA雙螺旋的發現和發現者,大概最具戲劇性,得來似乎最不費工夫。

20世紀20 年代以後,已經知道細胞核內有遺傳物質染色體,染色體由蛋白質和DNA組成。普遍認為蛋白質是遺傳物質,因為蛋白質多種多樣,結構複雜。 而DNA隻有核糖、磷酸和四個堿基。太簡單,不可能是遺傳物質。

1944年,醫生、早期分子生物學家、免疫化學前驅Oswald Theodore Avery Jr. (10/21/1877 – 02/20/1955) 證明DNA才是遺傳物質。他把染色體從一種細菌移植到另一種細菌內。移植前一組先用蛋白酶破壞蛋白質,另一組用DNA酶破壞DNA。結果是蛋白質破壞,被移植的細菌仍然具有第一種細菌的特性。破壞了DNA 則沒有。即使有這個研究,很多人仍然相信蛋白質是遺傳物質。

1952年9月,細菌學家、遺傳學家Alfred Hershey和他的助手遺傳學家Martha Chase證明DNA是遺傳物質。他們的實驗(Hershey–Chase experiment)用放射性同位素硫-35標誌噬菌體蛋白質,用放射性同位素磷-32標記DNA,結果發現是DNA而非蛋白質進入細菌細胞。Alfred Hershey因為這個研究於1969年獲得諾貝爾生理醫學獎。

研究分子包括蛋白質,DNA結構,分子立體結構,顯微鏡沒用,電子顯微鏡也沒用。因為原子太小。20世紀20 年代開始用X射線晶體衍射術( X ray Crystallography) 研究分子結構。方法是先把分子變成晶體,用X射線照射。分子裏的原子折射X 射線,形成衍射圖像。再計算出原子直接和相互位置。 X射線晶體衍射術加計算不會直接顯示分子結構,科學家的得會分析思考加想象。

20世紀40末期到60年代,是分子生物學、遺傳學全麵突破的年代。這個領域裏群星閃耀,科學家們相互交流、相互合作、相互競爭。

1951年 9月,劍橋大學的卡文迪什實驗室(Cavendish Laboratory)來了一個23歲的小夥子, 詹姆斯·沃森(James Dewey Watson  04/06/1928- )。

卡文迪什實驗室大門(維基)

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劍橋大學物理學院卡文迪什實驗室赫赫有名。建立於1874年。實驗室的研究領域包括物理、物理化學、核物理和生物學。截至2019年,這裏出了30個諾貝獎獲得者,獲獎領域包括物理、化學和醫學/生理。獲獎者包括歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford),1908年獲物理獎。當時(1951年)實驗室的老板是勞倫斯·布拉格(Lawrence Bragg)。 布拉格1915年25歲時,獲諾貝爾物理獎。當時實驗室主要項目之一,是用X射線晶體衍射術研究分子結構。

 

 

 

 

 

3詹姆斯·沃森看起來老實巴交。他從小喜歡鳥類,15 歲獲獎學金進芝加哥大學,學習鳥類。但讀了埃爾文·薛定諤 (Erwin Schrödinger) 《生命是什麽》後,他興趣改變,要學習研究遺傳。47年畢業後,到印地安納大學讀博士,研究病毒。導師薩爾瓦多·愛德華·盧裏亞(Salvador Edward Luria)是意大利裔微生物學家,1969年,他與馬克斯·德爾布呂克(Max Delbrück)和阿爾弗雷德·赫爾希(Alfred Hershey)因對病毒複製機製和遺傳結構的發現,獲得諾貝爾生理學/醫學獎。

1950年9月博士畢業後,沃森被導師推薦到哥本哈根大學作博士後,在生化學家赫爾曼·卡爾卡 (Herman Kalckar) 手下研究核酸代謝。他幹了一陣,不感興趣,看不出這種研究和基因有什麽關係。很快,他溜到病毒學家/遺傳學家奧勒·馬勒 (Ole Maaløe) 那裏作病毒實驗。老板卡爾卡當時正在離婚過程中,好像不在意沃森三天打魚兩天曬網。不像現在很多實驗室老板,就靠博士後幹活,把博士後盯得幫緊。

1951 年 5 月,沃森跟著卡爾卡到意大利那不勒斯參加一個研討會。這種研討會基本上是公費旅遊,但誰知道會有什麽意外收獲。英國倫敦國王學院(King’s College)的物理學家莫裏斯·威爾金斯 (Maurice Wilkins) 是發言者之一。除了沃森外,沒有幾個人對威爾金斯的發言感興趣。威爾金斯展示了DNA 的X 射線衍射圖。他說:“如果我們知道DNA 的結構,我們就可能更好地理解基因如何發揮作用。”

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莫裏斯·威爾金斯 (Maurice Wilkins 12/15/ 1916 – 10/05/2004) 維基

威爾金斯的講座讓沃森大開腦竅。他決心再次跳槽,到威爾金斯那裏去作DNA研究。但是威爾金斯反應冷淡,對他姐姐倒是熱情。沃森又找博導盧裏亞幫忙,推薦他到劍橋卡文迪什實驗室(Cavendish Laboratory)分子生物學家馬克斯·佩魯茨(Max Perutz)手下幹活。佩魯茨出生於奧地利,1936 年來到英國。十多年來,他一直用X 射線衍射研究血紅蛋白晶體。大老板布拉格對他寄予厚望,大力支持。1962年,佩魯茨和同事約翰·肯德魯(John Kendrew)年因為他們對血紅蛋白及肌紅蛋白結構的研究,獲諾貝爾化學獎。

大大咧咧的美國佬沃森到了劍橋,最初住在一對英國夫婦家樓上。不到一個月,就被房東太太踢出去。因為他晚上9點鍾進門不脫鞋,10點以後還要出門,有時候晚上還要衝座便器。 種種不軌行為,影響房東睡覺。

雖然對DNA、遺傳感興趣,沃森直到那時,對X 射線晶體衍射學一無所知。他善於想象分析,好交往,但是沒有多少耐心在實驗室賣苦力。沃森一來到卡文迪什實驗室,就遇上知音,在佩魯茨手下讀博士的嘴皮大師弗朗西斯·克裏克(Francis  Crick) 。

弗朗西斯·克裏克 (06/08/1916-07/24/2004) 到那時為止,不像是能得諾貝爾獎的人。35歲了,博士都還沒有畢業。

5克裏克(左)和 沃森 (右) 

克裏克二戰前想進劍橋沒成功,據說是拉丁文不過關。進了倫敦大學讀本科。二戰爆發,他沒有上前線,在實驗室幫助發展磁性水雷。話太多讓人討厭。二戰後再讀博士。克裏克具有數學頭腦, 善於建立數學模型公式,善於推理。能把X射線衍射結果換算成結構。他和沃森一樣,作實驗也不怎麽樣。也是讀了埃爾文·薛定諤 (Erwin Schrödinger) 《生命是什麽》後,改變專業,從物理跳到生物,特別是基因的研究。

不過, 沃森到劍橋前,克裏克並沒有全力投入DNA的研究。他在佩魯茨那裏幹了2年,剛開始進入蛋白質研究領域。卡文迪什實驗室對DNA的興趣並不大。要建立一個DNA研究團隊,配置研究設備,至少得兩三年時間。

克裏克興趣廣泛,門門懂。 不在自己實驗室老老實實幹活,經常竄到其它實驗室看別人做實驗。同事還沒有意識到結果有什麽意義,或者如何解釋,他那張大嘴巴就說了出來,另外加上一串建議。 最後說他的聰明想法將推動科學的進展。對於他的幫助,同事並不欣賞。同事一方麵向他請教,一方麵嫌他話太多。有的同事還感到他是一個威脅,被他比下去了。大老板布拉格也不喜歡他,大嗓門沒完沒了,吵得耳朵嗡嗡響。 搬到另外一個辦公室,離他遠一點。一次吵架後,威脅一旦他PhD 畢業,不會給他在實驗室提供工作。布拉格並不相信克裏克有多聰明。 35歲了,還沒有拿出一點像樣的東西,會有多聰明?

沃森和克裏克,兩張大嘴巴,兩個不循規蹈矩的腦袋,都對DNA 感興趣。相差12歲,相見恨晚。

研究DNA 結構,隻能靠X 射線晶體衍射。沃森對X 射線晶體衍射幾乎一竅不通。克裏克具有理論知識,但是他不懂技術,沒有實際操作經驗,也沒有條件作X射線晶體衍射實驗。克裏克的朋友,沃森的引路人,威爾金斯是X射線晶體衍射學專家。

威爾金斯是新西蘭物理學家,二戰時參加曼哈頓工程。二戰後來到倫敦國王大學,專攻DNA晶體X射線衍射研究。沃森到劍橋時,威爾金斯已經用X 射線衍射研究了DNA幾年。1950年5月,在一個學術會議上,瑞士科學家魯道夫·西格納 送給威爾金斯及幾個研究人員一批他提取的小牛胸腺DNA。威爾金斯發現,可以用這種濃縮 DNA產出細線,然後用這種細線作出高度有序的DNA陣列X射線衍射圖像。

在英國,DNA晶體X射線衍射研究就是威爾金斯自家的兩畝三分地。 不過,他對DNA似乎沒那麽癡迷。他對DNA的研究和闡述,都是溫吞水。

威爾金斯很快就有了危機感。1951年1月,他的兩畝三分地被他人踏足,他的實驗室來了一個學霸。

image.png新西蘭老家威爾金斯紀念碑(維基)。這個雙螺旋好像不倫不類。

學霸羅莎琳德·富蘭克林(Rosalind  Franklin 07/25/1920—04/16/1958)是猶太人,父親是英國的銀行家。本人少年老成,從小就愛學習愛思考,愛嚴肅。1938開始學習X射線晶體衍射術。1941年在劍橋畢業,以後又讀物理化學博士。1947年,已經是X射線晶體衍射術行家。她在法國巴黎的一個政府實驗室作研究,發表了幾篇關於煤和煤化合物的 X射線晶體學論文。1951年1月,她被聘請到倫敦國王大學, 主攻DNA。

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8富蘭克林

喜歡評頭品足的沃森對富蘭克林有一段描述:僅僅看她一眼,就知道她不會輕易屈服。她選擇性地不強調自己的女性特征。雖然她五官堅強,如果她對自己的衣服稍微有點興趣,她並不缺少吸引力,甚至會讓人吃驚。但是她沒有這麽作。她從來不塗口紅,好與她直直的黑發形成對比。31歲了,她的衣服隻顯示了穿著藍色長襪的十幾歲女孩的想象力。第二張照片似乎支持沃森的評論。

富蘭克林一來到威爾金斯的實驗室,兩個人就不對勁。原因很多,如個性,如女性的地位。此外, 兩人的頂頭上司,蘭德爾教授 (J.T.Randall)交流不清,使兩人角色不明是重要的原因。威爾金斯以為富蘭克林是來給他當助手。而富蘭克林一來就拿到DNA標本,認為是讓她自己獨立研究,不是當威爾金斯的助手。

富蘭克林來的時候,威爾金斯剛好出差一個月。他回來後,發現實驗室被富蘭克林改變了。他的博士生雷蒙德·高斯林(Raymond Gosling), 也成了富蘭克林的跟班。兩個人大概吵了幾陣,威爾金斯敗陣。

以後,兩人各做各的實驗, 富蘭克林作的更多。威爾金斯還把所有結晶DNA都給了富蘭克林。 她發現含水高和含水低的DNA纖維, 產生的衍射圖案不同,表明濕DNA和幹DNA三維構象不同。富蘭克林後來將較幹的DNA構象定義為A型 DNA,將較濕的DNA 構象定義為 B型DNA。這種分型一直持續到2018年。

4個人,小時候都表現出對生物、實驗和研究的興趣,都受到父母的鼓勵和支持。他們上大學、讀博士、改變興趣、跳槽、作研究。雖然有波折,不總是如願以償,但基本上有一個幫助他們發展,至少是容忍他們發展的環境。

我想到中國的應試教育,可以說從小就扼殺了個人興趣。可以培養出五分加綿羊, 但是很少出這種創造性的人才。我想起我從小學,一直到高中畢業,沒有什麽學習的壓力。大部分時間都在亂找書讀,還有一些莫名其妙,自己都搞不懂的爭論。幾個知青,麵黃肌瘦,衣服破破爛爛,飯都吃不飽,還在討論於連的命運。這種亂七八糟的年代,自然是禍,禍中又得了一點福。

加州還有一個大人物,萊納斯·卡爾·鮑林(Linus Carl Pauling 02/28/1901 – 08/19/1994)。化學家、生化學家、化學工程師、左派。 1950年5月,鮑林在學術會議上介紹了他研究蛋白質結構的成果。1951年4月, 鮑林發表了他關於蛋白質結構α螺旋的文章。他認為DNA 也應該是螺旋結構。鮑林曾經給威爾金斯寫過一封信,要他提供一份結晶DNA X射線衍射照片的拷貝。威爾金斯找借口拒絕。

鮑林的文章給沃森啟發。 他認為鮑林發現蛋白質結構α螺旋,靠的是常識,依靠簡單的結構化學定律, 而不是複雜的公式。沃森認為DNA也是螺旋結構。 他要以同樣的方式,來解析DNA。鮑林也讓沃森、克裏克有危機感。如果他們不抓緊,鮑林很可能會搶在他們前麵,發現DNA的結構。即使他們抓緊,具有雄厚知識,實驗積累,財力物力的鮑林,也可能首先突破。

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西人的好奇心和專研精神令人欽佩 -晨思- 給 晨思 發送悄悄話 晨思 的博客首頁 (0 bytes) () 09/24/2023 postreply 12:56:00

Interesting story! Watson一門心思要得諾獎,真成了 -iMe- 給 iMe 發送悄悄話 (0 bytes) () 09/25/2023 postreply 12:54:15

實驗是Rosalind做的包括那著名的X衍射圖像,W&C解釋結果。他們的困難在聽到Shargoff堿基成分研究後豁然開朗 -無言無語無聲- 給 無言無語無聲 發送悄悄話 (166 bytes) () 09/25/2023 postreply 13:35:08

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