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转: DNA和发现者们

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发表于 2015-6-17 22:45:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 网站编辑 于 2015-6-17 22:46 编辑

    我父亲搬到北京中关村后,我那时还在上大学。周末回来总见到街头立着个DNA螺旋体模型。我是个科盲,对脱氧核糖核酸的破译的意义一无所知。知道其一点点皮毛后知晓,那玩意儿处于一个极其微观的世界里,肉眼无法看到,是细胞核里的什么“精怪”;富有灵感的科学家们用普通人难以懂得的技术将其显现出来;中关村大街上的DNA螺旋体模型就是那模模糊糊有关照片上的影子。
………………………………………………………………
    1953年,沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构,开启了分子生物学时代,使遗传的研究深入到分子层次,“生命之谜”被打开,人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。在以后的近50年里,分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科如雨后春笋般出现,一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰的阐明,DNA重组技术更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景。

             “大嘴巴”沃森   

    1953年2月,沃森、克里克通过维尔金斯看到了富兰克林在1951年11月拍摄的一张十分漂亮的DNA晶体X射线衍射照片,这一下激发了他们的灵感。他们不仅确认了DNA一定是螺旋结构,而且分析得出了螺旋参数。他们采用了富兰克琳和威尔金斯的判断,并加以补充:磷酸根在螺旋的外侧构成两条多核苷酸链的骨架,方向相反;碱基在螺旋内侧,两两对应。一连几天,沃森、克里克在他们的办公室里兴高采烈地用铁皮和铁丝搭建着模型。1953年2月28日,第一个DNA双螺旋结构的分子模型终于诞生了。
    双螺旋模型的意义,不仅意味着探明了DNA分子的结构,更重要的是它还提示了DNA的复制机制。那两条链的碱基顺序是彼此互补的。克里克从一开始就坚持要求在发表的论文中加上“DNA的特定配对原则,立即使人联想到遗传物质可能有的复制机制”这句话。他认为,如果没有这句话,将意味着他与沃森“缺乏洞察力,以致不能看出这一点来”。
    罗莎琳·富兰克林(Rosalind Franklin 1920~1958)拍摄到的DNA晶体照片,为双螺旋结构的建立起到了决定性作用。但“科学玫瑰”没等到分享荣耀,在研究成果被承认之前就已凋谢(因病去世)。Franklin生于伦敦一个富有的犹太人家庭,15岁就立志要当科学家,但父亲并不支持她这样做。她早年毕业于剑桥大学,专业是物理化学。1945年,当获得博士学位之后,她前往法国学习X射线衍射技术。她深受法国同事的喜爱,有人评价她“从来没有见到法语讲得这么好的外国人。”
    1951年,她回到英国,在剑桥大学国王学院取得了一个职位。那时人们已经知道了脱氧核糖核酸(DNA)可能是遗传物质,但是对于DNA的结构,以及它如何在生命活动中发挥作用的机制还不甚了解。就在这时,Franklin加入了研究DNA结构的行列,然而当时的环境相当不友善。她开始负责实验室的DNA项目时,有好几个月没有人干活。当时的剑桥,对女科学家的歧视处处存在,女性甚至不被准许在高级休息室里用午餐。她们无形中被排除在科学家间的联系网络之外,而这种联系对了解新的研究动态、交换新理念、触发灵感极为重要。
    Franklin在法国学习的X射线衍射技术在研究中派上了用场。X射线是波长非常短的电磁波。医生通常用它来透视人体,而物理学家用它来分析晶体的结构。当X射线穿过晶体之后,会形成样一种特定的明暗交替的衍射图形。不同的晶体产生不同的衍射图样,仔细分析这种图形人们就能知道组成晶体的原子是如何排列的。Franklin精于此道,她成功地拍摄了DNA晶体的X射线衍射照片。
    沃森(Watson)和克里克(Crick)也在剑桥大学卡文迪许实验室进行DNA结构的研究,Watson在美国本来是在微生物学家指导下从事噬菌体遗传学研究的。派他出国学习并没有规定课题,甚至他从一个国家的实验室到另一个国家的实验室也能得到导师的支持或谅解。当他听了Wilkins的学术报告,看到DNA的X射线衍射图片后,认定一旦搞清DNA的结构,就能了解基因如何起作用。于是他不等批准,就决定先斩后奏从丹麦去伦敦学习X射线衍射技术了。至于Crick,他是个不拘小节又相当狂妄的聪明人,不太受“老板”Bragg欢迎,甚至一度有可能被炒鱿鱼。但是,当因为学术问题引起的误会消除后,老板照样关心他的工作,在那篇划时代的论文写成后,Bragg认真修改并热情地写信向《Nature》推荐。这种现象在一个以学术为重的研究机构应该是正常的。人际关系对研究事业的干扰是轻微的。
    Watson擅自选择,后来和Crick一起在那里做出划时代贡献的研究机构,在当时已经是一个闻名全球的单位———英国剑桥大学卡文迪许实验室。这个实验室从1874年创立至今,先后造就了近30位诺贝尔奖获得者。早在20世纪初,物理学家汤姆森领导这个实验室时,就形成了一个“TeaBreak”习惯,每天上午和下午,都有一个聚在一起喝茶的时间,有时是海阔天空的议论,有时是为某个具体实验设计的争论,不分长幼,不论地位,彼此可以毫无顾忌地展开辩论和批评。在卡文迪许实验室里,Watson遇到了物理学家Crick,又得到机会向Wilkins、Franklin等X射线衍射专家学习,还有包括著名蛋白质结构专家的儿子在内一批科学家和他经常交换各种信息和意见,又得到实验室主任Bragg等老一辈的指导和鼓励,这些都是他取得成就的重要因素。而直接导致Watson集中精力从事DNA结构研究的契机,则是他得到美国主管部门资助去参加在拿不勒斯召开的学术会议,在那里他看到了威尔金斯(Wilkins)的X射线衍射图片。
    创新者必须破除迷信,敢于向权威挑战。1953年的Watson和Crick都是名不见经传的小人物,37岁的Crick连博士学位还没有得到。受到前人的影响,他们原来按照3股螺旋的思路进行了很长时间的工作,可是既构建不出合理模型,也遭到结晶学专家Franklin的强烈反对,结果使工作陷于僵局。在发现正确的双股螺旋结构前2个月,他们看到蛋白质结构权威Pauling一篇即将发表的关于DNA结构的论文,Pauling错误地确定为3股螺旋。Watson在认真考虑并向同事们请教后,决然地否定了权威的结论。正是在否定权威之后,他们加快了工作,在不到两个月内终于取得了后来震惊世界的成果。
    Wilkins在Franklin不知情的情况下给他们看了那张照片。根据照片,整日焦虑于DNA结构发现的Watson和Crick立即领悟到了现在已经成为众所周知的事实——两条以磷酸为骨架的链相互缠绕形成了双螺旋结构,氢键把它们连结在一起。他们在1953年5月25日出版的英国《Nature》杂志上报告了这一发现。双螺旋结构显示出DNA分子在细胞分裂时能够自我复制,完善地解释了生命体要繁衍后代,物种要保持稳定,细胞内必须有遗传属性和复制能力的机制。这是生物学的一座里程碑,分子生物学时代的开端,怎样评价其重要性都不过分。
    在1953年2月底,33岁的Franklin已经在日记中写道,DNA具有两条链的结构。这时她已经确认这个生物分子具有两种形式,链外面有磷酸根基团。1953年3月17日,当Franklin将研究结果整理成文打算发表时,发现Watson和Crick破解DNA结构的消息已经出现在新闻简报中。4月2日,Watson、Crick和Wilkins的文章送交《Nature》杂志,4月25日发表,公开了他们的DNA模型。接着他们在5月30日的《Nature》杂志上又发表了“DNA的遗传学意义”一文,更加详细地阐述了DNA双螺旋模型在功能上的意义。1953年初, Watson和Crick构建出DNA分子双螺旋结构模型,并暗示遗传物质可能就是通过它来复制的。这一设想的意味是令人震惊的:DNA恰恰就是传承生命的遗传模板。而此时Franklin对这一进展并不知情。她更不知道的是,Watson和Crick曾看过她拍摄的能验证DNA双螺旋结构的X射线晶体衍射照片,并由此获得了重要启发。
    Franklin的贡献是毋庸置疑的:她分辨出了DNA的两种构型,并成功地拍摄了它的X射线衍射照片。Watson和Crick未经她的许可使用了这张照片,但她并不在意,反而为他们的发现感到高兴,还在《Nature》杂志上发表了一篇证实DNA双螺旋结构的文章。
    Watson在1968年出版的《双螺旋》一书中坦承,“Franklin没有直接给我们她的数据”。而Crick在很多年后也承认,“她离真相只有两步”。目前,科技界对Franklin的工作给予较高评价,对Wilkins是否有资格分享发现DNA双螺旋结构的殊荣存在很大争论。
1962年,当Watson、Crick和Wilkins共同分享诺贝尔奖时,Franklin已经因长期接触放射性物质而患卵巢癌英年早逝。(非常、非常的遗憾。——编者)
    20世纪40年代末和50年代初,在DNA被确认为遗传物质之后,生物学家们不得不面临着一个难题:DNA应该有什么样的结构,才能担当遗传的重任?它必须能够携带遗传信息,能够自我复制传递遗传信息,能够让遗传信息得到表达以控制细胞活动,并且能够突变并保留突变。这4点,缺一不可,如何建构一个DNA分子模型解释这一切?
    当时主要有三个实验室几乎同时在研究DNA分子模型。第一个实验室是伦敦国王学院的威尔金斯、弗兰克林实验室,他们用X射线衍射法研究DNA的晶体结构。当X射线照射到生物大分子的晶体时,晶格中的原子或分子会使射线发生偏转,根据得到的衍射图像,可以推测分子大致的结构和形状。第二个实验室是加州理工学院的大化学家莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)实验室。在此之前,鲍林已发现了蛋白质的a螺旋结构。第三个则是个非正式的研究小组,事实上他们可说是不务正业。23岁的年轻的遗传学家沃森于1951年从美国到剑桥大学做博士后时,虽然其真实意图是要研究DNA分子结构,挂着的课题项目却是研究烟草花叶病毒。比他年长12岁的克里克当时正在做博士论文,论文题目是“多肽和蛋白质:X射线研究”。沃森说服与他分享同一个办公室的克里克一起研究DNA分子模型,他需要克里克在X射线晶体衍射学方面的知识。他们从1951年10月开始拼凑模型,几经尝试,终于在1953年3月获得了正确的模型。关于这三个实验室如何明争暗斗,互相竞争,由于沃森一本风靡全球的自传《双螺旋》而广为人知。值得探讨的一个问题是:为什么沃森和克里克既不像威尔金斯和弗兰克林那样拥有第一手的实验资料,又不像鲍林那样有建构分子模型的丰富经验(他们两个人都是第一次建构分子模型),却能在这场竞赛中获胜?
    其实这些人中,除了沃森,都不是遗传学家,而是物理学家或化学家。威尔金斯虽然在1950年最早研究DNA的晶体结构,当时却对DNA究竟在细胞中干什么一无所知,在1951年才觉得DNA可能参与了核蛋白所控制的遗传。弗兰克林也不了解DNA在生物细胞中的重要性。鲍林研究DNA分子,则纯属偶然。他在1951年11月的《美国化学学会杂志》上看到一篇核酸结构的论文,觉得荒唐可笑,为了反驳这篇论文,才着手建立DNA分子模型。他是把DNA分子当作化合物,而不是遗传物质来研究的。这两个研究小组完全根据晶体衍射图建构模型,鲍林甚至根据的是30年代拍摄的模糊不清的衍射照片。不理解DNA的生物学功能,单纯根据晶体衍射图,有太多的可能性供选择,是很难得出正确的模型的。
    说到沃森,他是一位很有意思的人,且备受争议。詹姆斯·沃森生于芝加哥,受其父的影响颇大。据他自己在一篇文章中说,得到父亲三项真传:一、相信知识可以使人脱离“迷信”(即宗教);二、热爱观鸟;三、拥护民主党。十二岁时,参加一个名为“每事问孩子”(Quiz Kids)的电台问答游戏,15岁即以资优生的身分提早入读芝加哥大学,主修动物学。因为读到物理学家薛定谔的科普名著《何谓生命?》(What is Life?),兴趣由候鸟的迁徙转到遗传学。
    获得芝大的学位后,先后申请入读加州理工、哈佛的研究院,均不果,改进印第安纳大学,加入了萨尔瓦多·卢里亚(Salvador Luria)等人的“噬菌体集团”,正式涉足遗传学的研究。受到这个集团的影响,沃森开始相信DNA就是基因的载体。1950年获博士学位,到哥本哈根作博士后研究,其间在那不勒斯参加一个学术会议,从莫里斯·魏尔金斯(Maurice Wilkins)的演讲中得知DNA具规则的结构,坚定了他解决DNA结构的决心。1951年,转到剑桥的卡文迪许实验室,认识克里克,一同利用X光绕射的数据,建构DNA模型。终于,二人在1953年提出DNA的双螺旋结构,在同年4月25日将结果发表在《自然》杂志。
    1956年沃森到哈佛大学当助教,1961年获升为教授。1962年,与克里克、魏尔金斯因为对DNA结构的研究而共同获得诺贝尔生理医学奖。1965年出版了划时代的教科书《基因的分子生物学》(Molecular Biology of the Gene),1968年出版《双螺旋》,同年开始兼任位于纽约长岛的冷泉港实验室(Cold Spring Harbor Laboratory)的总管,并将研究方向转移到癌症。1976年辞去哈佛的职位,专注於冷泉港的职务。1988年,获美国国家卫生局委任为人类基因组计划的助理主管,一年后成为人体基因组研究国家中心的首任主管,担当此职直至1992年。1994年,成为冷泉港首任总裁。
    沃森別开生面的科学自传《双螺旋》(The Double Helix)吸引了不少读者,但也惹怒了不少同行。他在书中对他自己以外的科学家多所批评,他对女科学家罗莎琳·富兰克林的男性沙文主义式评语,尤其惹人反感;因此在该书的“后记”中,他特別澄清说“我当初对罗莎琳·富兰克林的印象,不论是科学上的还是个人方面的……都往往是错的” (…… my initial impressions of her, both scientific and personal ... were often wrong……)。
    2007年10月14日,《星期日泰晤士报》引述了沃森的言论,说黑人先天智力不如白人,所以令他对非洲的前途未敢乐观。同年10月18日,伦敦的科学博物馆(Science Museum),因为沃森的言论临时取消了他的一场演讲,表示他的言论已超过可以容忍的限度;同时冷泉港也中止了他的职务。沃森随即表示毫无保留地为他的言论道歉。
    2014年12月现年86岁的沃森4日在纽约佳士得拍卖行拍卖自己的诺贝尔奖章,被俄罗斯富豪阿利什.奥斯曼诺夫以260万英镑拍得。阿利什随后将其归还给沃森,并表示此次拍卖所得将用于支持沃森的科学研究。
    此外他还觉得肥胖者“让人看了感觉很糟,不想雇用他们”;对于所有“相貌不佳的女性”,还有“愚笨的人”,他认为应该以基因工程来治疗。

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博文
发表于 2015-6-18 10:35:51 | 显示全部楼层
狂人也是有存在价值的,社会应当有这个认识。沃森就是一个例子。
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博文
发表于 2015-9-25 23:47:05 | 显示全部楼层
>>他们在1953年5月25日出版的英国《Nature》杂志上报告了这一发现。
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5月25日-->4月25日
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